Lesson 01

Discovering Structure of Atoms

探索原子内部结构

原子太小,无法直接像看球一样观察。研究者通过带电束的偏转与散射,逐步推断内部结构;这是一条从可测运动到不可见模型的故事。

1. Discovery of the electron

阴极射线会被电场和磁场偏转,行为与带负电的粒子束相符;改变阴极材料后仍表现出相同特征,说明这种粒子是不同物质共有的组成。

Thomson 用偏转测得电荷质量比。交叉电场、磁场使束不偏转时 \(v=E/B\);再让磁场单独使束转弯,\(r=mv/(|q|B)\),于是

\[\frac{|q|}{m}=\frac{E}{B^2r}.\]

这个测量给出比值,不是同时独立测出了电荷和质量。后来结合电荷量测量,才能得到电子质量。电子的发现说明原子有内部组成,下一实验把其中的正电荷和大部分质量定位到很小的区域。

2. Rutherford experiment

Rutherford 的金箔散射实验让带正电的 \(\alpha\) 粒子射向薄金箔。多数几乎不偏转,少数大角度偏转,极少数甚至反向;分散在整个原子内的正电荷很难解释这些大角度事件。

Nuclear model 核式模型因此把正电荷与大部分质量集中在很小的原子核中,电子分布在外部。多数粒子没有近距离接近原子核,大角度偏转主要来自少数近距离相遇。

这个实验支持原子核的存在,不意味着已经知道电子在原子中的精确运动。经典带电粒子绕核运动模型还面临稳定性和光谱问题,下一课先从光如何向电子传能寻找新的线索。

多数粒子接近直行,少数近核粒子大角度偏转
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