发现之旅 |
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人口常用“芝麻粒儿那么叮点儿”来形容一个东西的渺小。其实,原子比芝麻粒儿要小得多,原子与芝麻相比,好比芝麻与地球相比!将100万个原子紧密地排成一列,也不过只有 0.7mm ~ 0.8mm 长,相当于一根头发的直径,难怪我们用肉眼根本无法看到原子!
公元前 450 年,希腊人德莫克利特首先提出,任何一种东西都是由大量的微粒组成的,他把这种微粒叫做“原子”,希腊语的意思是“不可再分”。 |
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可是有的学者认为物质的组成没有什么最小质点,是无限可分的。究竟原子能不能再分?这个问题在当时是无法解决的。但在当今科技迅猛发展的今天,这个问题已经不再是问题!
在今天的旅程中就带领大家一起探索原子构成的奥秘! |
深入思考 |
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人们一般都认为:物质是由分子构成的,分子是由原子构成的,这说明了分子是可以再分的,那么原子还能不能再分呢?这个问题困扰了科学家们很多年。直到
1895 年,一件耸人听闻的消息轰动了世界各国的科学院,一位不知名的德国教授伦琴在用真空放电管做实验时,发现从阴极能放出一种射线,具有令人惊奇的特性,它能穿过门窗、墙壁、衣服、甚至人体。伦琴为人十分谦虚,他认为自己对这种奇妙的射线了解得还很不够,于是便把它命名为“X 射线”,这个名称一直沿用至今。
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1897年,英国科学家汤姆逊让这种射线通过电场,发现它能向正电场方向偏转。汤姆逊断定这种射线是一束高速运动的带负电的粒子流,他把这种粒子称为“电子”。经测定,电子的电荷仅为4.8×10-10C ,质量也只有9.1×10-31kg ,约相当于氢原子质量的1/1837 。电子的发现动摇了原子“不可再分”的观点,因为电子是从真空放电管的阴极射线放射出来的。物质既然由原子组成,说明原子中一定含有电子,而整个原子又是呈电中性的,电子带负电,由此可以推想,原子中一定含有带正电荷的微粒。
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1911年,英国人卢瑟福通过实验,提出了原子的中心有一个带正电荷的原子核的假说,并于1919年发现了质子。1932年,英国科学家查德威克又发现了中子,证实了卢瑟福的假说是正确的,初步了解了原子核的构成。至此,原子“不可再分”的观点被彻底打破了。 |
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近代科学研究结果表明,原子中除了电子、质子、中子外,还有介子、变子、超子、光子等30多种基本粒子。也不能把这些粒子看成是最小质点,它们还可能再分。
原子是化学变化中的最小粒子,但它们不是一个个简单的、不可分割的实心球体,而是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。原子核也不是简单的、不可分割的,它由质子和中子两种粒子构成。简单的总结为:原子是由质子、中子、电子三种基本粒子构成的。
下图为原子结构的示意图:
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由于原子核内的质子数与核外的电子数相等,所以原子不显电性,不同种类的原子,核内的质子数不同,核外的电子数也不同。 |
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原子的质量极小,不同的原子质量又不同,如何衡量原子的质量呢?
为了书写和使用方便,国际上采用相对质量.以一种碳原子质量的1/12为标准,其他原子的质量跟它相比较所得的比值,就作为这种原子的相对原子质量(符号为Ar) ,根据这个标准氢的相对原子质量约为1,氧的相对原子质量约为16,碳的相对原子质量为12。 |
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跟质子、中子相比,电子质量很小,可以忽略不计,所以,原子的质量主要集中在原子核上,质子和中子的相对质量均为1,所以原子的相对质量又近似等于质子数和中子数之和。 |
学有所用 |
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原子分子操纵 |
我们知道,物质是由原子分子组成的。如果能够捕捉到这些原子分子并能让它们重新排列,及重新组合,那么,就可以设计制造出具有全新结构的新物质,甚至是新的生命。例如,把组成水的氢和氧分开,然后再由两个氢原子组合成氢分子,那么它就是可以燃烧的新能源。
小的原子,只有足球体积的几亿分之一,未来,科学家可以在较大范围内成熟的应用扫描探针显微技术,操纵单个原子和单个分子,然后再按科学的方式把它们重新组合。这种手段应用于材料加工,会出现什么样的结果呢?
一个机器人,应用了多种材料,有金属的、非金属的、有机的、无机的。不管它们是什么材料,当分子及原子结构发生理想变化,或者是说按科学方式重新组成,那么,它发挥同样的作用,而体积会大大减少。随着原子尺度加工技术不断完善和提高,会出现多种分子器件和新型功能材料,未来把它们用来制造机器人,其中最小型的,机器人就可以爬进人的血管,进行各种各样的手术。人的心脏某一区域,出现了问题,小小的机器人,到这里进行观察,或者按医务人员的指令,去修复它。
同样改变了原子、分子组合结构的材料,用来制造卫星,完成同样的任务,卫星的体积会小很多,假如需要,将来人类可以一次发射成千上万颗用于各方面的卫星。而到目前为止,全球在以往的几十年间,一共才把几千颗卫星送上天。
通过原子分子操纵加工的材料,不仅体积会减小,而且具有更高的强度,更好的耐热和耐高温性能,在空间领域,把它们用来做太空船的外壳,引擎或其它部件,太空船会变得更轻、更快、能够承受更为恶劣的环境,新的太空船会带着人类走得更远。
改变了原子结构的新型的分子材料,应用于信息领域,象一块手表大小的空间,就等于现代成千上万张光盘的容量,这样,一座大型图书馆的全部书籍的文字,就能容进其中,你拥有了这样一个记忆体,就如同拥有了一座图书馆。
在生物领域,操纵分子原子,会出现更令人兴奋的结果。地球上原有的生命体,包括动物、植物及微生物,它们之所以存在形式不同,是由其内部的分子原子的结构及性质有别所决定的。
无数的水分子再加上一些碳、氮和别的众多元素,按科学规范结合在一起,就出现了我们所看到的生命。如果人类改变生命体内的一些分子原子组合,甚至设计出新的结构会怎么样?科学家做出乐观的预测,认为这样有可能创造出具有生命力的新物质,或者是说会出现新的生命形式。当然,生命科学,是一个庞大的系统工程,从原子分子操纵入手进行研究,只是其中的一方面,创造生命是十分艰难的,大自然是经历了亿万年的造化,人类在二十一世纪,随着科技手段不断有新的突破,科学家或许会在这方面有较大的作为。
不过,以后对生物分子进行捕捉及雕刻加工是较为普遍的,这样就能够修复人体内某些有缺陷和导致疾病的遗传基因,从而尽可能的抑制及克服困扰人类的种种顽症。同样还可以用具有活力的细胞,代替老化的细胞,从而延长人的寿命。
21世纪,人类进入微观世界,在原子分子尺度上,对物质材料及生物体进行研究,从而改变它们的结构形式,会对社会及我们的生活,产生较大影响,并势必要引起更加广泛的重视。
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沙场练兵 |
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1.下列是对原子的叙述(1)原子是最小的粒子(2)原子核都是由质子和中子构成的(3)原子不显电性(4)原子都在不停运动着说法正确的是( )
A.(1) B.(3) C.(2) D.(3)和(4)
答案:D
解析:原子是化学变化中的最小粒子。但原子还可再分,科学实验证明,原子是由居于原子中心的带正电的原子核和核外带负电的电子构成的。由于原子核所带电量和核外电子所带电量相等,但电性相反所以原子不显电性。因此答案(3)正确。原子核内一定含有质子,但不是任何原子的原子核内都含有中子。如一种氢原子的核内只有一个质子,而不含中子。原子和分子一样,不是静止不动的。答案(4)正确。
2.某原子的实际质量是一种碳原子实际质量1/12的24倍,则该原子的相对原子质量是( )
A.1/12 B.24 C.48 D.12
答案:B
解析:原子很小,原子的实际质量也很小。在实际应用中,如果使用原子的实际质量,书写、记忆都很不方便。因此,在国际上不直接使用原子的实际质量,而采用原子的相对质量—相对原子质量。
相对原子质量是:以一种碳原子质量的1/12作为标准其它原子质量和它相比所得的数值就是该种原子的相对原子质量。实际上相对原子质量就是:某原子的实际质量是碳原子实际质量1/12的多少倍,有多少倍相对原子质量就是多少。
3.某原子的相对原子质量为 12 ,核外电子数为 6 ,则此原子中原子核内的中子数为( )
A.6 B.2 C.12 D.18
答案:A
解析:在原子中,质子和中子的质量大约相等,且都约等于一种碳原子质量的1/12,而电子的质量很小,可以忽略不计,原子的质量主要集中在原子核上,所以相对原子质量≈质子数+中子数,而题目中有的是电子数,根据原子不显电性可知:核电荷数=质子数=核外电子数 则中子数为6 。
4.1803 年,英国科学家道尔顿提出了原子学说,其主要论点有:①物质都是由原子构成的;②原子是微小的不可分割的实心球体;③同类原子的性质和质量都相同。从现代观点看,这三个观点中不正确的是( )
A.② B.①、② C.②、③ D.①、②、③
答案:D
解析:(1)原子是构成物质的一种微粒,有些物质由原子直接构成,如稀有气体,而有些物质则由分子(或其他微粒)构成,如水、食盐等;(2)现代结构理论表明物质可无限分割,原子只是物质无限分割层次上的一个微粒,它还可以再分为原子核和核外电子;(3)同类原子(核电荷数相同)化性相同,但质量不同(因其核中质子数相同而中子数不同)。所以,从现代观点看,以上三点都不正确。
5.下列叙述中不正确的是( )
A.直接组成物质的微粒,只能是分子
B.分子是保持物质化学性质的一种微粒
C.分子不一定都比原子大
D.不同物质的分子,化学性质不同
答案:A
解析:物质分为宏观组成—元素,微观构成—分子、原子、离子(以后学),即有的物质由分子构成,有的物质由原子构成,有的物质由离子构成。
6. 下列说法是否正确?
1.原子是构成物质的一种粒子
2.因为二氧化碳里含有氧分子,所以二氧化碳也具有氧气的化学性质
3.一切原子核都是由质子和中子构成
4.原子的质量主要集中在原子核上
5.原子中质子和电子所带电量相等,电性相反,所以整个原子不显电性
答案:1.对 2.错 3.错 4.对 5.对
解析:1.构成物质的微粒有多种,有的物质是由分子构成的,如氧气、水等,有些物质是由原子直接构成的,如铁、氦气等,所以此说法正确。
2.二氧化碳属于纯净物,它是由同一种分子——二氧化碳分子构成,每个二氧化碳分子又是由一个碳原子和两个氧原子构成,其中并不含氧分子,也就不具有氧气的化学性质,所以此说法是错误的。
3.绝大多数原子核都是由质子和中子构成,但是有一种最常见的氢原子核却只有一个质子,而没有中子,所以“一切”的提法是不正确的。
4.原子是由原子核和核外电子构成,原子核又是由质子和中子构成,由于原子质量很小,一个电子的质量只约等于一个质子(或一个中子)质量的1/1836,所以原子的质量主要集中在原子核上。
5.原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子构成,而且原子的核外电子数等于质子数即核电荷数,这样正负电荷的电量相等而且互相抵消,所以原子是显电中性的。
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