网站地图
原子模型

原子模型是人们对物质世界微观结构的认识而建立的模型。目前人们普遍接受的原子模型为由原子核(质子和中子)和电子构成,电子绕核做不规则运动,形成的电子云模型。原子模型最早由英国科学家道尔顿(Dalton)在1983年提出,经过汤姆逊(Thomson)、卢瑟福(Rutherford)、波尔(Bohr)等人的改进与完善,进而形成了近代原子模型。

人类认识原子的历史是漫长的、也是无止境的。原子结构模型是科学家根据自已的认识对原子结构的形象描体,一种模型代表了人类对原子结构认识的一个阶段。 原子模型主要经历了道尔顿原子模型、汤姆逊原子模型、卢瑟福的含核原子模型及波尔原子模型等几个重要阶段,简明形象地表示出了人类对原子结构认识逐步深化的变过程。

随着经验知识的积累,随着对客观世界认识的不断深人,道尔顿(Dalton,英国)于1803年提出的原子学说与古老的原子论有本质的区别,道尔顿原子学说的要点如下:

(1)原子是最小的、不能再分割的实心球体,同种元素的原子是相同的,如体积、质量以及化学性质等,但不同元素的原子是不同的;
  (2)化合物是由两种成两种以上元素的原子组成的,在化合物中,任意两种元素的原子数之比不是一个整数就是一个简单的分数;
  (3)化学反应就是不同原子的分离、结合成重新组合,而没有原子的创生或消失。

道尔原子学说不仅能够充分解释已有的化学基本定律(如质量守恒定律、当量定律等),面且能与实验事实相互印证,从而使该学说去掉了哲学面纱,真正成为一种科学理念,道尔顿原子学说的建立,标志着人类对物质结构的认识前进了一大步,为物理学、化学和生物学的发展奠定了重要的理论基础,特别是打开了化学学科汹涌澎湃、迅速发展的闸门,但另一方面,由于当时科学水平和实验条件的限制,原子不可分割的思想在较长一段时间阻碍了物质结构理论的进一步发展。

到了1890年,人们发现在高电压的作作用下,阴极射线管的阴极会发出一种看不见的射线,这种射线向阳极移动,但如果在玻璃质的射线管表面徐一层硫化锌,则阴极射线会以绿色荧光的形式展现在人们面前,进一步通过该射线与磁场相互作用的实验发现,这种射线是由带负电荷的粒子流组成的,如图所示,人们把这种带负电荷的粒子叫做电子,到了20世纪初,已积累的大量实验结果表明:所有原子中都包含有电子,紧接着又相堆发现了X射线和放射性衰变。种种迹象表明,原子并非不可分割,原子中既包含带负电荷的电子,也包含带正电荷的原子核,而且原子也可以发生变化。进一步从电子的荷质比(即所带的电量与其质量之比e/m)测定结果发现,电子的质量远小于整个原子的质量,在此基础上,汤姆孙(Tomson,英国)于1904年提出了新的原子模型,即原子是球形胶冻状的颗粒,其中均匀分布着一定数量的正电荷,并且在这个球形胶冻状的颗粒上镶嵌着一定数量的电子,但是原子作为一个整体是电中性的,其中包含的正电荷数目和负电荷数目相等。

20世纪初,物理学家卢瑟福(Rutherford,英国)等人做了多次α粒子(即氦原子核He)散射实验,如图7所示。结果是α粒子受到铂薄膜散射时,绝大多数的散射角在2“~3”之间,但是约有1/8000的α粒子的散射角大于90°,其中还有接近180°的,该实验结果用汤姆孙原子模型是无法解释的,因此,卢瑟福于1911年提出了含核原子模型,他认为在原子中心,有一个带正电的、体积很小的,几乎集中了全部原子质量的原子核。在原子核外有与原子核所带正电荷数目相同的电子,这些电子在原于核外绕核高速旋转。原子核的直径大约在10^-15~10^-14m之间,而原子直径通常约为10^-10m。

卢福的含核原子模型虽然简单易懂,但是用该模型无法解释随后不久发现的线状氢光谱,我们们知道,当日光通过一个棱镜时,会得到如同彩虹一样的色带。随着透射光的颜色依红、橙、黄、绿、青、蓝、紫的次序变化,其波长是连续变化的,即得到的是连续光谱,我们把这种连续光谱称为带状光谱。与此形成鲜明对照的是,如果在一个密封的玻璃管中装有稀薄的氢气并使其灼热发光,此光被校镜分解后得到的是一组具有不同波长的线状光。这组线状光谱由一条条波长确定的光线组成,而不是波长连续变化的带状光谱,如图所示。

根据经典的电磁理论,电子绕原子核高度旋转时必然会发射电磁波,与此同时电子的能量会逐渐减小,最终电子会落到原子核上,这时原子就毁灭了,用经典电磁理论分析得到的这种结论显然与事实不符,其根本原因在于卢瑟福的含核原子模型仍有不足之处,为了说明氢原子光谱的实验结果,玻尔(Bohr,丹麦)于1913年结合已有的实验结果,并引用普朗克的量子理论即徽观粒子不能以连续的电磁波形式吸收或发射能量,而只能不连续地,一份一份地吸收或发射能量,提出了玻尔原子模型,玻尔原子模型要点如下:

(1)核外电子只能在一些特定的具有一定能量的圆形轨道上运动,这种运动不吸收也不放出能量,即在电子运动过程中原子的能量不变。把这种运动状态叫做定态(stationarystate),在不同轨道上运动的电子就处于不同的定态。

(2)当电子在离核最近的轨道上运动时电子的能量最低,把这种定态称为基态(groundstate),通常各原子都处于基态,当外界供给能量时,处于基态的电子就有可能吸收能量而被激发跳跃到离核较远的、能量较高的轨道上运动,把这种能量较高的定态叫做液发态(excited state)。

(3)当电子在不同定态之间跃迁时,会随能量的吸收或放出。如果是以电磁波的形式吸收或放出能量,则电磁波的频率v与两个定态间的能量差△E的关系如下:

ΔE=|

其中,h=6.626×10^-34Js,h为普朗克常数。

由于不同定态(亦即不同能级)的能量E1、E2,…是分立的、不连续的,所以吸收或发射光谱的频率(或者波长)也是分立的、不连续的,其光谱是线状光谱。

虽然用玻尔原子模型可以说明简单的氢原子光谱,但这只是其成功的一面。实际上,用分辨率很高的仪器时,上述图所示的每一条氢原子谱线都是由波长很接近的几条谱线组成的,用玻尔原子模型无法说明这种氢原子光谱的精细结构,也不能说明多电子原子光谱,这说明玻尔原子模型也有它的不足之处。尽管如比,玻尔理论第一次把光谱实验事实纳人了一个理论体系中,在含核原子模型的基上提出一种动态的原子结构轮席。该理论指出了经典物理学不能完全适用于微观粒子,提出了微观粒子运动特有的量子规律,开辟了当时原子物理学向前发展的新途径.


相关文章推荐:
原子核 | 质子 | 中子 | 电子 | 道尔顿 | 汤姆孙 | 卢瑟福 |
相关词汇词典