原子由什么组成

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原子的中心是由核子(质子和中子)组成的微小原子核，占据了整个原子的大部分质量。原子核中的质子和中子紧密堆积在一起，所以原子核的密度很高。质子和中子的质量大致相等，中子略高。质子带正电荷，但中子不带电荷。

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2017-10-16

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英国物理学家欧内斯特卢瑟福(1871 ~ 1937)于1895年来到英国卡文迪什实验室，与汤姆森一起学习，成为汤姆森的第一位海外研究生。卢瑟福勤奋好学。在汤姆逊的指导下，卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了射线。

卢瑟福设计了一个巧妙的实验。他把铀、镭等放射性元素放在铅容器里，只在铅容器上留下一个小洞。因为铅可以阻挡辐射，所以只有一小部分辐射从小孔中出来，形成一束窄窄的辐射。卢瑟福把一个强磁铁放在辐射束附近，发现有一种辐射不受磁铁影响，保持直线。第二条射线受磁铁影响，偏向一边，但偏向不厉害。第三条光线偏转严重。

卢瑟福把不同厚度的材料放在辐射的前进方向，观察辐射的吸收情况。第一条射线不受磁场影响，说明它不带电荷，穿透力强。一般的材料如纸张、木屑等都阻挡不了射线，只有厚厚的铅板才能完全阻挡，这就是伽玛射线。第二种射线会受到磁场的影响，从磁场的方向可以判断这种射线是带正电的。这种射线的穿透力很弱，完全可以用一张纸挡住。这是卢瑟福发现的阿尔法射线。第三种射线按偏转方向带负电，性质与快速运动的电子相同，故称射线。卢瑟福对自己发现的射线特别感兴趣。经过仔细研究，他指出射线是带正电的粒子，是氦原子的离子，也就是缺少两个电子的氦原子。

“计数管”是德国学生汉斯盖格(1882-1945)发明的，可以用来测量肉眼看不见的带电粒子。当带电粒子通过计数管时，计数管发出电信号。当电信号连接到报警器时，仪器会发出“咔嗒”声，指示灯会亮起。不可见和无形的射线可以用非常简单的仪器记录和测量。人们称这种仪器为盖革计数器。在盖革计数器的帮助下，卢瑟福领导的曼彻斯特实验室对粒子性质的研究发展迅速。

1910年，马斯登(1889-1970)来到曼彻斯特大学，卢瑟福让他用粒子轰击金箔，做实践实验，用荧光屏记录那些穿过金箔的粒子。根据汤姆逊的葡萄干蛋糕模型，质量很小的电子分布在一个均匀带正电的物质中，而粒子是失去两个电子的氦原子，质量比电子大几千倍。当这么重的壳层轰击原子时，小电子无法抵抗。但是金原子中的正物质在整个原子体积中是均匀分布的，无法抵抗粒子的轰击。也就是说，阿尔法粒子很容易穿过金箔，即使被阻挡一点，也只是阿尔法粒子穿过金箔后前进方向的微小变化。卢瑟福和盖革多次做过这类实验，他们的观察结果与汤姆逊的葡萄干蛋糕模型吻合得很好。粒子在金原子的影响下稍微改变方向，散射角很小。

马斯登和盖革重复了这个做过很多次的实验，奇迹出现了！他们不仅观察到了散射的粒子，还观察到了金箔反射的粒子。卢瑟福在晚年的一次演讲中描述了当时的场景。他说：“我记得两三天后，盖革带着极大的兴奋来找我说，‘我们得到了一些反射的粒子……’，这是我一生中最不可思议的事件。就像对着卷烟纸拍15寸的弹壳，被反射的弹壳击中一样不可思议。经过思考，我意识到这种反向散射只能是单一碰撞的结果。经过计算，我可以看出，不考虑大部分原子质量集中在一个小核内，是不可能得到这个数量级的。”

卢瑟福说的“思考之后”，不是思考一两天，而是思考一两年。在做了大量的实验、理论计算和仔细考虑之后，他大胆地提出了核原子模型，推翻了他的老师汤姆逊的固体带电球原子模型。

卢瑟福检查了反射的粒子确实在他学生的实验中，然后仔细测量了反射的粒子总数。测量表明，在他们的实验条件下，每8000个入射粒子中就有一个被反射回来。汤姆逊固体带电球原子模型和带电粒子散射理论只能解释粒子的小角度散射，不能解释大角度散射。多次散射可以获得大角度散射，但计算结果表明多次散射的概率极小，与8000个粒子中有一个被反射回来的观测结果相差甚远。

汤姆逊原子模型无法解释粒子的散射。卢瑟福通过仔细的计算和比较发现，只有假设正电荷集中在很小的区域，粒子通过单个原子，才能发生大角度散射。也就是说，原子的正电荷必须集中在原子中心的一个小核内。在这个假设的基础上，卢瑟福进一步计算了散射的一些规律，并做了一些推论。这些推论很快被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。

卢瑟福的原子模型就像一个太阳系，带正电荷的原子核像太阳，带负电荷的电子像围绕太阳运行的行星。在这个“太阳系”中，它们之间的力就是电磁相互作用力。他解释说，原子中带正电荷的物质集中在一个小核上，而原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时，就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。卢瑟福发表了一篇著名的论文《物质对α和β粒子的散射及原理结构》。

卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径，为原子科学的发展立下了不朽的功勋。然而，在当时很长的一段时间内，卢瑟福的理论遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地待在核外。1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获成功。因此，当卢瑟福又提出有核原子模型时，很多科学家都把它看作是一种猜想，或者是形形色色的模型中的一种而已，而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础。

卢瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能够抓住本质作出科学的预见。同时，他又有十分严谨的科学态度，他从实验事实出发作出应该作出的结论。卢瑟福认为自己提出的模型还很不完善，有待进一步的研究和发展。他在论文的一开头就声明：“在现阶段，不必考虑所提原子的稳定性，因为显然这将取决于原子的细微结构和带电组成部分的运动。”当年他在给朋友的信中也说：“希望在一、二年内能对原子构造说出一些更明确的见解。”