物质结构和原子模型

我们知道物体是有结构的。比方说，电脑由显示器、主机、键盘、鼠标等组成；自行车由车轮、坐垫、支架等组成。那么物质有没有结构呢?我们下面就讨论这个问题。

从外表看，各种形态的物质几乎都是连续的。人们凭肉眼无法看见它们内部的微小结构，这给人们探索物质结构带来了困难。不过。我们可以根据下列现象提出物质结构的猜想。

1　我们在强光的光路上可以看到许多尘埃颗粒(灰尘是由一些小颗粒组成的)；

2　滴滴雨水汇聚成河水(水是由小颗粒组成的)：

3　写粉笔字时粉笔灰洒落(粉笔是由小颗粒组成的)。

由此可以做出猜想：物质由小颗粒组成。

验证实验：

1　向一端封闭的玻璃管中注水至一半位置，然后注入酒精，并在液面最高处做一标记。封闭管口，将玻璃管反复翻转，使水和酒精充分混合，观察液面位置，混合后水与酒精的总体积小于混合前水与酒精体积之和。

2　将机油装入一个筒壁很厚、密封性很好的钢桶中，然后加上两万个标准大气压的高压。结果发现钢桶“出汗”了，也就是说有机油渗透出来了。

上述两实验不仅说明物质由小颗粒组成，还可以说明这些小颗粒之间存在间隙。

直接观察：我们可以使用原子力显微镜直接观察物质构成――原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。下方图1是并五苯分子结构示意图，图2是IBM公司的科学家利用原子力显微镜拍摄的并五苯分子照片。

那么在图1中组成并五苯分子的更小颗粒是什么呢?科学家们将这种微粒叫做原子(atom)。

其实早在公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特等人就认为：宇宙万物是由世界上最微小的、坚硬的、不可入、不可分的物质粒子构成的，他将这种粒叫做“原子”。他认为，原子在性质上相同，但在形状大小上却是多种多样的。

在19世纪初，英国科学家道尔顿提出近代原子学说，他认为原子是微小的、不可分割的实心球体(如图3)。

1897年，英国科学家汤姆生发现了电子，他认为原子是一个平均分配着正电荷的粒子，其中镶嵌着许多电子，中和了正电荷，

1906年英国科学家卢瑟福做了著名的α粒子散射实验(如图5)，即让一束平行的α粒子穿过极薄的金箔时，利用探测器在装置周围的圆形轨道上收集α粒子。他发现穿过金箔的α粒子，有一部分改变了原来的直线运动方向，而发生不同程度的偏转(说明受到斥力)。还有少数α粒子(大约一万个中有一个)，好像遇到某种坚实的不能穿透的东西而被折回。卢瑟福设想。能够使它改变方向的只能是α粒子遇到了原子中具有相当质量并带有正电荷的部分。而这个带正电荷的部分在原子中所占的体积应该很小。因此，卢瑟福提出：原子内部存在着一个质量大、体积小、带正电荷的部分――原子核，而带负电的电子围绕着带正电的原子核旋转(如图6)。

1913年。丹麦科学家玻尔提出了核外电子只能在一定轨道上运动的原子结构模型。即核外电子分层排布的原子结构模型(如图7)。这种模型指出由于核外电子能量不同，不同能量的电子只能在对应的轨道上运动。

20世纪20年代中期。奥地利物理学家薛定谔等人提出了以量子力学为基础的原子结构模型――电子云模型(如图8)。电子云这个名词是用来描述原子中电子在原子核各区域出现的概率的。为了直观。把电子的这种概率分布状况用图像表示时，以浓淡代表概率的大小，其结果如同电子在原子核周围形成了云雾，所以叫电子云。也就是说。原子中的受束缚的电子不是像行星绕太阳运转那样在确定的时刻处于确定的位置。

人类对原子结构认识的逐渐深入，都是建立在实验研究基础上的，实验是揭示原子结构的重要手段。原子结构模型的演变告诉我们，科学研究、科学发现是无止境的，每建立一种新的原子结构模型。人类对原子结构认识就深入一层。

汤姆生、卢瑟福、玻尔、薛定谔等几代物理学家都是诺贝尔奖获得者，他们勇于怀疑科学上的“定论”，不迷信权威，为科学的发展作出了重要贡献。自然科学就是在不断探索中逐步修正错误而前进的!

请同学们观察以下两幅图片(图9和图10)。

上面的两幅图是不是有点儿相似?其实，图中的两个方框相差了十万八千里。

图9中的方框边长是10光年(约1017米)!显示了浩瀚无边的宇宙场景。

图10中的方框边长是0.1埃(约10-11米)!显示了原子核的浓密电子云。这样来看每个原子都像是个小宇宙。

李振道在《展望21世纪科学发展前景》一文中说道：“在整整100年前，汤姆生发现了电子，从那以后影响了我们这个世纪的物理思想，即大的是由小的组成的，小的是由更小的组成的，找到了最基本的粒子就知道了最大的构造……我猜测。21世纪要把宏观与微观整体地联系起来，这不光会影响物理。也会影响到生命的发展。宏观与微观必须要结合起来，这个结合对应用科技可能会有极大的影响。”