八年級科學/第一節：原子模型
- 解釋科學家是如何發現亞原子粒子的。
- 解釋現代原子模型是如何發展起來的。
- 描述核原子的結構。
- 詞彙：元素、電子、質子、中子和電子雲。
- 思考不同的原子模型，畫出它們並進行比較。
- 姓名：道爾頓，盧瑟福，查德威克，湯姆遜，玻爾
你喜歡謎題嗎？你好奇嗎？不要害羞！人類一直都很好奇。人們總是想知道一些不容易被發現的東西，或者看看那些看不見的東西。例如，人們在 2500 多年前就開始思考物質了。一些希臘哲學家認為物質是由微小的粒子組成的。他們推斷，你可以取一塊物質，把它切成兩半，再把一半切成兩半，然後繼續切下去。最終，你將無法再切了。你將只剩下一個粒子。他們將這些粒子命名為“atomos”，這個詞的意思是“不可分割”。另一種想象方法是想象一串珠子。如果你不斷地將珠子分成幾部分，最終你會得到一個單一的珠子。
希臘哲學家沒有像現在的科學家那樣試圖透過做實驗來證明他們的理論。他們的理論是推理、辯論和討論的結果，而不是證據或證明。如今，科學家不會接受沒有實驗證據支援的理論。但即使希臘哲學家做了實驗，他們也不能證明原子的存在。人們還沒有發現現在稱為化學的東西，即物質的研究。研究物質所需的裝置距離發明還有很長一段路要走。即使在 500 年前，原子仍然是一個謎。
最早發表的原子理論之一是由約翰·道爾頓提出的，他是一位 1766 年出生的英國化學家。他的理論有五個要點。1) 元素是由稱為“原子”的微小部分組成的。2) 給定元素的原子與任何其他元素的原子不同，並且可以透過它們的原子量來區分。3) 給定元素的所有原子都是相同的。(現在已知是錯誤的 - 請參閱同位素部分 [即將推出])。4) 一種元素的原子可以與另一種元素的原子結合形成化合物。給定的化合物將始終具有相同數量的不同原子。5) 原子不能在化學反應中被創造或分割，只能以不同的方式組合在一起。
關於克魯克斯實驗的訊息激起了當時科學界的興趣。但許多科學家並不相信陰極射線是粒子流。那綠色的輝光究竟是光還是帶電粒子的流呢？1897 年，英國物理學家 J.J. 湯姆遜試圖澄清這種混亂。他在克魯克斯實驗的管子旁邊放置了一個磁鐵。光無法被磁鐵彎曲，因此光束不可能是光。因此，湯姆遜得出結論，光束一定是由來自陰極的帶電物質粒子組成的。
然後，湯姆遜重複了 CRT 實驗，使用不同的金屬作為陰極，並在管中使用不同的氣體。他發現，無論使用什麼元素作為陰極或管中的氣體，都會產生相同的帶電粒子。湯姆遜得出結論，陰極射線是由帶負電的物質粒子組成的。湯姆遜是如何知道這些粒子帶負電的呢？他知道異性相吸。他觀察到這些粒子被帶正電的陽極吸引，所以他推斷這些粒子一定帶負電。
這些帶負電的粒子現在被稱為“電子”。湯姆遜還推斷，電子是所有原子的一部分，因為它們是由所有型別的陰極材料產生的。也許湯姆遜實驗中最大的驚喜是，實驗結果證明了比原子更小的粒子確實存在。
展示電子量子躍遷到基態 n=1
根據湯姆遜的實驗結果，科學家提出的部分問題得到了解答。然而，這些答案引發了新的問題。如果原子包含一個或多個帶負電的粒子，那麼所有由原子組成的物質也應該帶負電。但所有物質並不帶負電。如何解釋呢？可能原子也包含一些正電荷？然後，帶負電的電子和未知的正電荷將在原子中相互抵消。湯姆遜得出了這個結論，並在他的原子模型中加入了正電荷。
利用他的新發現，湯姆遜修改了道爾頓的原子模型。湯姆遜沒有將原子描述為一個內部均勻的實心球體，而是將其描繪成一個帶正電的球體。帶負電的電子均勻地分佈在正電荷中。這可以用一個粘土球來模擬。粘土的正電荷等於電子的負電荷。因此，原子是中性的。後來發現，並非所有原子都是中性的。元素中的電子數量可能會有所不同。如果正電荷多於負電子，那麼原子整體帶正電。如果負電子多於正電荷，那麼原子整體帶負電。Kent-Meridian 高中 - Austin Shelfoe
在科學界，模型只有在經過測試並且測試結果支援之前的觀察結果後才會被接受。1906 年，歐內斯特·盧瑟福和他的同事開始了一項實驗，以確定湯姆遜的原子模型是否正確。他們想看看當他們向一塊薄薄的金屬箔（例如金箔）發射快速移動的帶正電的物質，即α粒子時會發生什麼。α粒子來自不穩定的原子。α粒子帶正電，因此它們會被帶正電的物質粒子排斥。
α粒子源對準了一塊只有 400 奈米厚的薄金箔。金箔周圍環繞著一個熒光屏，每次被帶電粒子擊中時都會發出閃光。“我觀察到了α粒子的散射，......這就像你向一張薄紙發射了一枚 15 英寸的炮彈，結果炮彈直接彈回來擊中了你......就在那時，我想到了一種原子模型，它有一個微小的中心，帶有電荷。”來源：盧瑟福等人，Project Physics Unit 5 Text, 1971
大多數原子結構模型都很難理解，尤其是在入門級別。Kreswell 建議了一個更直觀的原子模型，使人們能夠更深入地理解自然界在最基本層面的運作方式。
參見：原子新模型