看不见的东西，怎么知道它长什么样？
给你一个封好的盒子，不许打开，只能摇一摇、听一听、称一称，你能猜出里面装的是什么吗？科学家研究原子时就是这样：原子小到看不见，他们只能根据实验现象提出一个模型model，再用新的实验去检验它。现象解释不了，就修改模型。
原子模型的一百多年
点下面的年份，看看每位科学家提出了什么模型、依据了什么证据、又留下了什么问题：
实心球模型
关键证据化学反应中，元素总是按一定的质量比相互结合。
模型要点物质由原子构成；原子是不可再分的实心小球；同种元素的原子质量和性质都相同。
还解释不了后来发现，原子里还有更小的粒子：电子。
葡萄干布丁模型（1904 年提出）
关键证据研究阴极射线时发现了电子：它带负电，比最轻的原子还要轻得多，而且各种原子里都有。
模型要点原子是一个带正电的球体，电子像葡萄干一样嵌在里面，正、负电荷总数相等，所以原子不显电性。
还解释不了α 粒子散射实验中，少数 α 粒子发生了大角度偏转，极少数甚至被弹回。
核式结构模型
关键证据α 粒子散射实验：绝大多数 α 粒子直线穿过金箔，少数发生大角度偏转，极少数被弹回。
模型要点原子中心有一个体积很小、带正电、几乎集中了全部质量的原子核，电子在核外很大的空间里绕核运动。
还解释不了绕核运动的电子为什么不会掉进原子核？氢原子为什么只发出几种特定颜色的光？
分层模型（轨道模型）
关键证据氢原子发出的光只有几种特定的颜色（线状光谱）。
模型要点电子只能在几个特定的、能量不同的轨道上运动，离核越远能量越高。这就是电子分层排布的由来。
还解释不了能很好地解释氢原子，却解释不了含有多个电子的原子。
电子云模型（现代模型）
关键证据电子既有粒子的性质，又有波的性质，无法同时确定它的位置和运动轨迹。
模型要点电子没有确定的轨道，只能说它在核外各处出现的可能性有大有小；“云”浓的地方，电子出现的机会多。1932 年查德威克又发现了中子，原子核由质子和中子构成。
α 粒子散射实验
1909 年，卢瑟福的学生盖革和马斯登用带正电的 α 粒子（氦原子核，质量约为电子的 7300 倍）轰击极薄的金箔，观察 α 粒子穿过金箔后的方向。1911 年，卢瑟福根据实验结果提出了核式结构模型。
选一种模型，多发射几批 α 粒子，比较两种模型预测的结果：
- 几乎直线穿过 0
- 发生明显偏转 0
- 被反弹回来 0
示意图：为了看得清，原子核画大了，偏转的比例也放大了。真实实验中，大约 8000 个 α 粒子里才有 1 个偏转超过 90°。
真实的实验结果和卢瑟福模型的预测一致，和汤姆孙模型的预测不一致：如果正电荷均匀地分散在整个原子里，就不可能把又重又快的 α 粒子弹回来。卢瑟福后来回忆，这就像“用大炮轰一张纸，炮弹却被弹了回来”。
例题 1：从现象到结论
α 粒子散射实验有三个现象，分别能推出什么结论？
- 绝大多数 α 粒子直线穿过金箔。 说明原子内部绝大部分是空的。
- 少数 α 粒子发生较大角度的偏转。 α 粒子带正电，受到了斥力，说明原子中有带正电的部分，而且电荷很集中。
- 极少数 α 粒子被弹回。 说明这个带正电的部分体积很小，但质量很大，几乎集中了原子的全部质量：这就是原子核。
例题 2：为什么不是电子把 α 粒子弹回来的？
- 比质量。 α 粒子的质量约为电子的 7300 倍。
- 类比。 这就像一颗保龄球撞上一粒乒乓球：保龄球几乎不受影响，更不可能被弹回去。
- 结论。 能把 α 粒子弹回的，只能是质量比 α 粒子大得多、又带正电的东西：金原子的原子核。
- 发现了电子
1897 年，汤姆孙在研究阴极射线时发现了电子。
- 认为原子是不可再分的实心小球
这是道尔顿原子论的观点。
- 根据 α 粒子散射实验提出了原子核
1911 年，卢瑟福提出了核式结构模型。
- 提出电子在几个特定的轨道上分层运动
1913 年，玻尔提出了分层（轨道）模型。
- 提出了“葡萄干布丁”模型
电子像葡萄干一样嵌在带正电的“布丁”里。
- 用原子解释“元素按一定的质量比结合”
道尔顿用原子论解释了化学反应中的质量比规律。
- 解释了氢原子为什么只发出几种特定颜色的光
电子在不同能量的轨道之间跳跃时，发出特定颜色的光。
- 认为原子里绝大部分是空的
绝大多数 α 粒子直线穿过金箔，说明原子里大部分是空的。
常见误区
误区 1：“新模型证明旧模型完全错了。” 每个模型都能解释它那个时代的实验事实。出现新的证据后，模型被修正和完善，而不是被全盘推翻。道尔顿的“原子”这个核心思想至今仍然成立。
误区 2：“电子云就是很多电子聚成的一团云。” 电子云描述的是电子在核外各处出现的可能性大小，不是真的有一团电子组成的云。氢原子只有 1 个电子，也有电子云。
误区 3：“原子核很大，所以有 α 粒子被弹回。” 正好相反：被弹回的 α 粒子极少，说明原子核很小，α 粒子很少有机会正对着它撞上去。
即时小测
α 粒子散射实验中，极少数 α 粒子被弹回，说明？
能把又重又快、带正电的 α 粒子弹回的，只能是质量很大、带正电、而且体积很小的原子核。A 是“绝大多数直线穿过”说明的。
下列原子模型，按提出的先后顺序排列正确的是？
道尔顿（1803）→ 汤姆孙（1897 发现电子）→ 卢瑟福（1911）→ 玻尔（1913）。
小结
- 道尔顿（1803）：实心球模型；汤姆孙（1897 发现电子）：葡萄干布丁模型；卢瑟福（1911）：核式结构模型；玻尔（1913）：分层模型；现代：电子云模型。
- α 粒子散射实验：绝大多数直线穿过（原子里大部分是空的），少数大角度偏转、极少数被弹回（原子核带正电、体积很小、质量很大）。
- 科学模型根据实验证据提出，又随着新的证据不断修正。
通往 AP（以后再看）
“根据证据提出或修正模型”正是 AP 科学实践 6（论证）。阶段二的 2.2.1 节会完整地讲原子模型的发展，2.2.2、2.2.3 节会讲玻尔模型背后的光谱和能级。AP U1.6 的光电子能谱（PES）则从实验上直接“看到”了电子的分层。