初中化学 11 构成物质的基本单元——原子

 2000多年前，古希腊有个叫德谟克利特的哲学家，他想：如果把一块石头一直掰、一直掰，能掰到最小、再也掰不动的“小颗粒” 吗？他觉得一定有！他给这种“最小颗粒”起了个名字，叫“原子”，意思是“不可分割的东西”。不过，这只是他的猜想，因为那时候没有显微镜，谁也看不见 “原子” 长什么样。但与此同时，还有很多人持反对意见，领头的是大名鼎鼎的亚里士多德。他说：“荒谬！物质怎么可能有最小颗粒？你能看到原子吗？摸得着它吗？既然原子看不到、摸不到，就是胡说八道！” 他认为物质是可以无限分割的，就像“一条线能分成无数更短的直线”，根本不存在“不可分割的原子”。亚里士多德的 “无限分割派”因为名气大，把“原子派”的声音压了近 2000 年 —— 那时候，人们普遍相信亚里士多德，因为他是学术界的权威。

差不多同时期，中国古代也有类似的想法，比如战国时期的哲学家惠施提出的“一尺之棰，日取其半，万世不竭”，但更多人相信“五行说”—— 认为万物由金、木、水、火、土组成。

不管怎样，在几千年前，人类就开始对物质的内部世界感到好奇，并且试图想要破解构成物质内部结构的秘密了。

18 世纪，一个叫道尔顿的英国科学家，做实验时发现：氢气和氧气反应生成水时，它们的质量比永远是1:8，如果每一次反应的质量比都是固定的，并且生成物的质量也是固定的，这说明这说明构成氧气的那种物质也是固定不变的。如果构成氢气和氧气的“基本单元”质量不固定，那反应时质量比就不可能每次都一样。比如氧气的基本单元如果有时重16、有时重15，那和氢气反应的质量比就会变，不会永远是1:8。所以“质量比固定”，本质就是在说“构成物质的基本单元是是质量固定的”。

不只是氢气和氧气反应，其他化学反应里，反应物质的质量比也总是固定的，比如碳和氧气反应生成二氧化碳，质量比永远是 3:8:11。如果物质能无限分割，比例应该能随便变，但实验里比例“卡死”了，这只能说明元素是由“固定质量的最小颗粒”组成的，这些颗粒就是原子。

于是道尔顿认为：所有物质都是由原子组成的；不同物质是由不同原子构成的，不同的原子质量不同。

但是原子究竟“长什么样”？这依然是一个未解之谜。

一开始道尔顿猜测原子既然不能再分，那内部应该是实心的，像个坚硬的小球。这种“实心球模型”能解释化学反应中质量比固定的问题。

 19世纪科学家在真空管里发现，阴极会发出一种“粒子流射线”。1897年汤姆孙研究这种射线时，发现它能被电场和磁场偏转，进一步证明它是带负电的粒子流，于是人们给这种粒子起名叫“电子”。电子质量特别小，只有氢原子的1/1800，所以人们认为电子应该是原子的一部分。

接着，汤姆孙猜想：既然原子整体不带电，而原子内又有带负电的电子，那原子里一定有带正电的部分来平衡电荷，所以提出“枣糕模型”—— 电子像枣子嵌在均匀分布的正电荷的“糕体” 里。

这样既解释了电子的存在，也保证了原子整体不带电。顺便说一句，枣糕是这样的，味道也不错。

1896年法国的物理学家贝克勒尔发现一些物质会自然地释放一些带电物质，我们今天把这种物质叫做“放射性物质”。1899年卢瑟福通过实验发现铀放出的射线有两种，其中一种穿透能力弱、带正电，他命名为“α”射线，通过实验知道它质量大、带正电，而且速度极大，大约能达到每秒2万到3万公里。我们知道，质量大、速度大的物体具有的能量也就越大，于是卢瑟福生出一个大胆的猜想：用它来撞击原子，最好能把原子打碎，这样就能知道原子内部的结构了！

1909 年，卢瑟福做了个“金箔实验”：他用带正电的“α粒子炮弹”打向一张极薄的金箔。

结果大部分炮弹穿箔而过，少数却被弹了回来：

大多数α粒子穿过说明原子内部很“空”，少数发生大角度偏转，是受到了同种电荷的强烈排斥，说明内部有一种带正电的物质，还有极少数α粒子被反向弹回，说明原子中心有个质量很大的“原子核”。

这就推翻了之前道尔顿的“实心球模型”，因为如果原子是实心球，大部分α粒子都会被弹回。

于是卢瑟福提出了新的原子模型：原子里面大部分是空的，中心有个带正电的原子核，像太阳，周围有带负电的电子，像行星绕着太阳转，这就是他的“行星模型”。

后来，玻尔、薛定谔等科学家又进一步发现：电子不是“绕圈跑”，而是像“云”一样在原子核外“散步”，这就是现在我们说的“电子云模型”。

现在能通过扫描隧道显微镜直接看到原子：