高中化學/進一步瞭解原子

在上一課中，你瞭解了原子以及早期導致道爾頓原子理論發展的實驗。但道爾頓原子理論並不是故事的結束。你還記得本書早期介紹的科學方法嗎？使用科學方法的化學家會進行仔細的觀察和測量，然後利用這些測量結果提出理論。道爾頓正是這樣做的。道爾頓利用以下 *觀察結果*：

化學反應過程中質量既不會產生也不會消失。
元素在形成特定化合物時總是以相同的質量比例結合。
當元素形成不止一種化合物時，與相同質量的另一種元素結合的不同質量的一種元素之比為小整數比。

利用這些觀察結果（來自仔細的測量），道爾頓提出了他的原子理論——一個模型，該模型表明物質的潛在結構如何導致上述三個觀察結果。然而，科學方法並沒有在提出理論後就停止。相反，理論應該提出新的實驗，可以執行這些實驗來測試原始理論是否準確和完整。

道爾頓原子理論很好地經受住了科學家進行的許多不同化學實驗的檢驗。事實上，近 100 年來，道爾頓原子理論似乎就是全部真相。然而，在 1897 年，一位名叫 J.J. 湯姆遜的科學家進行了一些研究，這些研究表明原子理論並非全部真相。事實證明，道爾頓有很多地方是對的。他說物質是由原子組成的，這是對的；他說存在不同型別的原子，它們具有不同的質量和其他特性，這是對的；他說給定元素的原子是相同的，這是“幾乎”對的；他說在化學反應過程中，原子只是重新排列，這是對的；他說給定化合物中總是存在相同相對數目的原子，這是對的。但他 *錯了*，他說原子是不可分割或不可破壞的。事實證明，原子 *是可以分割的*。事實上，原子是由更小的 **亞原子粒子** 組成的。

課程目標

解釋導致湯姆遜發現電子的實驗。
描述湯姆遜的“棗糕”原子模型。
描述盧瑟福的金箔實驗，並解釋這個實驗如何證明“棗糕”原子模型是錯誤的。

湯姆遜發現電子是原子的一部分

在 19 世紀中葉，科學家開始意識到化學研究和電學研究實際上是相關的。首先，一位名叫邁克爾·法拉第的人展示瞭如何透過將電流透過不同化學物質的混合物來引起化學反應。此後不久，科學家發現，透過迫使電流透過充滿氣體的管子，電流會使氣體發光！然而，科學家並沒有理解化學物質和電之間的關係，直到一位名叫 J.J. 湯姆遜（圖 4.7）的英國物理學家開始用 *陰極射線管* 進行實驗。

下圖顯示了與 J.J. 湯姆遜使用的陰極射線管類似的陰極射線管的基本原理圖。陰極射線管是一個小玻璃管，在兩端有一個陰極（帶負電的金屬板）和一個陽極（帶正電的金屬板）。透過將陰極和陽極隔開一小段距離，陰極射線管可以產生所謂的“陰極射線”——從陰極流向陽極的電流。J.J. 湯姆遜想知道陰極射線是什麼，陰極射線來自哪裡，以及陰極射線是否具有質量或電荷。J.J. 湯姆遜用來回答這些問題的方法非常巧妙，併為他贏得了諾貝爾物理學獎。首先，透過在陽極上切一個洞，J.J. 湯姆遜發現他可以使一些陰極射線穿過陽極的洞，進入玻璃陰極射線管的另一端。接下來，J.J. 湯姆遜發現，如果他將一種被稱為“磷光體”的物質塗在陰極射線管的遠端，他就可以看到陰極射線撞擊的確切位置，因為陰極射線使磷光體發光。

J.J. 湯姆遜一定懷疑陰極射線帶電，因為他的下一步是在陰極射線管的一側放置一塊帶正電的金屬板，在陰極射線管的另一側放置一塊帶負電的金屬板，如下圖所示。金屬板實際上沒有接觸陰極射線管，但它們足夠靠近，發生了一件非凡的事情！穿過陽極孔的陰極射線流向上彎曲，朝向帶正電的金屬板，遠離帶負電的金屬板。

換句話說，磷光體不再直接在陽極孔的對面發光（如第一張圖），而是現在在管子中高出很多的地方發光（如第二張圖）。

J.J. 湯姆遜對自己的結果思考了很長時間。這幾乎就像陰極射線 *被吸引* 到陰極射線管上方的帶正電的金屬板，*被排斥* 到陰極射線管下方的帶負電的金屬板。J.J. 湯姆遜知道，帶電物體根據以下規則 *被吸引* 和 *被排斥* 到其他帶電物體：*異性相吸，同性相斥*。這意味著正電荷被吸引到負電荷，但被排斥到另一個正電荷。同樣，負電荷被吸引到正電荷，但被排斥到另一個負電荷。利用“異性相吸，同性相斥”規則，J.J. 湯姆遜認為，如果陰極射線 *被吸引* 到帶正電的金屬板，*被排斥* 到帶負電的金屬板，那麼它們本身就必須帶負電！

J.J. 湯姆遜隨後用磁鐵進行了一些相當複雜的實驗，並利用他的結果證明了陰極射線不僅帶負電，而且還有質量。請記住，任何具有質量的東西都是我們稱為物質的一部分。換句話說，這些陰極射線一定是來自陰極流向陽極的帶負電的“物質”的結果。但有一個問題。根據 J.J. 湯姆遜的測量結果，這些陰極射線要麼具有極高的電荷，要麼具有非常非常小的質量——遠小於已知最小的原子。這怎麼可能？如果原子是不可分割的，那麼構成陰極射線的物質怎麼會比原子 *更小* 呢？J.J. 湯姆遜提出了一個激進的建議：也許原子 *是可以分割的*。J.J. 湯姆遜認為，構成陰極射線的小而帶負電的粒子實際上是原子的碎片。他稱這些碎片為“微粒”，雖然今天我們知道它們被稱為“電子”。由於他的巧妙實驗和仔細的推理，J.J. 湯姆遜被認為發現了電子。

質子被認為存在，但後來才被發現

在上一節中，我們瞭解到原子實際上是可以分割的，構成原子的 **亞原子粒子** 之一是稱為“電子”的小而帶負電的實體。現在想象一下，如果原子完全由電子組成，會發生什麼。首先，電子非常非常小；事實上，電子的尺寸大約是已知最小的原子的 2000 分之一，因此每個原子都必須包含大量的電子。但還有另一個更大的問題：電子是 *帶負電的*。因此，如果原子完全由電子組成，那麼原子本身將帶負電……這意味著所有物質也將帶負電。

當然，物質並不帶負電。事實上，大多數物質是我們所說的 *中性*——它根本不帶電。如果物質由原子組成，原子由 *負* 電子組成，物質如何才能 *中性* 呢？唯一可能的解釋是原子不僅包含電子。原子還必須包含某種 *帶正電的* 物質，以平衡電子上的負電荷。大小相等的負電荷和正電荷會相互抵消，就像大小相等的負數和正數一樣。如果你將 +1 和 −1 相加，你會得到什麼？你會得到 0，或者什麼都沒有。這對於數字來說是正確的，對於電荷來說也是正確的。如果一個原子包含一個帶 -1 電荷的電子，但也包含某種帶 +1 電荷的物質，那麼總的來說原子必須帶 (+1) + (−1) = 0 電荷——換句話說，原子必須是中性的，或者 *不帶電*。

基於原子是中性的這一事實，以及 J.J. 湯姆遜發現原子包含稱為“電子”的帶負電的亞原子粒子這一事實，科學家假設原子還必須包含一種帶正電的物質。事實證明，這種帶正電的物質是另一種 **亞原子粒子**，稱為“質子”。雖然科學家知道原子必須包含帶正電的物質，但質子直到很久以後才被發現或理解。

湯姆遜的原子模型

當湯姆遜發現負電子時，他意識到原子中也必須包含正物質——否則原子總體上不會呈中性。因此，湯姆遜提出了原子結構的“葡萄乾布丁”模型。根據“葡萄乾布丁”模型，負電子就像水果，而正物質就像麵糊或布丁。考慮到湯姆遜的實驗和觀察，這個模型很有道理。湯姆遜能夠利用陰極射線管分離出電子；然而，他從未成功分離出正粒子。因此，湯姆遜推測原子中的正物質必須形成類似於葡萄乾布丁中的“麵糊”，而負電子必須分散在這個“麵糊”中。(如果你從未見過或品嚐過葡萄乾布丁，你可以把它想象成巧克力曲奇餅乾。在這種情況下，原子中的正物質就是巧克力曲奇餅乾中的“麵糊”，而負電子像巧克力豆一樣散佈在麵糊中。)

圖 4.8 顯示了“葡萄乾布丁”和原子的“葡萄乾布丁”模型。請注意，從葡萄乾布丁中挑出水果是多麼容易。另一方面，從葡萄乾布丁中挑出麵糊就困難得多，因為麵糊無處不在。如果一個原子類似於一個葡萄乾布丁，電子散佈在正物質的“麵糊”中，那麼你就會期望很容易挑出電子，但很難挑出正物質。

湯姆遜的所有實驗都表明“葡萄乾布丁”模型是正確的——但根據科學方法，任何新的理論或模型都應該透過進一步的實驗和觀察進行檢驗。就“葡萄乾布丁”模型而言，需要一位名叫歐內斯特·盧瑟福的人來證明它錯了。盧瑟福和他的實驗將是下一節的主題。

盧瑟福的原子模型

推翻湯姆遜的“葡萄乾布丁”模型始於發現一種叫做鈾的元素在發生放射性衰變時會發射帶正電的粒子，稱為α粒子。放射性衰變是指一種元素分解成另一種元素的過程。它只發生在一些非常不穩定的元素中。這涉及一些比較難理解的概念，所以現在，只要接受這樣一個事實，即鈾會衰變並在過程中發射α粒子就可以了。α粒子本身並沒有證明任何關於原子結構的資訊。事實上，一位名叫歐內斯特·盧瑟福（參見右圖）的人證明了α粒子不過是失去電子的氦原子。想想為什麼失去電子的原子會帶正電。然而，α粒子可以用來進行一些非常有趣的實驗。

歐內斯特·盧瑟福對α粒子的所有方面都很感興趣。不過，在很大程度上，他似乎將α粒子視為微小的子彈，可以用它們來射擊各種不同的材料。然而，有一個實驗特別讓盧瑟福，以及所有其他人感到驚訝。盧瑟福發現，當他用α粒子轟擊一片非常薄的金箔時，發生了一件有趣的事情。幾乎所有的α粒子都直接穿過了金箔，好像什麼也沒碰到一樣。不過，偶爾，也會有α粒子被稍微偏轉，好像它從某個堅硬的東西上彈開了一樣。更不常見的是，盧瑟福觀察到α粒子直接彈回發射它們的“槍”！就好像這些α粒子正面撞上了“牆壁”，然後彈回到它們來的方向一樣。

盧瑟福認為，這些實驗結果相當奇怪。盧瑟福將用α粒子轟擊金箔描述為用高功率步槍射擊薄紙。你會期望子彈擊中薄紙並反彈回來嗎？當然不會！子彈會穿透薄紙並繼續前進，幾乎就像什麼也沒碰到一樣。這就是盧瑟福預期用α粒子轟擊金箔時會發生的事情。因此，大多數α粒子穿過的現象並沒有讓他感到震驚。另一方面，他如何解釋被偏轉的α粒子呢？更糟糕的是，他如何解釋像撞上牆壁一樣彈回來的α粒子呢？

盧瑟福認為，解釋他的結果的唯一方法是假設形成金原子的正物質實際上不是像葡萄乾布丁中的麵糊一樣分佈，而是集中在一個地方，在金原子的中心某個地方形成一個帶正電的小粒子。我們現在稱這團帶正電的物質為原子核。根據盧瑟福的說法，原子核的存在解釋了他的實驗，因為它意味著大多數α粒子穿過金箔而沒有撞到任何東西。不過，偶爾，α粒子會真正撞擊金原子核，導致α粒子被偏轉，甚至彈回到它們來的方向。

盧瑟福認為電子“繞軌道執行”

雖然盧瑟福發現帶正電的原子核為理解原子結構提供了見解，但它也引發了一些問題。根據“葡萄乾布丁”模型，電子就像嵌入原子正“麵糊”中的葡萄乾。然而，盧瑟福的模型表明，正電荷不是像麵糊一樣分佈，而是集中在原子中心的微小粒子中，而原子的其餘部分大部分是空的空間。這對電子意味著什麼？如果它們沒有嵌入在正物質中，它們到底在做什麼呢？它們是如何被束縛在原子中的呢？盧瑟福認為，電子可能像某種帶負電的雲一樣圍繞帶正電的原子核做圓周運動或“繞軌道執行”，但當時沒有太多證據表明電子是如何被束縛在原子中的。

儘管與盧瑟福的實驗有關的問題和疑問，他用α粒子進行的實驗似乎確實表明存在原子“核”。在發現電子的 J. J. 湯姆遜和提出原子中的正電荷集中在原子中心的盧瑟福之間，19 世紀 90 年代和 20 世紀初，人們在“亞原子”（或小於原子大小）層面上對原子有了巨大的理解。儘管關於亞原子粒子在原子中是如何排列的仍然存在一些不確定性，但越來越明顯的是，原子確實是可以分割的。此外，很明顯的是，原子可以被分解成帶負電的電子和包含正電荷的原子核。在下一課中，我們將更仔細地研究原子核的結構，我們將瞭解到，雖然原子是由正負粒子組成的，但它也包含中性粒子，這些粒子既不能被湯姆遜，也不能被盧瑟福用他們的實驗探測到。

課程總結

道爾頓的原子理論並不完全正確。事實證明，原子可以被分解成更小的亞原子粒子。
陰極射線管是一個帶有陰極和陽極的小玻璃管，位於一端。陰極射線從陰極流向陽極。
當陰極射線擊中一種叫做“磷光體”的材料時，會使磷光體發光。J. J. 湯姆遜利用這種現象揭示了陰極射線在陰極射線管中的路徑。
J. J. 湯姆遜發現，陰極射線的路徑可以彎曲，朝向帶正電的金屬板，遠離帶負電的金屬板。因此，他推斷陰極射線中的粒子帶負電。
用磁鐵進行的進一步實驗證明，陰極射線中的粒子也有質量。然而，湯姆遜的測量表明，這些粒子比原子小得多。
J. J. 湯姆遜認為，這些帶負電的小粒子實際上是亞原子粒子。我們現在稱它們為“電子”。
由於原子是中性的，包含帶負電的電子的原子也必須包含帶正電的物質。
根據湯姆遜的“葡萄乾布丁”模型，原子中帶負電的電子就像葡萄乾布丁中的水果，而帶正電的物質就像麵糊。
當歐內斯特·盧瑟福用α粒子轟擊一片薄金箔時，大多數α粒子直接穿透了金箔；然而，有一些粒子以不同的角度散射，甚至有一些粒子直接彈了回來。
為了解釋他金箔實驗的結果，盧瑟福認為，金原子中的正物質集中在金原子的中心，我們現在稱之為原子核。
盧瑟福的原子模型沒有解釋電子在原子中的位置。

複習問題

判斷以下每個說法是正確還是錯誤。
(a) 陰極射線帶正電。

(b) 陰極射線是光線，因此它們沒有質量。

(c) 陰極射線會被帶負電的金屬板排斥。

(d) J.J. 湯姆森因發現電子而聞名。

(e) 磷光體是一種在被陰極射線撞擊時會發光的材料。
將每個觀察結果與正確的結論相匹配。
(a) 陰極射線被吸引到帶正電的金屬板。 - i. 陰極射線帶正電。 - ii. 陰極射線帶負電。 - iii. 陰極射線不帶電。

(b) 電子帶負電。 - i. 原子必須帶負電。 - ii. 原子必須帶正電。 - iii. 原子還必須包含帶正電的亞原子物質。

(c) 射向薄金箔的α粒子偶爾會以它們射來的方向散射回來 - i. 原子中的正電物質像布丁中的“麵糊”一樣散佈在整個原子中 - ii. 原子包含中子 - iii. 原子中的正電荷集中在原子中心的某個小區域。
α粒子是
(a) 具有額外電子的氦原子。

(b) 具有額外電子的氫原子。

(c) 沒有電子的氫原子。

(d) 電子。

(e) 失去了電子的氦原子。

(f) 中性的氦原子。
原子中心的小團帶正電物質叫什麼名字？
選擇正確的陳述。
(a) 盧瑟福透過對鋁箔進行實驗發現了原子核。

(b) 盧瑟福使用陰極射線管發現了原子核。

(c) 當α粒子射向薄金箔時，它們永遠不會穿透。

(d) 盧瑟福證明了“葡萄乾布丁模型”是錯誤的。

(e) 盧瑟福透過向金箔發射陰極射線進行實驗。
回答以下問題
(a) 電荷 +2 和 -2 會互相抵消嗎？

(b) 電荷 +2 和 -1 會互相抵消嗎？

(c) 電荷 +1 和 +1 會互相抵消嗎？

(d) 電荷 -1 和 +3 會互相抵消嗎？

(e) 電荷 +9 和 -9 會互相抵消嗎？
電子會被_____帶負電的金屬板_____，會被_____帶正電的金屬板_____？
J.J. 湯姆森稱電子為______？
“鈉陽離子”是一個失去了一個電子的鈉原子。鈉陽離子的電荷是正電、負電還是中性？鈉陽離子會被吸引到帶負電的金屬板還是帶正電的金屬板？電子會被吸引到鈉陽離子還是被排斥？
假設你有一個塗有磷光體的陰極射線管，這樣你就可以透過尋找發光點來觀察陰極射線擊中管子的位置。如果
(a) 在陰極射線管上方放置一塊帶負電的金屬板

(b) 在陰極射線管的右側放置一塊帶負電的金屬板

(c) 在陰極射線管的右側放置一塊帶正電的金屬板

(d) 在陰極射線管上方放置一塊帶負電的金屬板，並在陰極射線管的左側放置一塊帶正電的金屬板

(e) 在陰極射線管下方放置一塊帶正電的金屬板，並在陰極射線管的左側也放置一塊帶正電的金屬板。

詞彙

α粒子: 失去了電子的氦原子。它們是由鈾在衰變過程中產生的。
陽極: 一塊帶正電的金屬板。
陰極: 一塊帶負電的金屬板。
陰極射線: 從陰極流向陽極的電流。J.J. 湯姆森證明了這些射線實際上是帶負電的亞原子粒子（或電子）。
陰極射線管: 一個玻璃管，一端有一個陰極和一個陽極，它們之間有一定的距離。陰極射線管產生陰極射線。
原子核: 原子的中心小核心，原子的大部分質量（以及原子所有正電荷）都位於這裡。
磷光體: 一種化學物質，當被陰極射線擊中時會發光。
葡萄乾布丁模型: 一種原子模型，它認為帶負電的電子就像散佈在帶正電物質（構成麵糊）中的葡萄乾。
亞原子粒子: 小於原子的粒子。三種主要的亞原子粒子是電子、質子和中子。

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