形形色色的原子模型

1、形形色色的原子模型原子結(jié)構(gòu)的探索過程|行星結(jié)構(gòu)模型|中性模型|實心帶電球模型|葡萄干蛋糕模型| 土星模型|太陽系模型|玻爾模型|從英國化學(xué)家和物理學(xué)家道爾頓(J.John Dalton , 17661844)(右圖)創(chuàng)立原子學(xué)說以后，很長時間內(nèi)人們都認(rèn)為原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球，里面再也沒有什么花樣了。從1869年德國科學(xué)家希托夫發(fā)現(xiàn)陰極射線以后，克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等一大批人科學(xué)家研究了陰極射線，歷時二十余年。最終，湯姆遜(Joseph John Thomson )發(fā)現(xiàn)了電子的存在(請瀏覽科技園地“神秘的綠色熒光”)。通常情況下，原子是不帶電的，既然從原子中 能跑出比它質(zhì)

2、量小1700倍的帶負(fù)電電子來，這說明原子內(nèi)部還有結(jié)構(gòu)，也說明原子里還存 在帶正電的東西，它們應(yīng)和電子所帶的負(fù)電中和，使原子呈中性。原子中除電子外還有什么東西？電子是怎么待在原子里的？原子中什么東西帶正電荷? 正電荷是如何分布的？帶負(fù)電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的？ 一大堆新問題擺 在物理學(xué)家面前。根據(jù)科學(xué)實踐和當(dāng)時的實驗觀測結(jié)果，物理學(xué)家發(fā)揮了他們豐富的想象力，提出了各種不同的原子模型。行星結(jié)構(gòu)原子模型1901 年法國物理學(xué)家佩蘭(Jean Baptiste Perrin， 1870-1942)(左圖)提出的結(jié)構(gòu)模型，認(rèn)為原子的中心是一些帶正電的粒子，外圍是一些繞轉(zhuǎn)著的電子，電子繞轉(zhuǎn)的

3、周期對應(yīng)于原子發(fā)射的光譜線頻中性原子模型 Back率，最外層的電子拋出就發(fā)射陰極射線。1902年德國物理學(xué)家勒納德(Philipp Edward Anton Lenard，1862-1947)(右圖)提出了中性微粒動力子模型。勒納德早期的觀察表明，陰極射線能通過真空管內(nèi)鋁窗而至管外。根據(jù)這種觀察，他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰極射線能通過數(shù)千個原子。按照當(dāng)時盛行的半唯物主義者的看法，原子的 大部分體積是空無所有的空間，而剛性物質(zhì)大約僅為其全部的10-9（即十萬萬分之一）。勒納德設(shè)想“剛性物質(zhì)”是散處于原子內(nèi)部空間里的若干陽電和陰電的合成體。實心帶電球原子模型英國著名物理學(xué)家、發(fā)明家開爾

4、文（Lord Kelvin，18241907 （左 圖）原名W.湯姆孫（William Thomson），由于裝設(shè)第一條大西洋海 底電纜有功，英政府于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開爾 文勛爵，開始用開爾文這個名字。開爾文研究范圍廣泛，在熱學(xué)、電 磁學(xué)、流體力學(xué)、光學(xué)、地球物理、數(shù)學(xué)、工程應(yīng)用等方面都做出了貢獻(xiàn)。他一生發(fā)表論文多達(dá)600余篇，取得70種發(fā)明專利，他在當(dāng)時科學(xué)界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型，就是把原子看成是 均勻帶正電的球體，里面埋藏著帶負(fù)電的電子，正常狀態(tài)下處于靜電平衡。這個模型后由J.J.湯姆孫加以發(fā)展，后來通稱湯姆孫原子模型。J.Th

5、omson-實心帶電原子理論J. J.湯姆生的原子模型在1910年之前是影響最大的一種。他根據(jù)1902年開爾文提出的 實心帶電球的想法，對原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行長期的研究，于1904年發(fā)表論文，題為:論原子的構(gòu) 造:關(guān)于沿一圓周等距分布的一些粒子的穩(wěn)定性和振蕩周期的研究在這篇論文里，他運用經(jīng)典力學(xué)理論，根據(jù)電荷之間的平方反比作用力進(jìn)行了大量計算，求 證電子穩(wěn)定分布所應(yīng)處的狀態(tài)。他假設(shè)原子帶正電的部分像”流體” 一樣均勻分布在球形的 原子體積內(nèi)，而負(fù)電子則嵌在球體的某些固定位置。電子一方面要受正電荷的吸引，一方面 又要自相排斥，因此，必然有一種狀態(tài)可使電子平衡。他證明這些電子必然組成環(huán)，然而六 個以上的電

6、子不能穩(wěn)定在一個環(huán)上，數(shù)目更多就要組成二個以上的環(huán)。在湯姆生的原子模型中最重要的是原子內(nèi)的電子數(shù)n。開始他根據(jù)電子荷質(zhì)比實驗，得知 電子質(zhì)量，再假設(shè)正負(fù)電荷具有對稱的性質(zhì)，估計原子中的電子數(shù)n約為原子量A的一 千倍，即n=l000A這個數(shù)究竟符不符合實際，唯一的檢驗標(biāo)準(zhǔn)就是實驗。為此，湯姆遜設(shè) 計了 X射線和B射線的散射實驗，希望通過射線和原子中電子的相互作用，證明原子內(nèi) 部電子的數(shù)目。然而，從巴克拉（Barkla）的散射實驗，得到的結(jié)果是n=2A;而從B散射 實驗，得到333333333據(jù)此湯姆遜判定n與A同數(shù)量級。1910年，克勞瑟根 據(jù)湯姆遜的B散射理論，推證得出n=3A，而盧瑟福從a散

7、射實驗得到3333333。這是湯姆生和他的學(xué)生對原子理論作出的一項重大貢獻(xiàn)。這些工作的意義不僅在 于打破了原子中正負(fù)電荷互相對稱的觀念，而且由此導(dǎo)致了 a大角度散射實驗 -證實了原子核的存在葡萄干蛋糕模型湯姆遜(Joseph John Thomson，1856-1940)(右圖)繼續(xù)進(jìn)行更有系統(tǒng)的研究，嘗試來描繪原子結(jié)構(gòu)。湯姆遜以為原子含有一個均勻的陽電球，若干陰性電子在這個球體內(nèi)運行。他按照邁耶爾(Alfred Mayer)關(guān)于浮置磁體平衡的研究證明，如果電子的數(shù)目不超過某一限度，則這些運行的電子所成的一個環(huán)必能穩(wěn)定。如果電子的數(shù)目超過這一限度，則將列成兩環(huán)，如此類捱以至多環(huán)。這樣，電子的增

8、多就造成了結(jié)構(gòu)上呈周期的相似性，而 門得列耶夫周期表中物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的重復(fù)再現(xiàn)，或許也可得著解釋了。湯姆遜提出的這個模型，電子分布在球體中很有點像葡萄干點綴在一塊蛋糕里，很多人 把湯姆遜的原子模型稱為“葡萄干蛋糕模型”。它不僅能解釋原子為什么是電中性的，電子 在原子里是怎樣分布的，而且還能解釋陰極射線現(xiàn)象和金屬在紫外線的照射下能發(fā)出電子的 現(xiàn)象。而且根據(jù)這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米，這是件了不起的事情，正由 于湯姆遜模型能解釋當(dāng)時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學(xué)家所接受。土星模型日本物理學(xué)家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro, 1865-1950)1903年12

9、月5日在東京數(shù)學(xué) 物理學(xué)會上口頭發(fā)表，并于1904年分別在日、英、德的雜志上刊登了說明線狀和帶狀光 譜及放射性現(xiàn)象的原子內(nèi)的電子運動的論文。他批評了湯姆生的模型，認(rèn)為正負(fù)電不能相 互滲透，提出一種他稱之為“土星模型”的結(jié)構(gòu)一一即圍繞帶正電的核心有電子環(huán)轉(zhuǎn)動的原 子模型。一個大質(zhì)量的帶正電的球，外圍有一圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周 運動。電子的徑向振動發(fā)射線光譜，垂直于環(huán)面的振動則發(fā)射帶光譜，環(huán)上的電子飛出是6 射線，中心球的正電粒子飛出是a射線。這個土星式模型對他后來建立原子有核模型很有影響。1905年他從a粒子的電荷質(zhì)量比值的測量等實驗結(jié)果分析，a粒子就是氦離子。1908年，瑞士

10、科學(xué)家里茲(Leeds )提出磁原子模型他們的模型在一定程度上都能解釋當(dāng)時的一些實驗事實，但不能解釋以后出現(xiàn)的很多新的實驗結(jié)果，所以都沒有得到進(jìn)一步的發(fā)展。數(shù)年后，湯姆遜的“葡萄干蛋糕模型”被自己 的學(xué)生盧瑟福推翻了。太陽系模型一一有核原子模型英國物理學(xué)家歐內(nèi)斯特盧瑟福(Ernest Rutherford，1871 1937) 1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學(xué)習(xí)，成為湯 姆遜第一位來自海外的研究生。盧瑟福好學(xué)勤奮，在湯姆遜的指導(dǎo)下， 盧瑟福在做他的第一個實驗一一放射性吸收實驗時發(fā)現(xiàn)了a射線。盧瑟福設(shè)計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器 上只留一個小

11、孔。由于鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很 窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線不受磁鐵的 影響，保持直線行進(jìn)。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉(zhuǎn)得不厲害。第三種射線 偏轉(zhuǎn)得很厲害。盧瑟福在放射線的前 進(jìn)方向放不同厚度的材 料，觀察射線被吸收的情 況。第一種射線不受磁場 的影響，說明它是不帶電 的，而且有很強的穿透力， 一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進(jìn)，只有比較厚的鉛板才可以把它完全 擋住，稱為Y射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種 射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張

12、紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福 發(fā)現(xiàn)的a射線。第三種射線由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負(fù)電的，性質(zhì)同快速運動的電子一樣，稱為 6射線。盧瑟福對他自己發(fā)現(xiàn)的a射線特別感興趣。他經(jīng)過深入細(xì)致的研究后指出，a射線 是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子?！坝嫈?shù)管”是來自德 國的學(xué)生漢斯-蓋革(Hans Geiger , 1882-1945)發(fā)明的， 可用來測量肉眼看不見 的帶電微粒。當(dāng)帶電微g啊 Coumwr 和gMv ZuiiaCiJKi *t4Eh*irrrm粒穿過計數(shù)管時，計數(shù)管就發(fā)出一個電訊號，將這個電訊號連到報警器上，儀器就會發(fā)出“咔 嚓”一響，指示燈也會亮一下?？床灰娒?/p>

13、著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。 人們把這個儀器稱為蓋革計數(shù)管。藉助于蓋革計數(shù)管，盧瑟福所領(lǐng)導(dǎo)的曼徹斯特實驗室對a 粒子性質(zhì)的研究得到了迅速的發(fā)展。1910年馬斯登(E.Marsden，1889-1970)來到曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福讓他用a粒子去轟擊金箔，做練習(xí)實驗，利用熒光屏記錄那些穿過金箔的a粒子。 按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶 正電的物質(zhì)中，而a粒子是失去兩個電子的氮原子，它的質(zhì)量要 比電子大幾千倍。當(dāng)這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子 是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個原子體積 中，也不可能抵擋住a粒子的轟擊。也就是說，a粒子將很容易

14、 地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是a粒子穿過金箔 后稍微改變一下前進(jìn)的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經(jīng) 做過多次，他們的觀測結(jié)果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。a粒子受金原子的影響 稍微改變了方向，它的散射角度極小。馬斯登(左圖)和蓋革又重復(fù)著這個已經(jīng)做過多次的實驗，奇跡出現(xiàn)了!他們不僅觀察到 了散射的a粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的a粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描 述過當(dāng)時的情景，他說：“我記得兩三天后，蓋革非常激動地來到我這里，說：我們得到 了一些反射回來的a粒子.，這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著卷煙紙射 出一顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中一

15、樣地不可思議。經(jīng)過思考之后，我認(rèn)識 到這種反向散射只能是單次碰撞的結(jié)果。經(jīng)過計算我看到，如果不考慮原子質(zhì)量絕大部分都 集中在一個很小的核中，那是不可能得到這個數(shù)量級的?！眀cident a 纓particles 夢LN：皿 WEHMUmK叫 LF ： LKLE:日resit; icu icdurNucleusAtoms 01 goid 扣it盧瑟福所說的“經(jīng)過思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后， 他才大膽地提出了有核原子模型，推 翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原 子模型。盧瑟福檢驗了在他學(xué)生的實驗中 反射回來的確是a粒子后，又仔

16、細(xì)地 測量了反射回來的a粒子的總數(shù)。測 量表明，在他們的實驗條件下，每入射八千個a粒子就有一 個a粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶 電粒子的散射理論只能解釋a粒子的小角散射，但對大角度 散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結(jié) 果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個a粒子就有一個反射回來的觀察結(jié)果相差 太遠(yuǎn)。湯姆遜原子模型不能解釋a粒子散射，盧瑟福經(jīng)過仔細(xì)的計算和比較，發(fā)現(xiàn)只有假設(shè)正 電荷都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)，a粒子穿過單個原子時，才有可能發(fā)生大角度的散射。也 就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內(nèi)。在這個假設(shè)的基礎(chǔ)上，盧瑟 福進(jìn)一步計算了

17、。散射時的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登 的一系列漂亮的實驗所證實。盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負(fù)電的電子像繞著太 陽轉(zhuǎn)的行星。在這個“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原 子中帶正電的物質(zhì)集中在一個很小的核心上，而且原子質(zhì)量的絕大部分也集中在這個很小的 核心上。當(dāng)a粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去（左圖）。這就圓滿地解釋 了。粒子的大角度散射。盧瑟福發(fā)表了一篇著名的論文物質(zhì)對a和6粒子的散射及原理結(jié) 構(gòu)。盧瑟福的理論開拓了研究原子結(jié)構(gòu)的新途徑，為原子科學(xué)的發(fā)展立下了不朽的功勛。然 而，在當(dāng)時很長的一段

18、時間內(nèi)，盧瑟福的理論遭到物理學(xué)家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在 的致命弱點是正負(fù)電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求，即無法解釋電子是如何穩(wěn)定地 待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。因此，當(dāng)盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學(xué)家都把它看作是一 種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據(jù)的堅實的實驗基礎(chǔ)。段，不必考取決于原子當(dāng)年他在給Wavelength盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常 常能夠抓住本質(zhì)作出科學(xué)的預(yù)見。同 時，他又有十分嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，他 從實驗事實出發(fā)作出應(yīng)該作出的結(jié) 論。盧瑟福認(rèn)為自己提出的模型還很 不完善

19、，有待進(jìn)一步的研究和發(fā)展。 他在論文的一開頭就聲明：“在現(xiàn)階 慮所提原子的穩(wěn)定性，因為顯然這將 的細(xì)微結(jié)構(gòu)和帶電組成部分的運動?！?朋友的信中也說：“希望在一、二年內(nèi)能對原子構(gòu)造說出一些更明確的見解?！辈柲 Back盧瑟福的理論吸引了一位來自丹麥的年輕人，他的名字叫尼玻爾(Niels Bohr，1885-1962)(左圖)，在盧瑟福模型的基礎(chǔ)上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決 了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結(jié)構(gòu)學(xué)說。玻爾出生在哥本哈根的一個教授家庭，1911年獲哥本哈根大學(xué)博士學(xué)位。1912年3-7 月曾在盧瑟福的實驗室進(jìn)修，在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克