1.5　揭開原子內(nèi)部的秘密

學(xué)過一點(diǎn)化學(xué)知識(shí)的人都知道，世界上千千萬萬種物質(zhì)，不管化學(xué)成分如何復(fù)雜，不外乎是由118種原子組成的，或者說是由118種化學(xué)元素組成的。原子是構(gòu)成物質(zhì)的基本微粒，可是原子還能否進(jìn)一步分割，原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)究竟是怎樣等一系列問題，卻并不容易給出答案。

1879年，英國(guó)的科魯克斯在一個(gè)接近真空的玻璃管里裝上兩個(gè)電極，通過高壓直流電，發(fā)現(xiàn)跟陰極相對(duì)的玻璃管壁上，出現(xiàn)了美麗的熒光。進(jìn)一步研究表明，從陰極發(fā)射出來一束肉眼看不見的且有一定質(zhì)量和速度的微粒流，這種微粒流被稱為陰極射線，而且組成陰極射線的微粒是帶負(fù)電的。1897年，英國(guó)著名物理學(xué)家湯姆生對(duì)陰極射線進(jìn)行仔細(xì)研究，測(cè)出組成陰極射線的這種微粒的質(zhì)量，僅相當(dāng)于最輕的原子（氫原子）的質(zhì)量的1/1840，并且?guī)в幸粋€(gè)單位的負(fù)電荷。這就是電子。電子的發(fā)現(xiàn)以無可爭(zhēng)辯的事實(shí)證明了原子并非最小微粒，其內(nèi)部必定有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。原子也有屬于其自身的天地。

原子確實(shí)是太小了。可是，科學(xué)發(fā)展到今天，人們采用靈巧而先進(jìn)的技術(shù)，特別是20世紀(jì)以來，對(duì)原子、原子核和原子能的實(shí)驗(yàn)及研究越來越深入，人們對(duì)原子已有了相當(dāng)?shù)牧私猓ㄔ拥膬?nèi)部結(jié)構(gòu)。

在原子內(nèi)部還有更小更輕的粒子，這就是中子、質(zhì)子、電子。其中，中子和質(zhì)子處于原子的中心，組成原子的核心，稱為原子核。電子則在核外不停地旋轉(zhuǎn)，很像一團(tuán)蒸汽圍繞著空氣中的一粒塵土。原子核在原子中占有十分小的體積，如果把整個(gè)原子比作一個(gè)大廈，那么原子核占據(jù)的空間還不到一個(gè)蠶豆那么大，可見原子內(nèi)部是個(gè)十分空曠的世界，只有少數(shù)幾個(gè)電子在里頭不停地運(yùn)動(dòng)。更令人吃驚的是，這一顆蠶豆大小的原子核卻幾乎就是整個(gè)大廈的質(zhì)量，這是由于原子核的密度十分大。原子是不帶電的，但電子是帶負(fù)電的，因此，原子核必然帶有相同電荷的正電荷。科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)，構(gòu)成原子核的中子和質(zhì)子的質(zhì)量十分接近，而質(zhì)子帶一個(gè)單位正電荷（電量與電子帶負(fù)電荷量相等），中子不帶電。顯然，中性原子中的電子數(shù)同原子核中的質(zhì)子數(shù)必須相等，否則，原子就會(huì)帶電。事實(shí)上，現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的118種元素，本質(zhì)上之所以互不相同，是它們的原子核中質(zhì)子數(shù)不同。例如，質(zhì)子數(shù)為1的是氫元素，質(zhì)子數(shù)為8的是氧元素。

目前，科學(xué)研究還表明，原子中的電子圍繞原子核旋轉(zhuǎn)并不是像地球繞太陽轉(zhuǎn)那樣沿著固定的軌道運(yùn)轉(zhuǎn)，而是時(shí)而在這里出現(xiàn)，時(shí)而在那里出現(xiàn)。如果我們?cè)O(shè)想能跟蹤單個(gè)電子的短時(shí)間內(nèi)的足跡，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，電子的運(yùn)動(dòng)是十分雜亂的，毫無規(guī)則的。但是從統(tǒng)計(jì)的觀點(diǎn)來看，電子運(yùn)動(dòng)卻表現(xiàn)極有規(guī)律性，以致似乎每一電子都有自己的軌道，不同軌道同原子核的距離不同。電子處在不同軌道能量也有高低，因此，通常也認(rèn)為核外電子是分層排布的，而且，電子排布也是十分有規(guī)律的。通常電子盡可能先占據(jù)離核最近也就是能量最低的軌道，實(shí)在是擠不下了，電子就排在能量稍高的軌道上來。第一層最多能容納2個(gè)電子，第二層可容納8個(gè)電子……第n層最多可容納2n²個(gè)電子。

電子繞原子核高速運(yùn)動(dòng)

有些原子是可以單獨(dú)存在的，也可以按一定關(guān)系結(jié)合在一起形成分子。譬如，外層電子排布都已達(dá)到飽和狀態(tài)的惰性氣體元素就是一個(gè)十分典型的例子，它們最外層都有（除氦）8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。因此，原子既不容易得到電子，也不容易失去電子，呈一種惰性。一般情況下，惰性氣體元素與自身沒有相互作用，與其他元素也不容易化合。所以惰性氣體一般是由許多單獨(dú)存在的原子組成的。但是，大多數(shù)元素外層電子不具有這種飽和狀態(tài)，它們的原子一般不能獨(dú)立存在，有的容易失去電子，有的卻有得到電子的趨向。化學(xué)上把這種由原子得失電子后得到的微粒稱為離子，事實(shí)上，離子與相應(yīng)的原子的差別就在于這幾個(gè)電子。譬如，構(gòu)成金屬鋁的鋁原子很容易失去最外層3個(gè)電子，而得到帶三個(gè)單位正電荷的鋁離子。這種不能單獨(dú)存在的原子在一起，常常就會(huì)化合形成一種由原子組成的微粒，即分子。例如，高溫下，金屬鈉和氯氣相遇便立即化合，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并發(fā)光放熱劇烈燃燒起來。高溫下，氯氣可離解出氯原子，并可奪取鈉原子中一個(gè)電子后各自都達(dá)到8電子穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。