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4. 揭开原子的秘密
人类一直有两个问题没有搞清，一是宇宙有多大，二是微观世界有多小。 今天我们就来探讨微观世界--原子 。
“原子”这个词来源于古希腊，意思就是“不可分”。英国自然科学家约翰·道尔顿1803年提出了第一个原子结构模型，认为原子是一个坚硬的、不能再分的、实心的球体。然而随着X 射线和放射性的发现，人们逐渐进入了对微观粒子世界的研究，而原子的秘密也即将被揭开。
电子的发现
科学家在研究稀气体放电时发现，当玻璃管内的气体足够稀薄时，阴极就发出一种射线，使对着阴极的玻璃管壁发出荧光。由于这种射线是从阴极发出的，因此被称为“阴极射线”。对这种射线本质的认识有两种观点：一种观点认为，它是一种电磁辐射；另一种观点认为，它是带电微粒。如何用实验判断哪一种观点正确呢？
英国物理学家J.J汤姆孙认为阴极射线是带电粒子流。为了证实这一点，汤姆孙设计了一个阴极射线管，在管子一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细缝，这样一来，通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束，一直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质，根据射线产生的荧光的位置，可以研究射线的径迹。然后汤姆孙又在阴极射线管上加上电场和磁场，通过研究阴极射线在电场和磁场中的偏转情况断定，它的本质是带负电的粒子流，并求出了这种粒子的比荷。他进一步发现，用不同材料的阴极做实验，所得比荷的数值都是相同的。这说明不同物质都能发射这种带电粒子，它是构成各种物质的共有成分。人们把组成阴极射线的粒子称为电子。后来人们精确测出了电子的电荷量与质量，发现电子的质量是质子质量的约1/2000。
汤姆孙的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂，但基本原理却是一样的。
通常情况下，物质是不带电的，因此，原子应该是电中性的。既然电子是带负电的，质量又很小，那么，原子中一定还有带正电的部分，它具有大部分的原子质量。这些物质在原子中又是如何分布的呢？
汤姆孙本人提出了一种模型。他认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中。这种模型被人形象地称为“西瓜模型”或“枣糕模型”。这个模型能够解释一些实验现象。但德国物理学家勒纳德做了一个实验，使电子束射到金属膜上，发现较高速度的电子很容易穿透原子。这说明原子不是一个实心球体，这个模型可能不正确。之后不久，α粒子散射实验完全否定了这个模型。
α粒子散射实验与核式结构模型
α粒子是从放射性物质（如铀和镭）中发射出来的快速运动的粒子，质量为氢原子质量的4倍、电子质量的7300倍。
（α粒子散射实验模拟）
1909年，英国物理学家卢瑟福指导他的助手盖革和马斯顿进行了著名的“α粒子散射实验”。他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子，并通过荧光屏记数来观测穿过金箔的α粒子被金原子散射的情况。实验表明，绝大多数α粒子笔直地穿过金箔，有少数α粒子发生了偏折，只有极少数α粒子发生了大角度的偏折，甚至被反弹回来。如果根据汤姆孙的模型来计算，根本不可能出现向后反弹的α粒子。于是卢瑟福提出了自己的原子结构模型：原子中带正电部分的体积很小，但几乎占有全部质量，被称为原子核；电子在原子核的外面运动。这一模型很好地解释了α粒子散射实验，被称为核式结构模型。
（核式结构模型）
卢瑟福根据“α粒子散射实验”发现了原子核，这件事具有重大科学意义。他因为开创了原子核物理学这一新领域，被人们尊称为原子核物理学之父。
卢瑟福还利用α粒子轰击氮原子核，从中发现了质子，并预言了中子的存在。1932年，卢瑟福的学生查德威克利用α粒子轰击铍后产生的射线轰击石蜡，计算出这种射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子，也就是中子，成为第一个实验验证中子的人。从此，人们对原子的认知逐步完善。
波尔的原子模型
α粒子散射实验让我们知道原子具有核式结构，但电子在原子核的周围怎样运动？这些需要根据其他事实才能认识。
在研究气体发光时的光谱时，科学家们发现气体中中性原子的发光光谱都是线状谱，说明原子只发出几种特定频率的光。但是根据经典电磁理论，用卢瑟福的原子模型去分析，却会得出大量原子发光的光谱中应该包含一切频率的连续光谱，与事实不符，说明卢瑟福的核式结构模型有待改进。
丹麦物理学家玻尔在普朗克关于黑体辐射的量子论和爱因斯坦关于光子的概念启发下，把微观世界中物理量取分立值的观念应用到原子中，在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题和氢原子光谱的实验规律。
电子云模型
随着量子力学的发展和完善，现在，人们逐渐认识到原子中电子的坐标并没有确定的值，只能说某时刻电子在某点附近单位体积内出现的概率是多少。当原子处于不同的状态时，电子在各处出现的概率是不一样的。如果用疏密不同的点子表示电子在各个位置出现的概率，画出图来就像云雾一样，人们形象地把它叫作“电子云”。这就是德国物理学家海森堡提出的著名的“不确定性原理”：对于具有波粒二象性的微观粒子，在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准。
随着质子和中子的发现，许多人认为光子、电子、质子和中子是组成物质的不可再分的最基本的粒子。然而，随着科学的进一步发展，科学家们逐渐发现了数以百计的不同种类的新粒子。同时，许多实验事实表明，质子和中子也是有内部结构的，并提出了夸克模型。目前为止，科学家们已经从实验中发现了所有6种夸克及其反夸克存在的证据。微观世界如同浩渺的宇宙，还在等待着我们继续不断地去 探索 。
5. 约瑟夫·汤姆生如何发现电子
汤姆生（１８５６～１９４０）汤姆生，英国物理学家，出生于英格兰曼彻斯特。
１８８０年他毕业于剑桥大学三一学院。１９１８年他任三一学院的院长，后辞去卡文迪许实验室教授职务，任名誉教授，继续在卡文迪许实验室工作，并指导青年研究生。
汤姆生在气体放电方面进行过不少研究。１８９７年，通过对阴极射线的研究，他测定了电子的荷质比（电荷ｅ／质量ｍ），从实验中发现了电子的存在，这是汤姆生在科学上的最大贡献。后来他又发现电子的许多性质，指出电子既像气体中的导电体，又像原子中的组分。１９１２年，他通过对某些元素的极隧射线研究，指出存在同位素。汤姆生由于在物理学方面有重大贡献，于１９０６年获诺贝尔物理学奖。人类对基本粒子的认识可以追溯到２４００多年前。从古希腊的“原子论”到近代道尔顿的“新原子论”，都认为原子是构成物质的最小单位，是永恒不变而且不可分割的。千百年来，人们对此深信不疑。
然而，１８７９年，英国物理学家约瑟夫·汤姆生却发现了比原子更小的单位——电子。这一石破天惊的发现，打开了人类通往原子科学的大门，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的阶段。
在汤姆生发现电子之前，物理学家们在研究真空放电现象时发现了阴极射线。当时，对于阴极射线的本质是“光波”还是“微粒”，科学界展开了激烈的争论。２０多年之后，汤姆生以其杰出的实验令人信服地表明阴极射线是带负电的微粒。因为它在真空管中产生了偏移，被负极板排斥，为正极板所吸引。
１８７９年，汤姆生在皇家学会讲演中，介绍了他的实验背景。
首先，汤姆生认为“在气体中的电荷载体一定比普通的原子或分子要小”，因为它们比起原子或分子来更容易且更多地穿过气体。
其次，汤姆生认为“放电管中不管用什么气体，而电荷载体却都是一样的”。这一点也为事实所证明，不论真空管里是什么气体，射线在标准磁场作用下产生的偏移是一样的。
根据这些假说，汤姆生大胆推测，阴极射线中的电荷载体是一种普通的物质成分，它比元素原子还要小。
同年，汤姆生创造性地设计了一个杰出的实验。这项实验包括一个阴极作为射线源，两个金属栓带缝隙，以便产生良好的射线来。然后，通过保险丝连接玻璃管和两个金属板以及电池，使两板之间形成电场，并在玻璃管的圆球形一端产生阴极射线冲击的闪光。
实验的核心是测出了阴极射线的电荷与质量的比值（后来被称为电子的“荷质比”）。他所得到的数值比法拉第所测的最轻原子的荷质比大２０００倍。这就一举结束了长达２０多年的对阴极射线本质的争论，并合理地做出假说：存在着比元素原子还要小的一种物质状态。
汤姆生将这种带负电的阴极射线粒子称为“原始原子”，它的质量仅为氢离子质量的千分之一。
后来的物理学成果证明，汤姆生关于“比原子小”的“原始原子”的假说是对的。另一位著名的物理学家卢瑟福对此做了更科学具体的阐述，他用“核化原子”来解释，正电荷集中在原子的中心，形成沉重的原子核，而电子则环绕着它沿轨道旋转。最后，根据斯托尼的建议，将汤姆生发现的“物质的原始电子”普遍称做“电子”。
电子的发现，打开了现代物理学研究领域的大门，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的阶段。这不仅是物理学发展史上的一项划时代的重大发现，而且还具有极其深远的哲学意义。
电子的发现，使汤姆生获得了１９０６年度诺贝尔物理学奖。
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