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内容讲解（详解）VCD32： 09〜3： 18一、 溯源1、开端人类很早就开始了对物质世界的探索，公元前古希腊哲学家德谟克利特认为,…切物 质定由一种不可分割的微粒所构成的，这种微粒称Z为原了，这是最早的原了论由于当时 的生产力发展水平、和人对自然的认知水平的限制，早期的原了论、带有强烈的猜测和思辨 色彩近代的原了论是随着化学的发展建立起来的化学家认为原了是极微小的粒了，是物 质结构不可分割的最基木单元原子学说真正从实验方血得到证实，并且成为一门研究物质 结构的科学，则是起源于19世纪末、20世纪初物理学家的发现3： 20〜6： 192、三大发现的启示在19世纪末、20世纪初的近十年中，物理学研究发生了一系列恭撼性的事件，许多 重要发现接铺而至，导致了对物质结构研究的革命性的发展1895年，徳国物理学家伦琴，意外地发现了一种神秘的射线由于不知其名，所以伦 琴将它命名为X射线同时，还公布了他的妻了的、手指骨的X射线照片这在全世界引 起了轰动伦琴也因Z成为世界上第一个获得诺贝尔物理奖的人1896年，法国科学家贝克勒尔，偶尔发现、铀盐未被阴极射线照射时、也会发出穿透 能力很强的射线，这就是铀的放射性。

随后，居里夫人又证实了针元素也具有放射性放 射性”这个词，正是由居里夫人所提出的1903年，居里夫妇与贝克勒尔一起，共享了诺 贝尔物理学奖1897年，英国物理学家J・J・汤姆逊,成功地测定了组成阴极射线的粒子的电荷与质量 Z比，即电子的荷质比，从而在实验上发现了电子如果说，X射线的发现，是自然界发出的一个信息，它告诉人们，原了内部有着复杂的 结构；那么放射现彖的发现，则使人们意识到原了是可变的；而电了的发现，打破了原了不 可分的观念，标志着人们终于打开了原子世界的大门X射线、天然放射性和电子，这三大发现，极大地震撼了人们的心灵，使人们对原子 的实体性不再有怀疑，更为重要的是，它使人们认识到原了不再是物质结构中不可分割的最 基木单元，原了是由更深层次的物质所构成的而且，原了内部在发生变化，构成原了的深 层次物质有其自身的运动规律从此，人们开始了对微观世界的不懈探索6： 20〜6： 45二、原子的结构19批纪的三大发现，揭开了研究微观世界的序幕，把人们的视线引入了 IO"米范围的微观世界人们开始思索，原了是由什么纟R成的？它的结构又是怎样的呢？6： 46〜& 161、 原子的“葡萄干蛋糕模型”在J.J.汤姆逊发现电了以后，人们马上想到电中性的原子，很可能是由电了和带正电荷的部分所组成的。

关键的问题是，正负电荷在原了中是如何分布的？在备种模型 中，汤姆逊本人在1903-1904年间、所提出的一种模型最为引人注目他假定：原了 的正电荷是均匀分布在整个原了球体内，而电了是一个个镶嵌在其中这个模型有些像 一块蛋糕上撒布了一些匍萄干，所以，后来的人们就把这模型戏称为“匍萄干蛋糕模型 在模型提出的最初儿年，对于这一模型，既没有支持它的证据，也没有反对它的证据， 原因是当时尚无研究原了内部结构的实验手段这种情况一直持续到卢瑟福进行了 a射 线轰击原了的散射实验以示，才开始改变8： 17〜11： 562、 原子的“有核模型”英国物理学家卢瑟福,是J.J•汤姆逊的研究生在放射性现象发现不久，还是研究生 身份的他，积极投入了其中的研究工作他发现放射性元素所放出的射线中，其中一种是a 射线，并利用特征光谱线、证实了 a射线就是带两个正电荷的氨离了，即a粒了接看，他 利用镭源所放出的a粒子为炮弹去轰击各种原子，测量出射＜1粒子的偏转情况，研究a粒子 与物质的相互作用1908年，卢瑟福荣获了诺贝尔化学奖1909年，新的奇迹出现了，他的学生在用a粒子轰击金箔的实验时，从大量的观察记 录中发现，a粒了居然约有八千分Z—的几率反射冋来，这是一个令人惊讶的结果，就好彖 “将一支枪对着一张纸开火，一颗了弹却弹了冋来”一样，此结果与汤姆逊模型是完全矛陌 的。

但是，卢瑟福充分尊重实验事实，抓住了与原子结构肓接有关的信息，经过严谨的理论 推导，于1911年，提出了原子的“有核结构模型”他认为，所有的正电荷和原子质量都集 中在原子中心的一个非常小的体积内，这就是“原子核”，其半径在10一m〜10川米范围 内原了中的电了是在核周囤、绕核运动，运动半径约为米范围内，带正电的核、和 带负电的电了之间的静电引力，把整个原了结合在一起原了的“有核结构模型”也合理地 解释了 “a粒了散射实验”，由于a粒了的质量约是电了的八千倍，所以，a粒子在与电了 作用时，几乎不会改变方向；而与原了中心的原了核发生散射时，将受到原了核的库仑力的 排斥，有可能发生大角度散射理论计算表明，确实a粒子可以有非常小的几率被发射冋来, 与实验事实相符原了核的发现意义深远，它使人们对原了结构有了正确的认知，为原了核物理的发展奠 定了基础；是人们探索微观世界的道路上的一块里程碑12： ：38〜16： 063、对于原子有核模型的修正卢瑟福原了有核模型取得了成功，但是也存在看严重缺陷，主要问题在于电了在原了 内部是如何运动的1913年，卢瑟福的学生、年仅28岁的丹麦物理学家玻尔,在普朗克一 爱因斯坦解决黑体辐射问题时提出的光帚了理论的启发下，川能量最了化的概念对原了冇核 模型进行了修正。

他提出：（1）电子环绕原子核运动，只能在一些可能的分立的轨道上，每一轨道对应于一个确定的能量；（2）当电了从较高能量的轨道跃迁到一较低轨道时，它释放 能量，放出光了，后人称这个理论为玻尔I口量了论1922年，玻尔荣获诺贝尔物理学奖与卢瑟福原了模型一样，玻尔模型在成功的同时，同样存在着难以克服的矛盾1924 年，法国的物理学家徳布洛意，从光具有波和粒了两象性，推想到物质粒了也会有波动和粒 了两种性质，从而提出了物质波的概念利用徳布洛意的物质波概念，可以很H然地认为， 由于电了的波粒二彖性，导致了在原了中的电了根木不是作经典的轨道运动，而是以一定的 儿率出现在原了空间的不同地方，于是原了模型更臻完善了徳布洛意获得1929年诺贝尔 物理学奖玻尔的III量了论、徳布洛意的实物粒了波粒二象性的思想，不仅对原了模世的建 立做出了贡献，而且在探索微观世界运动规律的理论上迈开了节命性的一步在此基础上，经过许多物理学家的努力，诞生了量了力学，它使我们能够正确描述微观世界的运 动规律，为我们进一步深入微观世界的研究提供了有力工具至今为止，量了力学已为 人类作出了巨大贡献，如半导体、晶体管、集成电路以至于超大规模集成电路、激光、 核能利用等技术的发明和发展都离不开量了力学，而且直至今口在自然界尚未发现与量 子力学相违背的现象。

19： 33〜20： 06三、原了核的结构原了是由一个尺度非常小的原了核和核外的绕核旋转的电了组成的在明确了原了的结 构Z后，物理学家的视线开始转向原子核的结构研究，人类对物质世界的认知一下子从原子 的尺度10」°米深入到原子核的尺度10-M米中去了20： 16〜25： 361、原子核构造之谜卢瑟福提岀了原子核的概念后，就利用a粒子散射现象来测定原子核的电荷他在这一 系列的散射实验中得到了一项重要成就，发现元索周期表中的化学元索，不应按原了的质量 来排列，而是应该按原了核所带的电荷量的大小来排列嚴简单的原了一氢原子序数是1, 即氢原了核只具有单位电荷，与电了的电量相等借用“原始” （prot） Z义，称它为质了 （proton）,中文译文“质了”是取“携带质量的粒了”之义，其他原子核的电量大约是质 子电量的整数倍这样，元素周期表中的化学元素就顺序排列下来对原子核性质的研究凝结了许多原子核物理学者的T作，直至上世纪40年代人们已有 了以下认识：（1） 所有原了核都带正电荷，电荷量的大小均是质了（亦即氢原了核）电荷的整倍数2） 所有原了核的质最均并不多是质了质量的近似的整倍数，但是这一近似的幣倍数 却不等于电荷的整倍数。

由于原子核的质量近似于质子质量的整倍数，因此导致对原子核结构的一种猜测，就是 质了是构成原了核的基木成分用这个概念解释氢原了核是顺理成章的事，但是困难马上就 出现了，氨原了有两个电了，由于原了是电中性的，对应地原了核内应有两个质了，那么氨 原子核的质量数应为2,事实上氨原了核比氢原了核重四倍，质量数为4,如果认为氨原子 核是四个质子所构成，那又怎样抵销那两个多余的正电荷呢？另一种设想是原子核是由质子 和电子这两种“基本”粒子组成的，这也很H然，因为当时他们手头上也只有质子和电子 这样就可以解释氨的原了核可能还有两个电了能抵销两个正电荷，氨原子核是由四个质了与 两个电了所构成的，似乎也可以讲得通，但是对于更重的原了核矛盾就尖锐到无法解释的地 步了铀原了核有92个正电荷，按原了核由质了和电了所构成的观点来看，则铀原子核应 由184个质了和92个电子所构成，铀原了核的质量数应为184但是，实验定出的铀原了 核质量数为184的1. 3倍显然92个电子是无法补上这：30%的差额的，因为电子质量只是 质了质量的力•分Z五元素同位素的发现使问题更加复杂化同位素是指原了的化学性质相同而质量不同，但 处在元素周期表内同一位置上的一组元素。

氨元素有两种同位素，即两种质最不同的原了核, 质量数分别为3和4铀原子核有质量数分别为235与2：38的两种同位素研究表明，差不 多所有的元素都有同位素，这是…种普遍存在的事物最简单的氢原子核也有质量数分别为1、2、3的三种同位索，后两者分别称为宛和範这就把原子核是由质了与电了构成的设想 推上了绝路25： 56〜28： 482、中子的发现但是，质子绝对不是构成原子核唯一的基木成分为了探索原子核组成的秘密，1920 年，卢瑟福提出了一个创新的科学思想，他认为，在原子核中，除了质子外，还存在一种质 量与质了相近的中性粒了正是受卢瑟福这个思想的影响，寻找原了核内的中性粒了成为当 时许多核物理学家一肓在追求的科学目标中了的发现颇具戏剧性1930年，徳国物理学家玻特和他的学生利川a射线轰击披元素，发现产生了一种穿透力极强的射线消息传到法国，居里夫人的女儿伊重娜.里和她丈夫约里奧•居里对这种射线进行了研究他们将这种射线射到石蜡上，测到了有反冲质子 从石蜡中放出但是，他们祁没有能够抛弃传统的旧观点，而断言这种射线正是人家所知的Y射线而正在剑桥工作的英国物理学家查德威益看到居里夫妇的研究报告示，立即把披射线与他的老师卢瑟福在1920年提出的思想联系起来，意识到这可能就是他们寻找已久的新中 性粒了。

杏徳威克首先验证了这种新射线在磁场小不会偏转，伏I此判断它是不带电的中性粒 了然后，测定这种粒了的速度不到光速的I •分Z—,从而排除了它是某种Y射线的可能性接着，查徳威克又通过巧妙的散射碰撞实验，确定这种新粒了的质量与质了羞不多这样一 来，查徳威克获得了足够的实验证据，宣布发现一种新的中性粒了一一中了，查徳威克荣获T 1935年度的诺贝尔物理奖28： 42〜29： 303、关于科学探究发现中了的历史，是近代科学史上一个典型事例，通过这个例了我们可以看到创新的学 术思想和精妙的实验构思是怎样相辅相成的:1920年，卢瑟福关于原了核内存在电中性粒了的设想r1930年，玻特等人发现穿透力很强的披射线1931年，约里奥.居里夫妇发卫b披射线会从石蜡中打出质子1932年，查徳威克发现中片29： 32〜34： ()34、原子核的结构人们发现中子后，对于原子核的研究、有了迅猛的发展人们提出了新的原子孩漠酸 原了核可以看作是由质了和中了组成的质了和中了除了所带电荷不同外，其他。