第四篇微觀與宇觀世界

第四篇微觀與宇觀世界通常情況下，線度大于10^-的物質(zhì)被稱作宏觀物質(zhì)。在宏觀世界中，物理現(xiàn)象可以通過經(jīng)典物理學(xué)來解釋。而線度小于10^-的粒子，如分子、原子和原子核等，則被稱為微觀粒子。另一方面，線度大于星系的物質(zhì)可以被稱為超宏觀或宇觀物質(zhì)。盡管微觀和宇觀世界與我們所生活的宏觀世界一樣豐富多彩，但它們之間的規(guī)律性卻存在著很大的差異。20世紀(jì)物理學(xué)在這兩個(gè)領(lǐng)域的突破性進(jìn)展極大地拓寬了人們的視野，提升了人類對自然的認(rèn)識和利用能力。本篇中你將初步了解微觀和宇觀世界中客觀物質(zhì)的某些特性，了解人類對它們的探索歷程。第十二章物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)導(dǎo)學(xué)在本章中，你將學(xué)到：原子的結(jié)構(gòu)式怎樣的？如何探測物質(zhì)的放射性？原子核由什么組成？怎樣獲得核能？怎樣和平利用核能？天然放射性現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，開創(chuàng)了人類探索微觀世界的新時(shí)代。利用放射性，可以確定生物體遺骸的年代，這種方法稱為放射性鑒年法。圖12-1所示的這塊琥珀中的小昆蟲，用放射性鑒年法測出它大約生存在5000年前。圖12-1為了深入研究物質(zhì)的微觀構(gòu)造，科學(xué)家們設(shè)法“撞開”了原子核，經(jīng)過長期的努力，不僅揭示出原子核內(nèi)部的奧秘，還發(fā)現(xiàn)了新的能量形式——核能。圖12-1核能是一種存在于原子核內(nèi)部的能量。核電站是利用核能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電廠。我國自主設(shè)計(jì)和建造的第一座核電站——秦山核電站(如圖12-2所示),總裝機(jī)容量高達(dá)2.9×10^6kW。秦山核電基地的建設(shè)，結(jié)束了我國有核無電的歷史，并成為我國和平利用核能的典范。圖12-2圖12-2第十二章A原子的核式結(jié)構(gòu)人類生活在豐富多彩的物質(zhì)世界中，享受著大自然的“恩寵”。同時(shí)，人們也在不斷地探索：物質(zhì)究竟是由什么組成的？它的微觀結(jié)構(gòu)又是怎樣的？在很早以前，人們就開始形成物質(zhì)是由分子構(gòu)成的觀念：分子是由原子組成的。希臘文中，“原子”一詞意味著“不可分割”。然而，無論是在古代還是現(xiàn)代，都有人持有相反的觀點(diǎn)，他們認(rèn)為物質(zhì)是無限可分的。1897年，英國物理學(xué)家湯姆孫(J.J.Thomson)發(fā)現(xiàn)了電子，進(jìn)一步證實(shí)了原子并非構(gòu)成物質(zhì)的最小單位，它具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)大家談將如圖12-3所示的陰極射線管接通高壓直流電源，可以看到管內(nèi)陰極發(fā)射出一束射線，使涂有熒光物質(zhì)的白色底板上出現(xiàn)一條亮跡。那么，陰極發(fā)射出的究竟是什么射線呢？圖12-3圖12-3科學(xué)家通過對這個(gè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的研究，拉開了探索物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的序幕。陰極發(fā)射的是什么射線？在圖12-3所示的實(shí)驗(yàn)中，我們看到了在白色底板上的亮跡，這表明陰極發(fā)出了射線，并且射線是沿直線傳播的。人們把這種從封裝在真空玻璃管中的陰極發(fā)出的射線稱為陰極射線，能產(chǎn)生陰極射線的管子稱為陰極射線管。那么，陰極射線的本質(zhì)是什么呢？

英國科學(xué)家湯姆孫(J.Thomson)于1897年設(shè)計(jì)了一個(gè)巧妙的實(shí)驗(yàn)，通過使陰極射線粒子受到的靜電力和洛倫茲力平衡等方法，確定了陰極射線粒子的本質(zhì)是帶負(fù)電的粒子流，并確定了其速度，測量出了這些粒子的比荷。1897年，湯姆孫通過一系列關(guān)于陰極射線的實(shí)驗(yàn)，得出了如下的結(jié)論：陰極射線是由質(zhì)量小于一個(gè)氫原子質(zhì)量的千分之一、帶負(fù)電的粒子組成的。他把這種粒子定名為“電子”。電子是原子的組成部分。1．電子（electron）的發(fā)現(xiàn)電子的發(fā)現(xiàn)證實(shí)了原子是可分的。電子是原子的組成部分。電子是質(zhì)量m＝9.1×10-31kg、電荷量大小e＝1.6×10-19C、帶負(fù)電的粒子。湯姆孫的發(fā)現(xiàn)打破了傳統(tǒng)的“原子不可分割”的舊觀念，并使人類認(rèn)識了第—個(gè)比原子小的微觀粒子——電子。從此，人類對原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的探索開始了新的歷程。湯姆孫為此榮獲了1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是怎樣的？10-1010-10m圖12-4當(dāng)然，肉眼無法直接觀察到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在20世紀(jì)初，即使使用當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的顯微鏡，這一目標(biāo)仍難以實(shí)現(xiàn)。然而，人類對自然的理解和探索手段并不僅限于“觀察”。根據(jù)已知的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，人們可以提出假設(shè)和物理模型，以模擬所研究的對象。在20世紀(jì)初，科學(xué)家們?yōu)樵咏Y(jié)構(gòu)提出了多種理論模型。例如，1904年湯姆孫首次提出了“葡萄干蛋糕模型”(如圖12-4所示),該模型主張：原子的正電荷和質(zhì)量均勻分布在原子內(nèi)部，帶負(fù)電的電子則嵌入到原子內(nèi)部。如果將原子視為一個(gè)蛋糕，那么電子就像是分散在蛋糕中的葡萄干。為了驗(yàn)證湯姆孫提出的原子結(jié)構(gòu)模型，1909年，英國物理學(xué)家盧瑟福(E.Rutherford,1871—1937)及其團(tuán)隊(duì)采用高速飛行的α粒子對金箔進(jìn)行轟擊。通過觀察α粒子飛行路徑的變化，他們試圖了解目標(biāo)原子(金原子)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。圖12-5展示了實(shí)驗(yàn)設(shè)備的示意圖。圖12-5圖12-52．原子（atom）核式結(jié)構(gòu)模型的提出盧瑟福通過α粒子散射實(shí)驗(yàn)，否定了湯姆孫的無核原子結(jié)構(gòu)模型，提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是：（1）絕大多數(shù)α粒子穿過金箔后，與原來的運(yùn)動(dòng)方向偏離不多（平均2°～3°）。（2）少數(shù)α粒子產(chǎn)生較大角度的偏轉(zhuǎn)。（3）極少數(shù)α粒子產(chǎn)生超過90°的大角度偏轉(zhuǎn)，個(gè)別α粒子甚至被彈回。α粒子帶正電，其偏轉(zhuǎn)是由于受到原子內(nèi)正電荷的排斥作用而產(chǎn)生的。根據(jù)湯姆孫的“葡萄干蛋糕模型”，正電荷均勻分布在原子內(nèi)部，因此導(dǎo)致α粒子偏轉(zhuǎn)的角度不可能達(dá)到很大，甚至小于90°(圖12-6)。此外，α粒子的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍，如果與原子中的電子發(fā)生碰撞，就像子彈擊中灰塵一樣，不會(huì)產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)。因此，盧瑟福的α粒子散射實(shí)驗(yàn)使湯姆孫的理論陷入了困境盧瑟福在相同條件下，用不同金屬的箔片作為靶進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，觀察到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相似。在1911年，盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的成果提出了原子核式結(jié)構(gòu)模型，這一模型也被稱為“行星模型”。他的理論認(rèn)為，原子的正電荷主要集中在原子中心的一小部分空間內(nèi)。由于這些集中的正電荷對α粒子產(chǎn)生的強(qiáng)大排斥力，α粒子可能會(huì)發(fā)生較大角度的偏轉(zhuǎn)(如圖12-7所示)。此外，他還精確地計(jì)算了偏轉(zhuǎn)角度與入射α粒子數(shù)量以及α粒子能量之間的關(guān)系。1913年，他的學(xué)生蓋革和馬斯登用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這個(gè)關(guān)系。圖12-6圖12-7圖12-6圖12-7從此，盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型很快被人們所承認(rèn)。從湯姆孫模型發(fā)展到盧瑟福模型，標(biāo)志著人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識邁出了一大步。根據(jù)盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)模型可知，原子中絕大部分是空的，原子核顯得非常小，其半徑只有原子半徑（原子半徑數(shù)量級為10-10m）的十萬分之一。圖12-8鈹原子的核式結(jié)構(gòu)模型圖圖12-8鈹原子的核式結(jié)構(gòu)模型圖3．盧瑟福的原子核式結(jié)構(gòu)（1）在原子中心有一個(gè)很小的核，叫做原子核。（2）原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在原子核里。（3）帶負(fù)電的電子在核外不停地繞核運(yùn)動(dòng)（電子繞核運(yùn)動(dòng)所需的向心力就是原子核對它的電場力）拓展從核式結(jié)構(gòu)模型到量子力學(xué)盧瑟福的核式結(jié)構(gòu)模型是關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的一種模型，認(rèn)為原子的質(zhì)量幾乎全部集中在直徑很小的核心。但是根據(jù)經(jīng)典電磁理論，這樣的原子結(jié)構(gòu)是不穩(wěn)定的。為了解決這個(gè)矛盾，丹麥物理學(xué)家玻爾在盧瑟福核式結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合量子理論，建立了玻爾原子模型。這個(gè)原子模型在解釋氫原子光譜時(shí)取得了相當(dāng)?shù)某晒?，但是它有著一系列難以克服的困難，例如它不能解釋只比氫原子多一個(gè)核外電子的氦原子光譜等。這導(dǎo)致了描