第四篇微观与宇观世界

第四篇微观与宇观世界通常情况下，线度大于10^-的物质被称作宏观物质。在宏观世界中，物理现象可以通过经典物理学来解释。而线度小于10^-的粒子，如分子、原子和原子核等，则被称为微观粒子。另一方面，线度大于星系的物质可以被称为超宏观或宇观物质。尽管微观和宇观世界与我们所生活的宏观世界一样丰富多彩，但它们之间的规律性却存在着很大的差异。20世纪物理学在这两个领域的突破性进展极大地拓宽了人们的视野，提升了人类对自然的认识和利用能力。本篇中你将初步了解微观和宇观世界中客观物质的某些特性，了解人类对它们的探索历程。第十二章物质的微观结构导学在本章中，你将学到：原子的结构式怎样的？如何探测物质的放射性？原子核由什么组成？怎样获得核能？怎样和平利用核能？天然放射性现象的发现，开创了人类探索微观世界的新时代。利用放射性，可以确定生物体遗骸的年代，这种方法称为放射性鉴年法。图12-1所示的这块琥珀中的小昆虫，用放射性鉴年法测出它大约生存在5000年前。图12-1为了深入研究物质的微观构造，科学家们设法“撞开”了原子核，经过长期的努力，不仅揭示出原子核内部的奥秘，还发现了新的能量形式——核能。图12-1核能是一种存在于原子核内部的能量。核电站是利用核能转换为电能的发电厂。我国自主设计和建造的第一座核电站——秦山核电站(如图12-2所示),总装机容量高达2.9×10^6kW。秦山核电基地的建设，结束了我国有核无电的历史，并成为我国和平利用核能的典范。图12-2图12-2第十二章A原子的核式结构人类生活在丰富多彩的物质世界中，享受着大自然的“恩宠”。同时，人们也在不断地探索：物质究竟是由什么组成的？它的微观结构又是怎样的？在很早以前，人们就开始形成物质是由分子构成的观念：分子是由原子组成的。希腊文中，“原子”一词意味着“不可分割”。然而，无论是在古代还是现代，都有人持有相反的观点，他们认为物质是无限可分的。1897年，英国物理学家汤姆孙(J.J.Thomson)发现了电子，进一步证实了原子并非构成物质的最小单位，它具有内部结构大家谈将如图12-3所示的阴极射线管接通高压直流电源，可以看到管内阴极发射出一束射线，使涂有荧光物质的白色底板上出现一条亮迹。那么，阴极发射出的究竟是什么射线呢？图12-3图12-3科学家通过对这个实验现象的研究，拉开了探索物质微观结构的序幕。阴极发射的是什么射线？在图12-3所示的实验中，我们看到了在白色底板上的亮迹，这表明阴极发出了射线，并且射线是沿直线传播的。人们把这种从封装在真空玻璃管中的阴极发出的射线称为阴极射线，能产生阴极射线的管子称为阴极射线管。那么，阴极射线的本质是什么呢？

英国科学家汤姆孙(J.Thomson)于1897年设计了一个巧妙的实验，通过使阴极射线粒子受到的静电力和洛伦兹力平衡等方法，确定了阴极射线粒子的本质是带负电的粒子流，并确定了其速度，测量出了这些粒子的比荷。1897年，汤姆孙通过一系列关于阴极射线的实验，得出了如下的结论：阴极射线是由质量小于一个氢原子质量的千分之一、带负电的粒子组成的。他把这种粒子定名为“电子”。电子是原子的组成部分。1．电子（electron）的发现电子的发现证实了原子是可分的。电子是原子的组成部分。电子是质量m＝9.1×10-31kg、电荷量大小e＝1.6×10-19C、带负电的粒子。汤姆孙的发现打破了传统的“原子不可分割”的旧观念，并使人类认识了第—个比原子小的微观粒子——电子。从此，人类对原子内部结构的探索开始了新的历程。汤姆孙为此荣获了1906年诺贝尔物理学奖。原子的内部结构是怎样的？10-1010-10m图12-4当然，肉眼无法直接观察到原子的内部结构。在20世纪初，即使使用当时最先进的显微镜，这一目标仍难以实现。然而，人类对自然的理解和探索手段并不仅限于“观察”。根据已知的实验事实，人们可以提出假设和物理模型，以模拟所研究的对象。在20世纪初，科学家们为原子结构提出了多种理论模型。例如，1904年汤姆孙首次提出了“葡萄干蛋糕模型”(如图12-4所示),该模型主张：原子的正电荷和质量均匀分布在原子内部，带负电的电子则嵌入到原子内部。如果将原子视为一个蛋糕，那么电子就像是分散在蛋糕中的葡萄干。为了验证汤姆孙提出的原子结构模型，1909年，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford,1871—1937)及其团队采用高速飞行的α粒子对金箔进行轰击。通过观察α粒子飞行路径的变化，他们试图了解目标原子(金原子)的结构特点。图12-5展示了实验设备的示意图。图12-5图12-52．原子（atom）核式结构模型的提出卢瑟福通过α粒子散射实验，否定了汤姆孙的无核原子结构模型，提出了原子核式结构模型。实验的结果是：（1）绝大多数α粒子穿过金箔后，与原来的运动方向偏离不多（平均2°～3°）。（2）少数α粒子产生较大角度的偏转。（3）极少数α粒子产生超过90°的大角度偏转，个别α粒子甚至被弹回。α粒子带正电，其偏转是由于受到原子内正电荷的排斥作用而产生的。根据汤姆孙的“葡萄干蛋糕模型”，正电荷均匀分布在原子内部，因此导致α粒子偏转的角度不可能达到很大，甚至小于90°(图12-6)。此外，α粒子的质量约为电子质量的7300倍，如果与原子中的电子发生碰撞，就像子弹击中灰尘一样，不会产生明显的偏转。因此，卢瑟福的α粒子散射实验使汤姆孙的理论陷入了困境卢瑟福在相同条件下，用不同金属的箔片作为靶进行多次实验，观察到的实验结果基本相似。在1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验的成果提出了原子核式结构模型，这一模型也被称为“行星模型”。他的理论认为，原子的正电荷主要集中在原子中心的一小部分空间内。由于这些集中的正电荷对α粒子产生的强大排斥力，α粒子可能会发生较大角度的偏转(如图12-7所示)。此外，他还精确地计算了偏转角度与入射α粒子数量以及α粒子能量之间的关系。1913年，他的学生盖革和马斯登用实验证实了这个关系。图12-6图12-7图12-6图12-7从此，卢瑟福的原子核式结构模型很快被人们所承认。从汤姆孙模型发展到卢瑟福模型，标志着人类对原子结构的认识迈出了一大步。根据卢瑟福的原子核式结构模型可知，原子中绝大部分是空的，原子核显得非常小，其半径只有原子半径（原子半径数量级为10-10m）的十万分之一。图12-8铍原子的核式结构模型图图12-8铍原子的核式结构模型图3．卢瑟福的原子核式结构（1）在原子中心有一个很小的核，叫做原子核。（2）原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里。（3）带负电的电子在核外不停地绕核运动（电子绕核运动所需的向心力就是原子核对它的电场力）拓展从核式结构模型到量子力学卢瑟福的核式结构模型是关于原子结构的一种模型，认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心。但是根据经典电磁理论，这样的原子结构是不稳定的。为了解决这个矛盾，丹麦物理学家玻尔在卢瑟福核式结构模型的基础上，结合量子理论，建立了玻尔原子模型。这个原子模型在解释氢原子光谱时取得了相当的成功，但是它有着一系列难以克服的困难，例如它不能解释只比氢原子多一个核外电子的氦原子光谱等。这导致了描