元素中的微粒

铁块是由许许多多微粒组成的。因为铁是一种元素，所以这些微粒就是原子。科学家们已经发现，铁原子（暂且假定这些原子是完全相同的）的直径大约为0.0000001毫米（1×10^-7毫米），质量大约为0.00000000000000000000009克（9×10^-23克）。真是太小了！

因为不同元素的原子不同，因而不同元素所具有的性质也就不同。表55.1列出了一些元素的原子质量和直径。

表  55.1

有少量元素是由分子而不是由独立的原子组成的。而元素的分子是由少量相同的原子牢固结合而形成的能独立存在的微粒。

由一个原子组成的元素称为单原子元素，由两个相同原子结合而成的分子组成的元素称为双原子元素（如图55.1所示）。还有一些元素，其分子是由两个以上相同原子结合而成的，如硫分子就是由八个硫原子结合而成的。

元素的分子有时可以分解成独立的原子，但由于原子之间的结合力很强，因而达到这一目的往往很困难。

化合物中的微粒

不同元素的原子常常可以结合成为分子。室温下的化合物（或为液体或为气体）是由分子组成的，图55.2即为其中一些例子。

二氧化碳是由分子组成的，其中每个分子都是由一个碳原子和两个氧原子结合而成的。水是液体，其分子是由两个氢原子和一个氧原子结合而成的。但从图55.2中可以看出，水分子不同于二氧化碳分子，因为水分子的原子不成直线排列。

并不是所有的化合物都是由分子组成的，如硫化铁就是其中之一例。它含有两种原子——铁原子和硫原子，但并不含有硫化铁分子。固体硫化铁是由铁原子和硫原子紧密排列而成的。图55.3表明，与每一个铁原子或每一个硫原子“接触”的硫原子数目或铁原子数目都大于1。

事实上，人们在科学研究过程中遇到的许多化合物都不是由分子组成的。§56将阐述构成所有电解质的特殊微粒的有关问题。

原子的内部结构

科学家们曾一度把原子看作微小而又坚硬的球体，不能再分为更小的部分。但是他们现在认识到，原子是由更小的微粒——逊原子微粒组成的。

有一种逊原子微粒，称为电子。电子存在的根据由美国物理学家J.J.汤姆森（J.J.Thomoson）于1897年首次获得。他当时所用的装置简图如图55.4所示。

在图55.4中，管内充有压力很低的气体，而阴极在电荷通过时得到加热。当在阴极和阳极之间施加高压时，管内就有电流流过，并在阳极外侧的屏幕上出现微弱的绿色光点。从近处看，可以发现这一绿色光点是由数千条光线组成的。

汤姆森断定这些光线是由带负电荷的微粒从加热的阴极发出的，同时被吸向阳极。其中一些微粒通过阳极上的孔后继续前进，直至击中屏幕。

无论阴极采用什么金属，也无论管内充入什么气体，都会产生同一种微粒。这种微粒即为电子。表55.2列出了电子的质量和电量。很明显，电子的质量比任何原子的质量都要小得多。

原子是电学上的中性，也就是说，它们既不带净的负电荷也不带净的正电荷。如果原子含有电子，也就一定含有足够的带有正电荷的微粒，以中和电子所带的负电荷。这些带有正电荷的微粒称为质子。表55.2表明，质子的质量和氢原子的质量是相同的，其电量和电子的电量大小相等。

表55.2

因为电子所带的负电量和质子所带的正电量相等，所以任何中性原子所含的电子数和质子数一定相等。元素的原子所含有的质子数称为元素的原子序数。我们可以很容易地知道任何元素的原子序数，因为它和元素在元素周期表中的位置序号是相同的。

实验进一步表明，原子中还存在另外一种逊原子微粒，即中子。其质量和质子的质量相等，但不带电荷。除氢以外的任何原子都含有中子。

和本图表示的原子相比，原子核要小得多

起先我们假定电子、质子和中子组合在一起，并形成一个固体球。但当检查下列实验的结果时，就必须改变这种假设。

盖格—马斯登（Geiger－Marsden）

实验

在很薄的金箔片上发射带正电荷的高速α粒子，可以发现：

a.大多数α粒子在运动过程中几乎不改变方向或根本不改变方向。

b.只有很少一部分α粒子方向改变很大，有的甚至垂直反弹回去。

对于上述结果，拉瑟福德（Rutherford）做了如下解释：

a.即使是很薄的金箔片，其厚度也相当于数百个原子的直径。每个原子的大部分区域都是空间。

b.带有正电荷的微粒只有在强大排斥力的作用下，才可能垂直反弹回去。只有当原子带有独立的正电荷，也就是说，原子中的质子和中子被明显地分离时，这种排斥力才有可能产生。

从这一论点出发，拉瑟福德建立了一个原子模型，如图55.5所示。因为原子核内含有所有的质子和中子，因此几乎所有的质量都集中在原子核上。

电子沿着原子核周围的轨道运动，就象行星绕着太阳运动一样。原子类似于行星系，大部分区域都是空间。借助于比例尺，假设原子核相当于网球那样大，那么距原子核最近的电子也有4公里远。

图55.6是前面遇到过的一些原子的简图。可以看出，原子核周围的电子数和原子核内含有的质子数是相等的。图55.6还表明，原子核周围电子轨道的级别是逐渐增加的，这些级别可以简单地表明电子具有不同的能量。电子具有的能量越高，其级别也就越高，也就是说其轨道半径越大。如果给原子施加能量（例如给原子加热或使原子通过电子发射装置），电子就会从较低的能级移到较高的能级上。事实上，当所加的能量足够大时，某些电子就能够脱离原来的原子而逸出。我们将在§91中讨论具有这种能力的电子的应用。

习题

1.氩是单原子气体，氮是双原子气体。试用简图表示其分子结构，并解释这句话的含义。

2.一氧化碳和二氧化氮是两种由分子组成的气体。试用其名称判别其分子中各原子的数目。

3.在下列术语中选择合适的字填入句子的空白处，完成下面这段论述原子的短文。每个术语均可用多次。

电荷，电子，能级，中子，原子核，微粒，质子

任何原子都含有位于原子中心的_____，而_____是由两种逊原子_____组成的。一种叫做_____，且带正_____；另一种叫做_____，但不带_____。

第三种逊原子_____叫做_____，全部位于原子核周围的_____上，且带负_____，和同一_____上的其它电子所带的电量大小相等。

在拉瑟福德的著名实验中，当金箔片发射的一些带正电荷的微粒接近任何一个原子的_____时就会反弹回去。