在物理和化學(xué)之間的尼爾斯

1、在物理和化學(xué)之間的尼爾斯（下）/編譯的周期性系統(tǒng)1920 年初，不再分子，但對(duì)于化學(xué)方面的探索絲毫沒(méi)有松懈。他拋棄了之前以單一量子數(shù)并且在平面環(huán)繞原子核移動(dòng)的電子為基礎(chǔ)的“薄餅?zāi)Ｐ汀保砸粋€(gè)明顯不同的原子結(jié)構(gòu)模型取而代之。根據(jù)新的，一個(gè)電子有兩個(gè)量子數(shù)，用nk 表示，其中n 是主量子數(shù)，k =1, . . .,n 是角量子數(shù)。電子在三維橢圓軌道移動(dòng)，其離心率取決于n / k 的值。此外,電子在外層軌道的移動(dòng)可能穿會(huì)躍遷至原子內(nèi)層軌道，從而產(chǎn)生一個(gè)耦合的旋轉(zhuǎn)電子。在建立電子結(jié)構(gòu)理論時(shí)，是根據(jù)他所謂的構(gòu)造、施工、原理的順序進(jìn)行展開的：新增的電子數(shù)p和部分完成p-1電子使得p-1 電子的量子數(shù)不會(huì)產(chǎn)

2、生變化，新增電子的n 級(jí)量子數(shù)不同于外層的電子，除非原子的形成過(guò)程屬于新的周期性系統(tǒng)。在 1921 年至 1923在著作和會(huì)議中提出了更復(fù)雜原子模型結(jié)構(gòu)，在 1922 年 12 月 11 日獲得獎(jiǎng)時(shí)他做的中也有提到。在和在其他地區(qū)，他通過(guò)解釋各類原子的電子軌道平面向人們闡述了他的新的化學(xué)元素周期理論。比如，比較簡(jiǎn)單的鋰原子，將它畫成由兩個(gè)交叉的 11 軌道組成的氦結(jié)構(gòu)，外層是單電子的橢圓21 軌道。圖4 是畫出的氙原子。鐳原子更復(fù)雜一點(diǎn)，也是模型的亮點(diǎn)，所有 88 個(gè)軌道都按比例細(xì)致的呈現(xiàn)出對(duì)稱美。圖 4.詳細(xì)的原子插圖，如這個(gè)關(guān)于氙原子(Z = 54)的結(jié)構(gòu)圖，是尼爾斯在 1921 年至 1

3、923講座的一個(gè)內(nèi)容。根據(jù)理論，在原子外部(主量子數(shù)n 3)，每個(gè)軌道 41, 42,和 43 含有六個(gè)電子，最外層軌道 51 和 52 每個(gè)軌道有四個(gè)電子。奇主量子數(shù)的軌道是紅色的，偶量子數(shù)的軌道是黑色的。一些簡(jiǎn)單的橢圓軌道沒(méi)有在圖上顯示，但他們實(shí)際上隨著橢圓慢慢的旋進(jìn)呈現(xiàn)微開的樣子。雖然本圖顯示的是二結(jié)構(gòu)，但實(shí)際情況下原子的電子是在三運(yùn)動(dòng)的。軌道結(jié)構(gòu)圖讓人覺(jué)得電子是一直在既定軌道上運(yùn)動(dòng)的，就像行星和彗星一直繞著轉(zhuǎn)一樣。雖然波爾慎重闡明原子結(jié)構(gòu)圖只是參考性內(nèi)容，而不表示具體真正的原子運(yùn)動(dòng)情況，但當(dāng)時(shí)他顯然對(duì)電子運(yùn)動(dòng)軌道的實(shí)際狀態(tài)沒(méi)有任何質(zhì)疑。盡管這些原子結(jié)構(gòu)圖很吸引E.Pauli）卻發(fā)現(xiàn)，這

4、是一個(gè)基于錯(cuò)誤的電子軌道概念，但年輕的原子模型。泡利（Wolfgang自信已完全理解了電子構(gòu)造的則，如圖 5，他提出自己關(guān)于元素周期表在橫排和豎排安排的原理解釋。更重要的是,這是他首次嘗試從電子構(gòu)造方面解釋由氫到鈾的完整系統(tǒng)性元素周期。還了第 72 號(hào)未知元素，其化學(xué)性質(zhì)應(yīng)該類似于鋯(Z = 40)，這個(gè)在 1923 年得到證實(shí)，在所通過(guò)x 射線光譜分析發(fā)現(xiàn)了這一元素。對(duì)他的理論很有信心，他甚至畫出了仍然處于假設(shè)中的超鈾元素的電子結(jié)構(gòu)圖。因此他了 118 號(hào)元素是惰性氣體，有七個(gè)電子層，每層電子數(shù)量分別為 2，8，18，32，32，18 和 8。而且,118 號(hào)元素是 2006 年通過(guò)重離子碰

5、撞產(chǎn)生，暫時(shí)命名為 ununoctium?，F(xiàn)代計(jì)算結(jié)果顯示的電子結(jié)構(gòu)與的完全一致!圖 5.是 1923 年尼爾斯關(guān)于元素周期表的設(shè)想。71 號(hào)元素(Cp、镥)即今日的镥(Lu),86 號(hào)元素(Nt,氡)即氡。缺失的 75 號(hào)元素(Re,錸)在 1925 年通過(guò)x 射線光譜分析被發(fā)現(xiàn),運(yùn)用同樣方法，也發(fā)現(xiàn)了 1923 年初鉿的存在。的顯著成就并不是靠詳細(xì)的計(jì)算得來(lái)。那么，他是怎樣獲得成功的呢?本人強(qiáng)調(diào),他的理論都是基于物理原理的一般特性，如構(gòu)造學(xué)原理以及他最喜歡的理論工具對(duì)應(yīng)原理。他認(rèn)為,理論的建立不能僅僅通過(guò)對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的歸納得來(lái)。但事實(shí)上，的元素周期系統(tǒng)理論很大程度上是基于化學(xué)和物理的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6、和事實(shí)；包括元素的原子體積、磁性和電化學(xué)性質(zhì),電離能、光學(xué)數(shù)據(jù),和x 射線光譜數(shù)據(jù)。如果他沒(méi)有扎實(shí)的無(wú)機(jī)化學(xué)基礎(chǔ)，可能也無(wú)法建立起原子模型。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家和化學(xué)家認(rèn)為通過(guò)量子理論已經(jīng)推導(dǎo)出了元素的原子結(jié)構(gòu)，但畢竟從量子理論。又經(jīng)過(guò)一段時(shí)間，的理論才被認(rèn)可為藝術(shù)精品，盡管其中含糊的存在一般物理學(xué)的原理和一些經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),而且后者占比不少于前者。荷蘭物理學(xué)家亨(Hendrik Kramers)，他是在1916 年至 1926的助理，他寫道,“在國(guó)外，許多物理學(xué)家認(rèn)為當(dāng)時(shí)的元素周期性理論是根據(jù)單個(gè)原子構(gòu)造一個(gè)個(gè)計(jì)算得來(lái)的，而事實(shí)上,已經(jīng)創(chuàng)建并闡述出了高端的光譜性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的一角?！钡还茉趺凑f(shuō),的理

7、論只是短暫存在的,很快就被 Edmund Stoner 和泡利的優(yōu)越理論取代了。在化學(xué)上解釋得通，在物理上卻無(wú)法解釋試圖將他的原子理論延伸到化學(xué)反應(yīng)領(lǐng)域，收到許多化學(xué)家的不同回應(yīng)。在理論建立后的第一年,大多數(shù)化學(xué)家都忽略它，可能他們覺(jué)得這個(gè)理論難以理解，而且對(duì)解決化學(xué)問(wèn)題幫助不大。這個(gè)理論無(wú)法解釋碳原子的四面體構(gòu)型原子中電子的雜化軌道，甚至對(duì)于簡(jiǎn)單的氫分子也無(wú)法適用，這就更讓他們覺(jué)得這個(gè)理論在化學(xué)問(wèn)題上沒(méi)什么作用。盡管如此，大約從 1920 年開始，許多無(wú)機(jī)和物理化學(xué)教科書上還是會(huì)簡(jiǎn)要提到這個(gè)新原子理論。但是， 1919 年英國(guó)化學(xué)家在他的一本叫物理化學(xué)體系的書中，詳細(xì)介紹了化學(xué)家們對(duì)寫于 1

8、913 年中的理論內(nèi)容。的原子理論沒(méi)有任何好感，尤其是在 1921 年底（Richard Dolman）多的中，稱的原子理論只是“所謂的量子理論”。作為一位杰出的物理化學(xué)家和理論物理學(xué)家(后來(lái)是相對(duì)論宇宙學(xué)中的)，深諳原子的量子理論技術(shù)，但從化學(xué)家的角度來(lái)看，他認(rèn)為這個(gè)理論仍缺乏說(shuō)服力。“沒(méi)有化學(xué)家會(huì)認(rèn)為碳原子是由帶正電的原子核和單軌道運(yùn)動(dòng)的核外電子組成,”他顯然沒(méi)有的理論又做了新的拓展。在更基礎(chǔ)的層面上,他不贊同的理論基礎(chǔ)，特別是其對(duì)狀態(tài)和量子跳躍的光譜發(fā)射機(jī)理的假設(shè)。如果電子不以相應(yīng)頻率進(jìn)行振動(dòng)，原子又是怎樣發(fā)出單色光的呢?他代表化學(xué)家，表達(dá)了他們對(duì)理論的一致觀點(diǎn)“物理學(xué)家，他們荒謬的認(rèn)為

9、電子像在煎餅一樣的平面軌道運(yùn)動(dòng)的原子理論，鄙視他們按照自己的意愿去修改理論，想方設(shè)法讓維生素“h”進(jìn)入了他們自己的重要，完全滿意，原子”。一些意見(jiàn)被其它物理化學(xué)家一再重復(fù)和放大，最有力的者當(dāng)屬加州大學(xué)伯分校的（Gilbert Lewis），他認(rèn)為的理論與基本能量守恒原理相悖。盡管他如此批評(píng)的理論，他對(duì)于的想法還是非常感的。早在 1916 年當(dāng)時(shí)在化學(xué)界還沒(méi)有什么名氣，化學(xué)家就邀請(qǐng)他來(lái)做講座。遺憾的是，當(dāng)時(shí)不得不謝絕邀請(qǐng)。主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的化學(xué)家們覺(jué)得模型無(wú)法解釋分子的化合價(jià)和結(jié)構(gòu)，在這方面他們認(rèn)為還是不如朗（Langmuir）、和其他一些人化學(xué)模型?；瘜W(xué)家們非常推崇立方原子模型，電子固定在立方體

10、的角落，兩個(gè)原子之間有一對(duì)共用的電子，形成共價(jià)鍵。這樣，化學(xué)家可以初步通過(guò)化學(xué)事實(shí)來(lái)建立分子化合物的結(jié)構(gòu)模型，但這樣也是有悖于原子和量子物理學(xué)的基本原理的?，F(xiàn)在的關(guān)鍵問(wèn)題是，那些在化學(xué)上說(shuō)得通的原理在物理上卻說(shuō)不通。在立方原子模型中，原子是處于靜態(tài)的，但在原子模型中，原子是動(dòng)態(tài)的。化學(xué)家們認(rèn)為，一個(gè)電子在其軌道上高速運(yùn)動(dòng)，是不可能保持固定位置的?？傊蠖鄶?shù)化學(xué)家認(rèn)為有用的原子模型與和他同事在量子理論中覺(jué)得必要的標(biāo)準(zhǔn)相悖。雖然這樣的理由足夠讓物理學(xué)家們拋棄靜態(tài)模型，但是化學(xué)家們根據(jù)自己的在物理學(xué)界被奉為的原子結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)。在某種程度上，二十世紀(jì)二十年代早期，需要，不愿意接受的動(dòng)態(tài)原子論和化學(xué)界的靜

11、態(tài)原子論的本質(zhì)上是基于兩種不同的科學(xué)文化：物理學(xué)家和化學(xué)家關(guān)于科學(xué)理論制定的標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有。在這種大環(huán)境下，盡管和朗的模型對(duì)解釋一些化學(xué)方面的問(wèn)題可能很有幫助，沒(méi)有再花耐心去進(jìn)行。他認(rèn)為他們的模型只是一些描述性理論，缺乏物理根據(jù)。二十世紀(jì)二十年代初期了人們?cè)噲D協(xié)調(diào)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模型的努力，特別是希望能把原子模型能對(duì)應(yīng)運(yùn)用到靜態(tài)原子中去。這期間出現(xiàn)了一些混合模型，共價(jià)鍵模型就是其中之一兩個(gè)或多個(gè)原子共同使用它們的外層電子。雖然所謂的 “朗原子”是比較受化學(xué)家認(rèn)可的，但他依舊不愿意為化學(xué)方面而改變量子理論框架的相關(guān)內(nèi)容。即將來(lái)臨的量子化學(xué)然而絕大部分的化學(xué)家認(rèn)為的模型在原子價(jià)和分子領(lǐng)域是沒(méi)有價(jià)值的，他們更傾

12、向于他有關(guān)周期性的理論。據(jù)物理化學(xué)的開拓者和 1920 年將得主瓦爾特奈(Walther Nernst)所述，鉿元素的發(fā)現(xiàn)證明了理論在本質(zhì)上是正確的。此外，的量子理論也證明了化學(xué)的分支分子光譜的價(jià)值所在，這個(gè)分支也被認(rèn)為是化學(xué)物理學(xué)。這類交叉學(xué)科領(lǐng)域后來(lái)慢慢變成二十世紀(jì)二十年代年早期的一個(gè)重要的分支，這在很大程度上歸功于的原子和分子結(jié)構(gòu)量子物理學(xué)。雖然最開始和最富抱負(fù)的工程是想要確立關(guān)于原子和分子一般性理論這對(duì)物理和化學(xué)都具有同樣重要的意義最終失敗了，但這不無(wú)意義。從某些方面看，量子力學(xué)的出現(xiàn)和其后來(lái)二十世紀(jì)二十年代晚期發(fā)展成的量子化學(xué)也算實(shí)現(xiàn)了他的雄心壯志。另一方面，物理學(xué)家們和化學(xué)家們之間

13、的由于量子力學(xué)的出現(xiàn)而被加劇了。這個(gè)新理論不僅因?yàn)樗某橄笮院蛿?shù)學(xué)復(fù)雜性讓化學(xué)家們感到費(fèi)解，而且似乎也和以前的理論一樣在化學(xué)應(yīng)用方面毫無(wú)建樹。量子化學(xué)的第一次突破性進(jìn)展由（Walter Heitler）和倫敦（Fritz先進(jìn)的理論物理的文London）的關(guān)于 H2（重氫）鍵的完整的量力力學(xué)形式的描述是物理學(xué)家化的產(chǎn)物，當(dāng)時(shí)他們對(duì)結(jié)構(gòu)化學(xué)的問(wèn)題一無(wú)所知或者說(shuō)毫不關(guān)心。倫敦對(duì)化學(xué)中的原子價(jià)模型嗤之以鼻。正如他給蹈矩。”的那份帶著傲慢的信上所寫“化學(xué)家都是榆木腦袋，即使讓他感到很費(fèi)解，他也需要循規(guī)直到二十世紀(jì)三十年代，（Linus Pauling）的重要工作才清楚的表明了化學(xué)事實(shí)和推理模式對(duì)量子化學(xué)的成功有著的作用。新一代的量