物理（普通类）教学课件 第一节 原子结构 学习资料

第一节

原子结构一、原子的核式结构二、天然放射现象

一、原子的核式结构在19世纪以前，人们一直认为原子是组成物质的最小单元，是不可再分的。1897年，英国物理学家汤姆孙通过对阴极射线的研究发现了电子，表明电子是原子的组成部分。电子是带负电的，而原子是中性的，可见原子内部还有带正电的物质。这些带正电的物质和带负电的电子是怎样构成原子的，就成了当时物理学家们最关心的问题之一。

1903年，汤姆孙综合他的实验结果，提出了原子结构枣糕模型假说。他设想原子中的正电荷是均匀地分布在整个原子球体中，而电子却象枣糕里的枣子那样镶嵌在原子中，如右图所示。该模型虽然能解释原子为何呈现中性等现象，但不久就被新的实验事实否定了。

1909—1911年，英国物理学家卢瑟福做了用α粒子轰击金箔的实验。通过实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔片后仍沿原来的方向前进，只有少数α粒子发生大角度的偏转，极少数α粒子的偏转角度几乎达到180°。卢瑟福对α粒子散射实验结果进行了仔细研究，提出了原子的核式结构模型：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内，带负电的电子在核外空间绕着原子核旋转。原子核所带的正电荷数等于核外的电子数，整个原子是电中性的。根据这个模型，可以很好地解释α粒子散射的现象：大多数α粒子穿过原子时，离原子核的距离都相当远，原子核对它们的作用力很小，因此，它们仍然是沿直线前进的。少数α粒子在穿过原子时，离原子核的距离较近，原子核对它们的排斥力较大，因此使它们发生偏转。偏转角度大的α粒子极少，那是因为原子核非常小，α粒子非常接近原子核的情形很不容易发生。根据α粒子散射实验的数据，可以估算出原子核的半径为10-14～10-15m，而原子的半径约为10-10m，所以，原子核的半径只相当于原子半径的万分之一，原子核的体积只相当于原子体积的万亿分之一。如果把原子放大成一座能容纳万人的体育馆，那么原子核只相当于一个乒乓球。

1919年，卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验，他发现某些α粒子钻进了氮原子核，并把氮核内的一个粒子驱逐出来，使氮核变成一个新的原子核。为了了解这个从氮原子核里被驱逐出来的新粒子的性质，卢瑟福就在这个实验装置里加进电场和磁场，并根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它的质量和电荷，从而确定了这个新粒子就是氢原子核，他把它叫作质子。以后，人们用同样的方法从氟、钠、铝等原子核中都打出了质子，表明质子是原子核的组成部分。自从质子和中子被发现后，德国的海森伯（1907—1976）和苏联的伊万年科（1904—1994）各自提出了原子核是由质子和中子构成的假设，如图所示。由这种假设演绎出的一些结论与大量实验结果相符合，因而这种假设很快被人们所公认，质子与中子统称为核子。

1932年，英国物理学家查德威克（1891—1974）重复了德国物理学家波特和法国的约里奥-居里夫妇的实验，先用α粒子轰击铍，再用铍产生的穿透力极强的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核。查德威克测量了被打出的氢核的速度，并由此推算出这种射线粒子是一种质量跟质子差不多的中性粒子，并将其命名为中子。后来人们又从其他许多原子核里都打出中子来，从而表明中子也是原子核的组成部分。

二、天然放射现象

1896年，法国物理学家贝可勒尔（左图）在实验中首先发现，铀能放出肉眼看不见的使照相底片感光的某种射线。法国科学家皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇（右图）对此进行了深入的研究，又发现钋、镭也能够放射出使照相底片感光的射线。

像铀、钋、镭等物质放射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。原子序数大于82的所有元素，都具有放射性。原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。元素这种自发地放出射线的现象叫作天然放射现象。通过对放射性现象的研究发现，放射性元素发出的射线，在垂直穿过磁场时分成三束，如右图所示。根据电磁学的知识可判断出，中间一束射线是不带电的，另两束射线分别带正、负电荷，人们把这三束射线分别叫作α射线、β射线和γ射线。

α射线是由氦原子核组成的粒子流（即α粒子），很容易使气体电离，使底片感光的本领也很强。但贯穿本领最弱，用一张纸就可以挡住。

β射线是高速电子流（即β粒子），其电离作用较弱，贯穿本领较强。要阻挡β射线，就需要用6mm厚的铝板了。

γ射线是波长极短的电磁波（即光子），其电离作用最弱，贯穿本领最强，要用几厘米厚的铅板或几十厘米厚的混凝土墙才能阻挡它。

过量的放射线照射会对人产生巨大的危害，被照射的皮肤和肌肉会溃烂不愈，严重者可导致人死亡。发现镭的居里夫人，在长期的研究工作中，遭到过量的辐射，因患上再生障碍性贫血病而付出了宝贵的生命。上图所示的图标是国际通用的放射性物质的标志，大家要培养对放射性物质的防范意识，尽可能地远离放射源。

放射性辐射不能被人体感官（如触觉、视觉等）感受到，但可以用专门仪器测出来，下图所示为一种测量放射线强度的仪器。度量人体所接受辐射剂量的单位是Sv（希）。

天然辐射从宇宙中来，自古以来，辐射便在大自然环境里无所不在，在我们生活中的岩石、泥土、水、空气中到处都有。不仅地面、建筑材料、食物中的放射性物质会发出辐射，甚至人体也会发出辐射。人体在接受微量的辐射时不会遭到损伤，但若突然受到大剂量辐射，超过1Sv，会导致急性辐射伤害，并造成短期症状，如胸闷、呕吐、极度疲倦和脱发等现象；若所受辐射剂量超过10Sv而又缺乏适当治疗，则会有生命危险。此外，辐射会增加患癌和子女出现遗传缺陷的机会。我们目前接受的辐射剂量中有82%是来自自然界，18%来自人为来源。一个人一年受到天然和人为放射性辐射的总剂量约为2mSv。因利用核能发电而使公众受到的辐射剂量在总剂量中占1%。我国在放射性管理方面有很多严格的限值规定，目前运行中的核电站对周围居民的照射均远远低于规定标准。在核电站正常运行的情况下，核电站的工作人员一年受到的照射剂量仅相当于我们通常做的一次X光检查。在一个铺有大理石地面的大厅里，环境监测人员测得室内的瞬时辐射剂量是每小时0.1μSv。而核电站中所有带有放射性的物质和工艺流程都被严严地包在安全壳里，反应堆安全壳旁边环境的瞬时辐射剂量只有每小时0.08μSv。练习7-1

1．简述原子的结构。

答案：原子的中心有原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核内，带负电的电子在核外空间绕着原子核旋转。原子核所带的正电荷数等于核外的电子数，整个原子是电中性的。原子核是由质子和中子构成的。