问题导入

1897年，英国物理学家汤姆生（1856—1940）在研究阴极射线时发现了电子。此后，人们逐步了解了电子的各种特性，认识到电子是原子的组成部分，原子并不是不可再分的，而是由更小的微粒组成的。

我们知道电子是带负电的，而原子是中性的，可见原子里还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎样构成原子的呢？

1.原子的结构

（1）汤姆生的原子模型

在20世纪的前10年里，物理学家已经提出了几种原子模型，其中最有影响的是汤姆生的原子模型。如图8-1-1所示，在这个模型里，原子是一个球体，正电荷均匀分布在整个球内，而电子像枣糕里的枣子那样镶嵌在原子里面。汤姆生的模型能解释一些实验事实，但不久就被他的学生卢瑟福发现的新的实验事实否定了。

图8-1-1　汤姆生与他的原子模型

（2）原子的核式结构

1909至1911年，英国物理学家卢瑟福（1871—1937）和他的合作者们用α粒子当“炮弹”轰击金箔，发现了原子的核式结构。

如图8-1-2所示，在一个小铅盒里放有少量的放射性元素钋，它发出的α粒子从铅盒的小孔射出，形成很细的一束射线射到金箔上。α粒子穿过金箔后，打到荧光屏上，产生一个个的闪光，这些闪光可以用显微镜观察到。整个装置放在一个抽成真空的容器里，荧光屏和显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动，从而可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的α粒子。

图8-1-2　α粒子散射实验示意图

图8-1-3　α粒子散射实验分析

实验结果表明：绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但是有少数α粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数的α粒子偏转超过了90°，有的甚至被弹回，偏转角几乎达到180°，这种现象叫作α粒子的散射。

卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了分析，得出结论：除非原子的几乎全部质量和正电荷都集中在原子中心一个很小的核上，否则α粒子的大角度散射是不可能的。由此，卢瑟福提出了他的原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫作原子核。原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。原子核所带的正电荷数等于核外电子数，所以整个原子是中性的。

科学方法

假　说

假说是物理研究中常用的科学方法之一。在现有实验事实的基础上，通过逻辑推断和猜测提出假说，再有目的地利用实验验证假说正确与否。

科学家在探索原子结构时，就是不断地通过“实验→假说→新实验→新假说”，最终得出科学的结论。假说不是天马行空的想象，必须要建立在科学实验的基础上。

卢瑟福的原子核式结构模型可以很好地解释α粒子散射实验，并且根据实验数据还可以估计出原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。原子核虽小，却集中着原子几乎全部的质量，因为核外电子的质量跟原子的质量比较起来是很微小的。

2.原子核的组成

科学家经过研究，发现小小原子核的结构也非常复杂。原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。质子带一个单位的正电荷，中子不带电，质子和中子的质量几乎相等，都等于一个质量单位，所以原子核的电荷数就等于它的质子数，原子核的质量数就等于它的质子数与中子数的和。

我们用（或）表示质子，用表示中子。这里上标表示它们的质量数，下标表示它们的电荷数。例如，质量数为238、原子序数为92的铀核可表示为（可以省去下标，简写为238U，还可以简写为铀238或U238），它的核子数为238，质子数为92，中子数为238-92=146。

组成原子核的质子和中子非常紧密地聚集在很小的体积内，因此核子彼此之间的距离都很小。由于质子带有正电荷，它们之间的库仑斥力是很大的，然而通常的原子核却是很稳定的。这表明，在原子核里，除了质子间的库仑力，还有另一种力，它把各种核子紧紧地拉在一起。这种力叫作核力。核力是一种很强的力，它在质子和质子间、质子和中子间、中子和中子间都存在，并且只在1.5×10-15m短的距离内起作用。超过了这个距离，核力就迅速减小到零。质子和中子的半径大约是0.8×10-15m，因此每个核子只和与它相邻的核子间才有核力的作用。关于核力的本质问题，现在仍在深入研究中。

3.天然放射现象(www.daowen.com)

人类认识原子核的复杂结构和它的变化规律，是从发现天然放射现象开始的。1896年，法国物理学家贝可勒尔（1852—1908）发现，铀和含铀的矿物能发出某种看不见的射线，这种射线可以穿透黑纸，使照相底片感光。物质自发地辐射出射线的现象，叫作天然放射现象。物质发射这种射线的性质，叫作放射性。具有放射性的元素，叫作放射性元素。

图8-1-4　居里夫妇在工作

玛丽·居里（1867—1934）和她的丈夫皮埃尔·居里（1859—1906）在贝可勒尔的建议下，对铀和含铀的各种矿石进行了深入的研究，并且发现了两种放射性更强的新元素。玛丽·居里为了纪念她的祖国波兰，把其中一种元素命名为钋（元素符号是Po），另一种命名为镭。

通过研究可知，放射性元素释放的射线有3种：α射线、β射线、γ射线。

进一步的研究证明，α射线是一种粒子流，粒子的电荷等于基本电荷的2倍，质量是氢原子质量的4倍。原来，α粒子就是氦原子核。α粒子射出的速度约为光速的10%，但贯穿物质的本领很小，在空气中只能飞行几厘米，一张薄铝箔或一张薄纸就能把它挡住；不过它有很强的电离作用，很容易使空气电离，使照相底片感光的作用也很强。

图8-1-5　3种射线穿透能力示意图

通过研究β射线在电场和磁场中的偏转，证明了β射线是高速运动的电子流。β射线的贯穿本领很强，很容易穿透黑纸，甚至能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用比较弱。

γ射线的性质非常像X射线，只是它的贯穿能力比X射线大得多，甚至能贯穿几厘米厚的铅板。但它的电离作用却很小。后来，发现了γ射线在晶体上的衍射现象并测定了它的波长以后，证明它是波长极短的电磁波，波长只有10-13～10-10m。

天然放射性元素在自然界中并不多，应用受到了限制。但通过人工方法可以获得放射线同位素。目前，科学家们已经获取了1000多种人工放射线同位素。

放射性同位素能放射出各种具有电离作用、贯穿作用和产生生物效应、化学效应的射线，在工业生产中可用于测量、探测等技术，在医学上可用于诊断和治疗等，在农业上可用于农产品的保鲜（图8-1-6）等。

图8-1-6　辐射保鲜

STS

放射性污染的控制

使用放射性物质时，一定要防止和控制放射性污染。人身受到过量的辐射，不但会引起本身不良的躯体效应（如细胞癌变），有的还会在其后裔身上出现遗传效应。

因此，国际放射防护委员会对受辐射人员和工作人员所受照射剂量做了严格规定。防止核污染，必须对各种可能受污染的人员和环境进行定期检测，并采取各种防护措施。图8-1-7是一种便携式放射线探测计数器，通常称为盖革计数器。

图8-1-7　一种盖革计数器

习　题

1.试述卢瑟福的原子核式结构学说。

2.α粒子散射实验中少数α粒子发生大角度偏转的原因是什么？

3.原子核由哪两种基本粒子构成？粒子的特征怎样？

4.什么是放射性？什么是天然放射现象？

5.放射线有哪几种？它们的本质是什么？各有哪些特性？