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原子非常小, 其直徑大約有千萬分之一毫米。 雖然原子很小,但它卻是由位於原子中心的原子核和一些微小的電子組成的,這些電子繞著原子核的中心運動,就像太陽系的行星繞著太陽運行一樣。

簡介
1901年法國物理學家佩蘭(Jean Baptiste Perrin,1870-1942)提出的結構模型,認為原子的中心是一些帶正電的粒子,外圍是一些繞轉著的電子,電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率,最外層的電子拋出就發射陰極射線。
實心帶電球原子模型
英國著名物理學家、發明家開爾文(Lord Kelvin,1824~1907 )原名W.湯姆孫(William Thomson),由於裝設第一條大西洋海底電纜有功,英政府於1866年封他為爵士,並於1892年晉陞為開爾文勛爵,開始用開爾文這個名字。開爾文研究範圍廣泛,在熱學、電磁學、流體力學、
原子內部結構的示意圖

  原子內部結構的示意圖

光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他一生髮表論文多達600餘篇,取得70種發明專利,他在當時科學界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型,就是把原子看成是均勻帶正電的球體,裡面埋藏著帶負電的電子,正常狀態下處於靜電平衡。這個模型後由J.J.湯姆孫加以發展,後來通稱湯姆孫原子模型。
土星模型
日本物理學家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro,1865-1950)1903年12月5日在東京數學物理學會上口頭髮表,並於1904年分別在日、英、德的雜誌上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動》的論文。他批評了湯姆生的模型,認為正負電不能相互滲透,提出一種他稱之為「土星模型」的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環轉動的原子模型。一個大質量的帶正電的球,外圍有一圈等間隔分佈著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發射線光譜,垂直於環面的振動則發射帶光譜,環上的電子飛出是β射線,中心球的正電粒子飛出是α射線。  這個土星式模型對他後來建立原子有核模型很有影響。1905年他從α粒子的電荷質量比值的測量等實驗結果分析,α粒子就是氦離子。
原子結構
1908年,瑞士科學家裡茲(Leeds)提出磁原子模型。
他們的模型在一定程度上都能解釋當時的一些實驗事實,但不能解釋以後出現的很多新的實驗結果,所以都沒有得到進一步的發展。數年後,湯姆遜的「葡萄乾蛋糕模型」被自己的學生盧瑟福推翻了。
玻爾模型
盧瑟福的理論吸引了一位來自丹麥的年輕人,他的名字叫尼·玻爾(Niels Bohr,1885-1962),在盧瑟福模型的基礎上,他提出了電子在核外的量子化軌道,解決了原子結構的穩定性問題,描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。
玻爾出生在哥本哈根的一個教授家庭,1911年獲哥本哈根大學博士學位。1912年3-7月曾在盧瑟福的實驗室進修,在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量,來解決盧瑟福原子模型在穩定性方面的困難,假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量,即原子只能處在分立的定態之中,而且最低的定態就是原子的正常態。接著他在友人漢森的啟發下從光譜線的組合定律達到定態躍遷的概念,他在1913年7、9和11月發表了長篇論文《論原子構造和分子構造》的三個部分。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像:電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動,離核愈遠能量愈高;可能的軌道由電子的角動量必須是h/2π的整數倍決定;當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量,只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量,而且發射或吸收的輻射是單頻的,輻射的頻率和能量之間關係由E=hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。
玻爾的理論大大擴展了量子論的影響,加速了量子論的發展。1915年,德國物理學家索末菲(Arnold Sommerfeld,1868-1951)把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道,並考慮了電子的質量隨其速度而變化的狹義相對論效應,導出光譜的精細結構同實驗相符。
1916年,愛因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)從玻爾的原子理論出發用統計的方法分析了物質的吸收和發射輻射的過程,導出了普朗克輻射定律。愛因斯坦的這一工作綜合了量子論第一階段的成就,把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結合成一個整體。
查德威克模型
1935年,英國物理學家詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick 1891~1974)1891年生於英國。 曼徹斯大學畢業后,專攻放射性現象的研究。 後到劍橋大學,在盧瑟福教授的指導下,取得許多成績。 1935年因發現中子獲諾貝爾物理學獎。第二次世界大戰中,曾到美國從事核武器研究。 1974年逝世。
他發現,中子和質子質量相同,但是他不帶電。中子的存在解釋了為什麼原子的質量要比質子和電子的總質量大,他也因發現中子而獲1935年度諾貝爾獎。
原子是由帶正電荷的原子核和圍繞原子核運轉的帶負電荷的電子構成。原子的質量幾乎全部集中在原子核上。起初,人們認為原子核的質量(按照盧瑟福和玻爾的原子模型理論)應該等於它含有的帶正電荷的質子數。可是,一些科學家在研究中發現,原子核的正電荷數與它的質量居然不相等!也就是說,原子核除去含有帶正電荷的質子外,還應該含有其他的粒子。那麼,那種「其他的粒子」是什麼呢?
  解決這一物理難題、發現那種「其他的粒子」是「中子」的,就是著名的英國物理學家詹姆斯·查德威克。
  就在查德威克發現中子的5年前,科學家玻特和貝克用α粒子轟擊鈹時,發現有一種穿透力很強的射線,他們以為是γ射線,未加理會。韋伯斯特甚至對這種輻射做過仔細鑒定、看到了它的中性性質,但對這種現象難於解釋,因而未再繼續深入研究。居里夫人的女兒艾倫娜·居里和她的丈夫也曾在「鈹射線」的邊緣徘徊,最終還是與中子失之交臂。
  查德威克1891年出生在英國柴郡,曼徹斯特維多利亞大學畢業。中學時代並未顯現出過人天賦。他沉默寡言,成績平平,但堅持自己的信條:會做則必須做對,一絲不苟;不會做又沒弄懂,絕不下筆。因此他有時不能按期完成物理作業。而正是他這種不騖虛榮、實事求是、「駑馬十駕,功在不舍」的精神,使他在科學研究事業中受益一生。
  進入大學的查德威克,迅即由於基礎知識的紮實而在物理研究方面嶄露超群才華。他被著名科學家盧瑟福看中,畢業后留在曼徹斯特大學物理實驗室,在盧瑟福指導下從事放射性研究。兩年後,由於他的「α射線穿過金屬箔時發生偏離」的成功實驗,獲英國國家獎學金。
  正當他的科研事業初露曙光之際,第一次世界大戰把他投入了平民俘虜營,直到戰爭結束,他才獲得自由,重返科研崗位。1923年,他因原子核帶電量的測量和研究取得出色成果,被提升為劍橋大學卡文迪許實驗室副主任,與主任盧瑟福共同從事粒子研究。
  1931年,約里奧·居里夫婦——居里夫人的女兒和女婿公布了他們關於石蠟在「鈹射線」照射下產生大量質子的新發現。查德威克立刻意識到,這種射線很可能就是由中性粒子組成的,這種中性粒子就是解開原子核正電荷與它質量不相等之謎的鑰匙!
  查德威克立刻著手研究約里奧·居里夫婦做過的實驗,用雲室測定這種粒子的質量,結果發現,這種粒子的質量和質子一樣,而且不帶電荷。他稱這種粒子為「中子」。
  中子就這樣被他發現了。他解決了理論物理學家在原子研究中遇到的難題,完成了原子物理研究上的一項突破性進展。後來,義大利物理學家費米用中子作「炮彈」轟擊鈾原子核,發現了核裂變和裂變中的鏈式反應,開創了人類利用原子能的新時代。查德威克因發現中子的傑出貢獻,獲得1935年諾貝爾物理學獎。
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