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2.2: 亚原子粒子
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2.2: 亚原子粒子

道尔顿对构成物质的粒子仅部分地正确。所有物质都是由原子组成的,原子是由三个较小的亚原子粒子组成的:质子,中子和电子。这三个粒子决定了原子的质量和电荷。

电子的发现

关于亚原子结构的第一个线索是在19世纪末约瑟夫·约翰·汤姆森(J. J. Thomson)用阴极射线管发现了电子。该设备由一个密封的玻璃管组成,该玻璃管几乎除去了所有空气,并装有两个金属电极。当在电极之间施加高压时,在它们之间会出现称为阴极射线的可见光束。该束偏向正电荷而远离负电荷,并且当电极使用不同的金属时,以相同的方式产生具有相同特性的束。在类似的实验中,射线同时被施加的磁场偏转。偏转程度和磁场强度的测量使汤姆森能够计算出阴极射线粒子的荷质比。这些测量的结果表明,这些粒子比原子轻得多。根据他的观察,汤姆森提出了以下建议:

  • 粒子被正(+)电荷吸引,并被负(&min;)电荷排斥,因此它们必须带负电荷(同性电荷相斥,异性电荷相吸);
  • 粒子的质量小于原子,并且无论来源如何都无法区分,因此它们必须是所有原子的基本亚原子成分。 汤姆森的阴极射线粒子是质量为1000倍以上的电子,一种带负电荷的亚原子粒子。小于一个原子。术语“电子”是由爱尔兰物理学家乔治·斯通尼(George Stoney)于1891年从“电离子”中创造的。

    1909年,罗伯特·密立根(Robert A. Millikan)通过“油滴”计算电子的电荷。实验。密立根产生了微小的油滴,当油滴形成时可以通过摩擦或使用X射线对其进行充电。这些液滴最初是由于重力而掉落的,但是由于设备中较低的电场,它们的向下移动可能会减慢甚至逆转。通过调节电场强度并进行仔细的测量和适当的计算,密立根能够确定单个液滴上的电荷为1.6倍; 10 − 19 C(库仑)。密立根得出结论,因此,该值必须是单个电子的基本电荷。由于密立根的研究现已知道电子的电荷-并且由于汤姆森的研究(1.759× 10 11 C / kg),荷质比已经众所周知。电子的质量确定为9.107×。 10 − 31 公斤。

    “

    卢瑟福的核模型

    科学家现在已经确定,原子并非像道尔顿所认为的那样不可分割,并且由于汤姆森,密立根等人的工作,负的亚原子粒子的电荷和质量得以实现。电子—是众所周知的。科学家们知道一个原子的总电荷是中性的。然而,原子的带正电的部分尚未被很好地理解。 1904年,汤姆森提出了“李子布丁”原子模型,它描述了一个带正电的质量,其中嵌入了电子形式的等价的负电荷,因为所有原子都是电中性的。长冈恒太郎在1903年提出了一种竞争模型,他推测了一个类似土星的原子,该原子由带电子晕轮包围的带正电的球组成。

    理解原子的下一个重大进展来自欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)。他使用一束由镭的放射性衰变产生的高速,带正电的α粒子(即:alpha或阿尔法粒子)进行了一系列实验。他对准了&阿尔法;的光束。在非常薄的金箔片上形成颗粒,并检查了所得的α散射。粒子使用发光屏幕,当受到&阿尔法;撞击时会短暂发光。粒子。他观察到,大多数颗粒都直接通过了金属箔,而完全没有偏转。但是,其中一些被稍微改道,很少的部分几乎直接转向源头。

    由此,卢瑟福推论出以下内容:因为大多数快速移动的&阿尔法;粒子不偏转地穿过金原子,它们一定已经穿过了原子内部基本上为空的空间。阿尔法粒子带正电,因此当它们遇到另一个正点时会发生偏转 活跃的电荷(同性电荷相互排斥)。由于同性电荷彼此排斥,因此少数带正电荷的&阿尔法;突然改变路径的粒子必须撞击或接近另一个也具有高度集中的正电荷的物体。由于偏转发生的时间很小,因此这种电荷只占据了金箔中的一小部分空间。

    卢瑟福分析了一系列实验,得出了两个重要结论:

    1. 原子占据的体积必须由大量的空白空间组成。
    2. 一个小的,相对重的,带正电的原子核必须位于每个原子的中心。

      这种分析促使卢瑟福提出了一个模型,其中原子由非常小的带正电的原子核组成,该原子的大部分质量都被集中,并被带负电的电子包围,因此该原子是电中性的。经过更多的实验后,卢瑟福还发现其他元素的原子核包含氢原子核作为“砌块”。他将这个更基本的粒子命名为质子,即原子核中带正电的亚原子粒子。

      原子的结构

      质子存在于原子核中,带有正电荷。质子的数量等于元素周期表上的原子序数,并确定元素的身份。在原子核中也发现了中子。它们没有电荷,但它们的质子与质子相同,因此有助于原子的原子质量。电子围绕云中的原子核运行。它们具有负电荷且质量可忽略不计,因此它们对原子的整体电荷有贡献,但对原子的质量没有贡献。

      中子

      已知原子核几乎包含一个原子的全部质量,质子的数量仅占该质量的一半或更少。提出了不同的建议来解释什么构成剩余质量,包括原子核中存在中性粒子。直到1932年,詹姆斯·查德威克(James Chadwick)才发现中子,不带电的亚原子粒子的证据,其质量与质子的质量大致相同。

      中子的存在也解释了同位素:它们在质量上有所不同是因为它们具有不同数量的中子,但是它们在化学上是相同的,因为它们具有相同的质子数量。

      原子质量单位(amu)和基本电荷单位(e)

      原子核包含原子质量的大部分,因为质子和中子比电子重得多,而电子几乎占据了原子的全部体积。原子的直径约为10 − 10 m,而原子核的直径大约为10 − 15 m — 大约小十万倍原子 — 以及组成它们的质子,中子和电子 — 很小。例如,碳原子的重量小于2乘以2。 10 − 23 g,并且电子的电荷小于2 × 10 − 19 C。在描述诸如原子之类的微小物体的属性时,使用适当的较小度量单位,例如原子质量单位(amu)和基本电荷单位(e) 。 amu是关于碳的最丰富的同位素定义的,碳的原子分配的质量恰好是12 amu。因此,1 amu正好是一个12碳原子质量的1/12:1 amu = 1.6605× 10 − 24 g。道尔顿(Da)和统一原子质量单位(u) 是与amu等效的替代单位。

      基本电荷单位(也称为基本电荷)等于e = 1.602×的电子电荷的大小; 10 − 19 。质子的质量为1.0073 amu,电荷为1+。中子是质量为1.0087 amu且电荷为零的稍重的粒子。顾名思义,它是中性的。电子的电荷为1负。并且是质量更轻的粒子,质量约为0.00055 amu。作为参考,大约需要1800个电子才能等于一个质子的质量。下表总结了这些基本粒子的特性。

      亚原子粒子 电荷(C) 单位电荷 质量(克) 原子质量(amu)
      电子 −1.602 × 10−19 1− 0.00091 × 10−24 0.00055
      质子 1.602 × 10−19 1+ 1.67262 × 10−24 1.00727
      中子 0 0 1.67493 × 10−24 1.00866


      本文改编自 Openstax,化学2e,第2.2节:原子理论的演变和第2.3节:原子结构和象征主义

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