【閱前提示】本篇出自『數(shù)理化自學叢書6677版』，此版叢書是“數(shù)理化自學叢書編委會”于1963-1966年陸續(xù)出版，并于1977年正式再版的基礎(chǔ)自學教材，本系列叢書共包含17本，層次大致相當于如今的初高中水平，其最大特點就是可用于“自學”。當然由于本書是大半個世紀前的教材，很多概念已經(jīng)與如今迥異，因此不建議零基礎(chǔ)學生直接拿來自學。不過這套叢書卻很適合像我這樣已接受過基礎(chǔ)教育但卻很不扎實的學酥重新自修以查漏補缺。另外，黑字是教材原文，彩字是我寫的注解。

【山話嵓語】『數(shù)理化自學叢書』其實還有新版，即80年代的改開版，改開版內(nèi)容較新而且還又增添了25本大學基礎(chǔ)自學內(nèi)容，直接搞出了一套從初中到大學的一條龍數(shù)理化自學教材大系列。不過我依然選擇6677版，首先是因為6677版保留了很多古早知識，讓我終于搞明白了和老工程師交流時遇到的奇特專業(yè)術(shù)語和計算模式的來由。另外就是6677版的版權(quán)風險極小，即使出版社再版也只會再版80年代改開版。我認為6677版不失為一套不錯的自學教材，不該被埋沒在故紙堆中，是故才打算利用業(yè)余時間，將『數(shù)理化自學叢書6677版』上傳成文字版。?

第八章原子的結(jié)構(gòu)

【山話||? 本系列專欄中的力單位達因等于10??牛頓；功的單位爾格等于10??焦耳；熱量的單位卡路里等于4.186焦耳；電荷的單位靜庫（1庫倫=3×10?靜庫）；電勢的單位靜伏等于300伏特。另外這套老教材中力的單位常用公斤、克等，但如今是不允許的，力是不能使用質(zhì)量單位的?！?

§8-1電子的發(fā)現(xiàn)

【01】早在古代的希臘和羅馬就已經(jīng)有了原子論的萌芽。古希臘的著名思想家德莫吉利特，在公元前 420 年左右曾經(jīng)說過：“自然界中無窮多的事物，只是由很少幾組相同的原子構(gòu)成的，它們占據(jù)著空間不同的位置和作著各種不同的運動?！钡怯捎谌狈嶒炞C據(jù)，還不能正式成為一種系統(tǒng)的學說，所以后來，這種古代原子論者的思想就長期地被人們遺忘了。

【02】直到十九世紀初，英國學者道爾頓根據(jù)物質(zhì)在化學變化中所表現(xiàn)出來的性質(zhì)，正式提出了原子-分子學說。他認為一切元素都是由一些極為微小的粒子——原子構(gòu)成的，原子是物質(zhì)存在的最小單元，是不可分割的【原子atoms在希臘文中是不可分割的意思】。每一種元素都有一種和它相對應(yīng)的原子。同種元素的原子具有相同的性質(zhì)，例如它們的形狀、大小和質(zhì)量等都是相同的；不同元素原子的性質(zhì)各不相同。由這些原子的互相結(jié)合可以構(gòu)成無窮多種分子，其中每一個分子都是由一種或幾種原子在一定的比例下彼此結(jié)合而成的。

【03】到了十九世紀末葉和二十世紀初期，由于電氣工業(yè)的發(fā)展，促進了對電現(xiàn)象的研究，科學家們先后發(fā)現(xiàn)了電子、X 射線和放射性元素。這不僅證實了原子的存在，而且還表明，原子的結(jié)構(gòu)十分復雜，它并不是不可分割的。

【04】原子物理學就是研究各種原子復雜結(jié)構(gòu)的一門學科。由于原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本單元，物質(zhì)的一切特性都是和原子的結(jié)構(gòu)分不開的，因此要想徹底了解物質(zhì)的特性，首先必須對原子結(jié)構(gòu)有所了解。此外，我們還知道，在這些渺小的原子中卻蘊藏著極大的能量，它是現(xiàn)今所知道的最大的能源，要想利用它，也必須先了解原子的結(jié)構(gòu)。

【05】下面我們就來看看，原子的復雜結(jié)構(gòu)是怎樣被發(fā)現(xiàn)的。

【06】在沒有討論陰極射線以前，先介紹一下稀薄氣體中的放電現(xiàn)象。

【07】我們知道，在一般情況下，氣體是不導電的，即是很好的絕緣體。但是如果外來的作用使氣體分子本身電離，那么氣體就導電了。例如用點燃的火柴靠近帶電的驗電器，驗電器上的金箔就會下垂，表示驗電器上的電荷通過空氣跑掉了；又如在紫外線或倫琴射線的照射下，氣體也能因電離而導電。象這種只有當使氣體電離的作用存在時才發(fā)生氣體放電的現(xiàn)象叫做被激放電。

【08】此外，實驗表明，在相當強的電場作用下，即使沒有任何外來的使氣體電離的作用，氣體也會發(fā)生放電現(xiàn)象。例如電閃就是在云間或云和地間存在著很強的電場時大氣中所發(fā)生的火花放電現(xiàn)象。象這種單靠電場的作用而發(fā)生的氣體放電現(xiàn)象叫做自激放電。實驗還表明，氣體自激放電需要多大的電場強度是跟氣體本身的性質(zhì)以及氣體的壓強有關(guān)的。一般說來，在稀薄氣體中發(fā)生自激放電現(xiàn)象所需要的電場強度較小。

【09】圖8·1所示的就是一個專門用來研究氣體自激放電的裝置。其主要部分就是一根兩端封閉的長玻璃管；管的下端與真空泵相通，這主要是為了控制管內(nèi)氣體的壓強；管旁還有一個壓強計，我們可以隨時讀出管內(nèi)氣體的壓強。由于兩電極間的距離是固定不變的，因此可以根據(jù)伏特計讀數(shù)測出管內(nèi)的電場強度。

【10】實驗前，先把兩電極跟高壓電源連接起來，（跟起電機的放電球連起來，或者跟感應(yīng)線圈副線圈的兩端連起來）假設(shè)管內(nèi)空氣的壓強等于 1 個大氣壓，那么只有當兩極間的電場強度增大到 30,000 伏特/厘米時，管內(nèi)才會產(chǎn)生猛烈的火花放電。如果切斷電源，用真空泵抽去管內(nèi)的部分空氣，再重復上述實驗，就會發(fā)現(xiàn)，當電極間的距離不變時，空氣自激放電所需要的電壓將隨著管內(nèi)氣壓的降低而減小，這也就是說，管內(nèi)空氣越稀薄，越容易產(chǎn)生自激放電現(xiàn)象。但是當空氣的壓強降低到 2 毫米高水銀柱以下時，自激放電所需要的電壓反而隨壓強的降低而增大，并且放電的性質(zhì)也有所改變。這一關(guān)系可以用圖8·2上的曲線表示。

【11】為什么在相當強的電場作用下氣體會產(chǎn)生自激放電現(xiàn)象呢？這可以用電離學說來解釋。我們知道，在氣體中總有一些帶電的離子存在，隨著電場強度的增強，氣體離子運動的速度也逐漸增大，因而它的動能也就增大了。當電極間的電場強度超過一定大小時，某些離子就可以獲得足夠大的動能，在和中性分子碰撞時使氣體分子電離。繼續(xù)增大電場強度，能使中性分子電離的離子數(shù)也跟著增加，這樣一來，由于一個離子的運動就可以產(chǎn)生很多的離子，而且產(chǎn)生得非常迅速，終于使全部氣體電離而發(fā)生放電現(xiàn)象。由此可見，在電極間存在的強電場本身就具備了使氣體放電的必要條件。

【12】又為什么管內(nèi)氣體越稀薄，就越容易產(chǎn)生自激放電現(xiàn)象呢？原來離子的動能不僅隨電場強度的增加而增加，而且隨離子的自由路程的增大而增大【分子或離子在連續(xù)兩次跟其他分子碰撞間所通過的直線距離叫做分子或離子的自由路程】。因為離子在電場力作用下運動的加速度是一定的，自由路程越長，到達終點時的速度就越大，它所獲得的動能也就越大。這樣即使管內(nèi)的電場強度較小，離子所受到的電場力較小，只要自由路程足夠長，離子也可以獲得足以撞開中性分子使它電離的動能。管內(nèi)氣體越稀薄，離子運動的自由路程就越長，因此產(chǎn)生自激放電現(xiàn)象所需要的電場強度也就越小，也就是說越容易產(chǎn)生自激放電現(xiàn)象。

【13】但是上述規(guī)律是具有一定限度的。如果我們把管內(nèi)的氣壓降低到 2 毫米高水銀柱以下，則放電的性質(zhì)改變了，這時增大兩極間的電壓，管內(nèi)就會出現(xiàn)一條跨越兩極的光帶；它隨著管內(nèi)氣壓下降而變粗，繼而充滿全管，使整個放電管發(fā)出美麗的紫色光輝。霓虹燈就是利用這一現(xiàn)象設(shè)置而成的?！灸藓鐭粼瓉硎侵冈诟唠妷旱蜌鈮旱那闆r下會發(fā)出紅光的裝有氖氣的放電管，后來把凡是能發(fā)出彩色光的放電管都叫做霓虹燈，其實放電管發(fā)出光輝的顏色主要決定于管內(nèi)氣體的性質(zhì)，例如管內(nèi)充以空氣就發(fā)紫光，充以氦氣就發(fā)黃光，充以水銀蒸汽就發(fā)藍光。此外它還跟玻璃管本身的顏色有關(guān)，如在用黃色玻璃制成的放電管內(nèi)裝上水銀蒸汽就發(fā)綠光?！?/p>

【14】繼續(xù)降低管內(nèi)氣壓到 0.1 毫米高水銀柱以下，管內(nèi)氣體發(fā)光的現(xiàn)象就完全消失；如果把管內(nèi)氣壓降低到 10?3 毫米高水銀柱以下（這種玻璃管叫做克魯克斯管），那么在對著陰極的玻璃管壁有綠色的熒光出現(xiàn)。

【15】為了研究玻璃管壁所發(fā)出的綠色熒光是從哪里來的，我們可以把克魯克斯管內(nèi)的陽極制成五角星形，在通電后，對著陰極的玻璃管壁并不全部發(fā)光，而出現(xiàn)了和陽極形狀相同的較大的陰影（圖8·3）。這就表明管壁發(fā)光是由于受到從陰極發(fā)出的一種射線照射的結(jié)果，我們把這種射線叫做陰極射線；這種放電管叫做陰極射線管。

【16】陰極射線是屬于哪一種性質(zhì)的射線呢？如果在陰極射線管內(nèi)裝上一個象風車似的小葉輪，就會發(fā)現(xiàn)，小葉輪在陰極射線的推動下旋轉(zhuǎn)起來（圖8·4），它表明陰極射線是一股微粒流。進一步的實驗還發(fā)現(xiàn)，陰極射線在電場和磁場里都會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，如果在陰極射線管內(nèi)沿著射線的方向裝上一塊熒光屏【熒光屏是涂有發(fā)光物質(zhì)的屏，在陰極射線、X?射線或紫外光的照射下會發(fā)出熒光。通常用的發(fā)光物質(zhì)是含有微量錳雜質(zhì)的硅化鋅，它在上述射線的照射下會發(fā)出綠色的熒光，此外鎢化鈣也是常用的發(fā)光物質(zhì)，它在陰極射線的照射下會發(fā)出藍色的熒光。嚴格說來，熒光是指在射線停止照射后只能維持相當短的時間（約?10?1 秒）的發(fā)光現(xiàn)象，如果它能保持相當長的時間（幾秒甚至幾小時），那就叫做磷光。影響發(fā)光性質(zhì)的因素很多，其中最重要的是雜質(zhì)的影響，有些發(fā)光物質(zhì)在很純凈的時侯不發(fā)光，只有在加入微量的雜質(zhì)后才能發(fā)光；而發(fā)光的顏色也跟雜質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)，例如在硫化鋅中加入微量的銀雜質(zhì)時發(fā)藍光，加入銅時發(fā)綠光，加入錳時發(fā)橙色光】，射線的偏轉(zhuǎn)情況就能看得十分清楚。圖8·5所示的是陰極射線在磁場里發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況；圖8·6是陰極射線在電場中發(fā)生偏轉(zhuǎn)的情況。根據(jù)陰極射線在磁場和電場中的偏轉(zhuǎn)情況，可以肯定陰極射線是帶負電荷的微粒流，這種帶電微粒就叫做電子。

【17】英國物理學家湯姆遜在對陰極射線作了仔細研究后，于1897年指出，用不同物質(zhì)作陰極都能產(chǎn)生陰極射線；一切陰極射線都具有相同的性質(zhì)。他還根據(jù)陰極射線在電場和磁場中的偏轉(zhuǎn)程度，測出電子的荷質(zhì)比以及它的速度【帶電微粒的電荷跟它的質(zhì)量之比 q/m 叫做這種帶電微粒的荷質(zhì)比】，并且指出電子的荷質(zhì)比是個常數(shù)，而電子的速度跟加在陰極射線管兩極上的電壓有關(guān)：所加的電壓越高，電子的速度就越大。

【18】進一步的實驗還表明，陰極射線在通過氣體時，可以使氣體電離，并使氣體發(fā)出微光；陰極射線射到照象底片上可以引起化學作用；此外，它還可以引起一種特殊的射線，即倫琴射線（X 射線）。

【19】既然用任何物質(zhì)作陰極都能產(chǎn)生陰極射線，這就表明任何元素的原子中都有電子存在，即原子并不是組成物質(zhì)的最小單元，并且原子并不是不可分割的。

例1.已知湯姆遜所測得的電子的荷質(zhì)比 e/m＝1.759×1011 庫侖/公斤；后來經(jīng)過實驗又直接測出電子所帶的電量 e＝1.602×10?1? 庫侖。試根據(jù)這些數(shù)據(jù)計算電子的質(zhì)量，并且跟氫原子的質(zhì)量進行比較。

【湯姆遜測得的電子的荷質(zhì)比很大，比當時（1897年）認為最大的氫離子的荷質(zhì)比還要大2000倍左右。由于當時人們以為原子是組成物質(zhì)存在的最小單元，因此很多科學家都認為電子具有跟最輕的原子——氫原子一樣的質(zhì)量，而所帶的電荷卻相當于氫離子所帶的電荷（基本電荷）的2000倍。但是湯姆遜指出電子所帶的電荷不可能有這么大，電子的荷質(zhì)比大是因為它的質(zhì)量只有氫原子的 1/2000 的緣故。這一論斷不久就被其他實驗所證實?！?/p>

【解】

????????∵ 電子所帶的電荷 e＝1.602×10?1? 庫侖，而電子的荷質(zhì)比 e/m＝1.759×1011 庫侖/公斤，∴ 電子的質(zhì)量?。

????????在第二冊中，我們已經(jīng)學過用原子量和阿伏加德羅常數(shù)計算原子質(zhì)量的方法。根據(jù)氫的原子量為 1.008 可知 1 克原子氫的質(zhì)量為1.008克，∴ 氫原子的質(zhì)量 。

????????比較氫原子和電子的質(zhì)量可知?，即電子的質(zhì)量大約是最輕的原子——氫原子質(zhì)量的? 。