电离与原子序数：解构原子的电荷

2023-08-05 理论教育版权反馈

【摘要】：负粒子或他称之为电子的粒子携带的电荷总和等于总的正电荷，所以原子总体上是电中性的。另一方面，有的原子设法从外部获得额外的电子从而获得了多余的负电荷，称为负离子。向原子传递多余的正电或负电的过程被称作电离。这种表示原子的数值通常被称为元素的原子序数，它与化学工作者根据元素的化学性质对元素进行排列的表中的位置数一致。

德谟克利特给原子起的名字在希腊语中意为“不可分割的”，他的意思是这些粒子是物质分解的极限，换句话说，原子是组成物质的最小单元。几千年过后，“原子”这个以往的哲学思想已经有了精确的科学内容，它已被大量的实验证据所充实，成了有血有肉的实体。与此同时，原子不可分割的概念依旧存在，人们设想各种元素的原子之所以拥有不同的性质是因为它们的几何形状不同。比如，氢原子被认为是接近球形的，而钠原子和钾原子则被认为是细长的椭球体。

另一方面，氧原子被认为是一个类似甜甜圈形状,但是在中心位置有个封合面，因此可以通过把两个球形氢原子放入氧原子两边的凹槽中（见图48）形成一个水分子（H2O）。而钠原子和钾原子可以取代水分子中氢原子的原因可以被解释为，钠和钾的细长椭球形原子比氢的球形原子更适合放在氧原子两侧的凹槽中。

图48　水分子的形成及氢原子的置换

根据这些观点，不同元素发出的光谱差异被归因于不同形状的原子振动频率的差异。基于这种想法，物理学家们曾试图根据观察到发光元件的原子所发出的光的频率得到原子形状，但都未能成功。这与我们在声学中解释小提琴、教堂钟和萨克斯管发出的不同声音的方法是一样的。

然而，这些试图通过原子的几何形状来解释各种原子的化学和物理性质的尝试，没有任何实质性进展，真正理解原子性质的第一步是从人们意识到原子不是各种几何形状不同的简单物体，而是具有大量独立运动部件的复杂机构开始的。

在解剖原子精细躯体的复杂手术中，第一刀的荣誉属于著名的英国物理学家汤姆森，他能够证明各种化学元素的原子都包含带正电的和带负电的部分，并且靠电引力结合在一起。汤姆森假设一个原子由若干个正电荷组成，其内部浮动着大量带负电的粒子（见图49）。负粒子或他称之为电子的粒子携带的电荷总和等于总的正电荷，所以原子总体上是电中性的。但是，因为他假设电子与原子体的结合相对宽松，所以它们可以被去除，留下一个带正电荷的原子残留物，称为正离子。另一方面，有的原子设法从外部获得额外的电子从而获得了多余的负电荷，称为负离子。向原子传递多余的正电或负电的过程被称作电离。汤姆森的观点以迈克尔·法拉第的经典实验观点为基础，法拉第证明了无论何时，原子携带的电荷数量一定是静电单位5.77×10-10的整数倍。同时，在此基础上，汤姆森又通过发明从原子中得到电子的方法，以及对高速飞行通过空间的自由电子束的研究，确立了电子是一个个独立的粒子这一观点。

图49　汤姆森的假设

汤姆森对自由电子束的研究还有一个十分重要的结论，就是对它们质量的估计。他通过强电场将一束电子从热电线等材料中提取出来，射入带电电容器两片极板之间的空间（见图50）。由于带负电荷，或者更准确地说，由于自由电子本身就是负电体，电子束的电子被正极吸引而被负极排斥。

图50　提取电子

通过让光束落在聚光镜后面的荧光屏上，可以很容易地观察到光束的偏转。知道一个电子的电荷和它在给定电场中的偏转，就有可能估算出它的质量，最终发现这个数值确实很小。事实上，汤姆森发现一个电子的质量是氢原子质量的小倍，这说明原子质量的主要部分包含在带正电荷的部分。

汤姆森关于原子内部运动的负电子群的观点是完全正确的，但是他对正电荷在原子内部均匀分布这个看法却与事实相去甚远。1911年，卢瑟福指出，原子的正电荷及其质量的最大部分集中在原子中心的一个极小的原子核内。他通过著名的“阿尔法（α）粒子”在穿过物质时发生散射的实验得到这一结论。这些α粒子是某些沉重的不稳定的元素（如铀或镭）自发分解时放出的微型高速粒子，并且因为证明了它们的质量是和原子的质量相似且携带正电荷的，它们被看作原始的原子中带正电部分的碎块。当α粒子穿过目标材料的原子时，它受到原子中电子吸引力和原子中正电部分的排斥力的双重影响。但是，由于电子非常轻，它们对α粒子入射运动的影响不会比一群蚊子对一头受到惊吓而奔跑的大象的影响更大。另一方面，原子的大量正电荷与入射α粒子的正电荷相互排斥，使后者偏离了其正常轨道，并向各个方向散射，但这个前提是它们离得足够近。

研究一束α粒子穿过薄铝膜发生的散射时，卢瑟福得到了令人惊讶的结论，为了解释观察到的结果，必须假设α粒子与原子的正电荷之间的距离小于原子直径的千分之一。当然，只有当入射粒子和原子的正电荷部分都是原子本身的几千分之一时，这才有可能发生。因此，卢瑟福的发现将汤姆森原子模型推翻了，原本广泛存在的正电荷缩小到原子最中心的一个小原子核中，留下大量的负电子在原子外面。这样一来，原子的图像就不再像一个由电子充当种子的西瓜，取而代之的更像一个微型太阳系，太阳就像原子核，行星就像电子（见图51）。

图51　卢瑟福的原子图像

与太阳系的相似通过下述事实进一步加强：原子核占整个原子质量的99.97%，相比之下，太阳占整个太阳系质量的99.87%，当我们比较行星间的距离和行星的直径时，我们发现行星间的距离要超出它们的直径相同的倍数（几千倍）。

然而，更重要的相似之处在于，原子核和电子之间的电引力与太阳和行星之间的重力都遵循相同的平方反比数学定律^[4]。在这种类型的力的作用下，电子围绕原子核的运动形成了圆形或椭圆形轨道，类似于行星和彗星在太阳系中的运动轨迹。

根据前面关于原子内部结构的观点，各种化学元素的原子之间的差异主要取决于绕原子核运动的电子数的不同。因为整个原子是中性的，电子绕着原子核的数量一定是由原子核本身的正电荷这个基本数字决定的，而这一数字又可以直接从观测到的α粒子散射中估算出来，这些粒子由于原子核之间的相互作用而偏离轨道。卢瑟福发现，在按原子质量递增顺序排列的自然化学元素序列中，每个元素中的原子都比前一元素增加一个电子。因此，一个氢原子有1个电子，氦原子有2个电子，锂原子有3个电子，铍原子有4个电子，等等，最重的天然元素——铀原子有92个电子^[5]。

这种表示原子的数值通常被称为元素的原子序数，它与化学工作者根据元素的化学性质对元素进行排列的表中的位置数一致。

因此，任何一种元素所拥有的物理性质和化学性质，都可以简单地用其围绕原子核旋转的电子数解释清楚。

图52　周期性的元素系统排列在绕柱的带子上，显示周期为2、8和18，下面的图表代表元素循环的另一边（镧系和锕系元素），它们突兀于规则的周期性

（a）正视图；（b）后视图

19世纪末，俄国化学家门捷列夫注意到按自然顺序排列的元素，它们的化学性质具有一定的周期性。他发现某些性质在经过一定数量的元素后开始重复。这种周期性在图52中以图形形式表示，其中所有目前已知元素的符号都在绕着圆柱体表面的螺旋带上，这样位于同一列的元素有着相似的性质。我们可以看到，第一组只包含两个元素——氢和氦；之后的两个组，每组有8个元素；再往后每隔18个元素，化学性质就会重复一遍。如果我们还记得沿元素序列每走一步，原子就相应地增加一个额外电子，那么，我们就一定能够得出这样的结论：所观察到的化学性质的周期性一定是由于某些稳定的电子结构，或者说“电子层”重复出现的结构。第一个完整的电子层必须由2个电子组成，接下来的2个电子层每层有8个电子，再往后的电子层每层有18个电子。从图52中我们还能注意到在第六个和第七个周期，元素性质严格的周期性因为两组元素（所谓的镧系和锕系元素）的存在而混乱，所以必须从正常的环状面上接出两块来。这一反常现象是由于我们在这里遇到了电子层结构的某种内部重建，它破坏了有关原子的化学性质。

现在，有了原子的结构图，我们可以试着回答究竟是什么使不同元素的原子结合形成无数化合物的复杂分子这一问题了。举个例子，比如为什么钠原子和氯原子能形成食盐的分子呢？从图53中我们可以看到这两个原子的电子层结构，氯原子的第三电子层缺少一个电子，而钠原子的第二电子层饱和后还多出一个电子。因此，钠原子中多余的电子会倾向于进入氯原子，从而形成一个完整的电子层。由于这种电子的转变，钠原子带正电荷（失去一个负电子），而氯原子带负电荷（获得一个负电子）。在静电引力的作用下，这两个带电的原子（或者称之为离子）会粘在一起形成氯化钠分子，通俗地说就是食盐分子。同样的道理，一个外层缺少两个电子的氧原子会从两个氢原子那里“俘获”它们的单个电子，从而形成一个水分子（H2O）。另一方面，氧原子和氯原子之间、氢原子和钠原子之间，不会有结合的趋势，因为在第一种情况下，两者都有获得而非失去的态势，而在第二种情况下，两者都不想获得。

图53　钠原子和氯原子结合成氯化钠分子示意

具有完整电子层的原子，如氦、氩、氖和氙原子，完全满足于自我，它们既不送出电子，也不获得电子，它们更喜欢骄傲地保持独立。正因为这样，这些元素（即所谓“稀有气体”）的化学性质呈现惰性。

在关于原子及其电子层的这一节的结尾，我们还要提及在被称为“金属”的那一组物质中电子所起的重要作用。金属与其他物质的不同之处在于它们的原子对外层电子的束缚相当松散，而且常常让它们自由行动。因此，金属的内部充满了大量未附着的电子，它们像一群流离失所的人一样漫无目的地四处移动。当我们在一根金属丝的两端施加电压时，在电压的作用下这些自由电子就会朝着电的方向运动，从而形成我们所说的电流。

自由电子的存在也是决定物质热传导性能力高低的因素之一，我们将在下一章中再次讨论这个问题。

电离与原子序数：解构原子的电荷

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