【矩道物理VR教学软件】揭开原子的秘密

“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。

       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。

原子的“枣糕”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。

氢原子光谱图

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。

玻尔的原子结构模型

       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。

在矩道虚拟仿真平台中观察电子云模型

       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。