魅力科學(xué)論文

1、魅力科學(xué)課程論文院系:信息工程學(xué)院 專(zhuān)業(yè):計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù) 班級(jí)：（1）姓名:學(xué)號(hào)：魅力科學(xué)論文一原子結(jié)構(gòu)摘要:生命過(guò)程本質(zhì)上是化學(xué)過(guò)程，認(rèn)識(shí)生命現(xiàn)象的內(nèi)在本質(zhì)必然要求進(jìn)一步 在微觀層次上學(xué)習(xí)和認(rèn)識(shí)原子結(jié)構(gòu)的基本理論和變化規(guī)律，這也是從事現(xiàn)代生命 科學(xué)研究的必要知識(shí)基礎(chǔ)。所有物質(zhì)都是由不同元素的原子組合而成，要認(rèn)識(shí)物 質(zhì)的本質(zhì)和變化規(guī)律，就必須了解原子的結(jié)構(gòu)組成及性質(zhì)變化的內(nèi)在結(jié)構(gòu)規(guī)律。 原子結(jié)構(gòu)是化學(xué)概論的基礎(chǔ)，在申泮文院士的火箭模型中，化學(xué)概論又處于頂端， 因此，對(duì)于原子結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)和理解是深入化學(xué)世界的知識(shí)前提。筆者作為文科生， 無(wú)法對(duì)其中理論做出深刻分析理解，只將魅力科學(xué)視頻中車(chē)云霞教授

2、講解的 原子結(jié)構(gòu)知識(shí)歸納概括，以期成為一篇小小的科普文章。關(guān)鍵詞：原子模型 波函數(shù) 量子數(shù) 薛定諤方程 能級(jí)交錯(cuò) 元素周期表早期原子模型概述人們對(duì)物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)經(jīng)歷了由淺入深，有感性至理性，由片面到整體的 發(fā)展過(guò)程。原子學(xué)說(shuō)早在古希臘時(shí)期就被提出，在此，筆者只針對(duì)19世紀(jì)末以 后的原子學(xué)說(shuō)加以描述。19世紀(jì)末，經(jīng)典物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展得相當(dāng)完善，原子學(xué)說(shuō)和元素周期律的提出和 廣泛流行也促成了量子理論的發(fā)展和現(xiàn)代物理學(xué)的進(jìn)步。物理學(xué)家和化學(xué)家逐步 揭示了原子內(nèi)部組成和結(jié)構(gòu)的秘密以及與元素化學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)的原子核外電 子排布和變化規(guī)律，并構(gòu)建了一個(gè)嶄新的以量子理論為基礎(chǔ)的微觀世界。早期原 子模型正

3、是在這個(gè)時(shí)期得以相繼提出。1. IRutherford 原子模型1897年，英國(guó)物理學(xué)家J.J.Thomson通過(guò)研究陰極射線(xiàn)的性質(zhì)發(fā)現(xiàn)了電子，確 認(rèn)帶負(fù)電荷的電子是原子的組成部分。1909年，美國(guó)物理學(xué)家R.A.MillikaiS 過(guò)測(cè)定油滴的電荷，確定了電子的電荷數(shù)，并據(jù)此計(jì)算出電子的質(zhì)量大約只占?xì)?原子質(zhì)量的二千分之一。那么原子中的質(zhì)量是如何分布的呢？電荷的正負(fù)如何平 衡呢？ Rutherford的a粒子散射實(shí)驗(yàn)給出了問(wèn)題的可能答案。1910年， Rutherford用快速a粒子流轟擊一張約4x10-7m厚的金箔，發(fā)現(xiàn)盡管絕大部分 的粒子都毫無(wú)阻礙地通過(guò)了金箔，但有極少數(shù)a粒子發(fā)生了較大

4、角度的散射，極 個(gè)別的a粒子甚至被反彈回來(lái)。這使他認(rèn)識(shí)到：極個(gè)別的a粒子被反彈回來(lái)， 必定是因?yàn)樗麄兒徒鸩又心撤N極小體積的堅(jiān)硬密實(shí)的核心發(fā)生了碰撞，這個(gè) 核心應(yīng)該是帶正電，而且集中了原子的大部分質(zhì)量。這便是著名的原子結(jié)構(gòu)“行 星模型”，該模型認(rèn)為：原子由居于原子中心體積極小但占原子大部分質(zhì)量的帶 正電的原子核和核外繞核高速運(yùn)動(dòng)的電子組成，就像行星沿著一定的軌道繞太陽(yáng) 運(yùn)行。1. 2Bohr原子模型Bohr理論。其要點(diǎn)如下：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng)，離核愈遠(yuǎn)能量愈高；可能的軌道由電子的角動(dòng)量必須是h/2n的整數(shù)倍決定；當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí)原子不發(fā)射也不吸收能量，只有

5、當(dāng)電子 從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí)原子才發(fā)射或吸收能量，而且發(fā)射或吸收的 輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關(guān)系由E =hv給出。2原子內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)與分布1微觀粒子的運(yùn)動(dòng)特征受光的波粒二象性的啟發(fā)，de.Broglie提出電子等微觀粒子也具有波粒二象性 的假說(shuō)。對(duì)于質(zhì)量為m，速率為v的微粒，其具有相應(yīng)的波長(zhǎng)入為，p代表微粒的動(dòng)量，入代表微粒波的波長(zhǎng)，h為Planck常量。電子波動(dòng)性的存在性由1927年美國(guó)的物理學(xué)家C.Davission和L.Germer通 過(guò)電子衍射實(shí)驗(yàn)證明。根據(jù)電子衍射實(shí)驗(yàn)所得的示意圖計(jì)算出的電子波長(zhǎng)和 de.Broglie關(guān)系式計(jì)算得到的電子波長(zhǎng)一致，證實(shí)了電子波動(dòng)性的

6、存在。22核外電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的描述主要包括波函數(shù)、原子軌道和電子云等概念。(1) Schrodinger 方程1926年奧地利物理學(xué)家Schrodinger從微觀粒子的波粒二象性出發(fā)，通過(guò)與 光的波動(dòng)方程類(lèi)比，提出了用量子力學(xué)方法描述微觀粒子運(yùn)動(dòng)的波動(dòng)方程，成為 Schrodinger 方程。即，m是電子的質(zhì)量，x , y ,是電子在空間的坐標(biāo)，E是電子的總能量，V是電子的勢(shì)能，h為Planck常量。 方程式中甲稱(chēng)為波函數(shù)是這個(gè)方程的解，它可以是空間直角坐標(biāo)(x,y,或球極坐 標(biāo)(r,。，的函數(shù)。波函數(shù)甲描述的是核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，等同于原子軌道，但并無(wú)固定路徑。(2 )原子軌道與電子云的角度分

7、布和徑向分布概率密度：電子運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)有波函數(shù)W來(lái)描述，l W I 2表示電子在核外空 間某處單位體積內(nèi)出現(xiàn)的概率。電子云：若用黑點(diǎn)的疏密程度來(lái)表示各個(gè)電子概率密度的大小，貝Ol W I 2大 的地方黑點(diǎn)較密，其概率密度大，反之亦然。在原子和外分布的小黑點(diǎn)，好像一 團(tuán)帶負(fù)電的云，把原子核包圍起來(lái)，人們稱(chēng)它為電子云。2.3多電子原子的核外電子排布之前討論的都是氫原子，即單電子原子。在多電子原子中，某一特定電子除 了受到核的吸引外，同時(shí)受到其他核外電子的排斥作用，使其受力情況復(fù)雜化。 所以研究多電子原子核外電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，還必須考慮核外電子間的相互作用。(1)屏蔽效應(yīng)和鉆穿效應(yīng)屏蔽效應(yīng)：由于其他電

8、子對(duì)某一電子的排斥作用而抵消了一部分核電荷，從 而引起有效核電荷的降低，削弱了核電荷對(duì)該電子的吸引，這種作用稱(chēng)為屏蔽作 用或屏蔽效應(yīng)。與鉆穿效應(yīng)相反，在多電子原子中，一個(gè)電子不僅受到原子核的引力，而且 還要受到其他電子的排斥力。內(nèi)層電子排斥力顯然要削弱原子核對(duì)該電子的吸引， 可以認(rèn)為排斥作用部分抵消或屏蔽了核電荷對(duì)該電子的作用，相當(dāng)于使該電子受 到的有效核電荷數(shù)減少了。于是有Z* = 2-0,式中Z*為有效核電荷，Z為核電 荷。為屏蔽常數(shù)，它代表由于內(nèi)層電子的斥力而使原核電荷減少的部分。鉆 穿效應(yīng)：在原子核附近出現(xiàn)的概率較大的電子，可更多地避免其余電子的屏蔽， 受到核的較強(qiáng)的吸引而更靠近核，這

9、種進(jìn)入原子內(nèi)部空間的作用叫做鉆穿效應(yīng)。 與屏蔽效應(yīng)相反，外層電子有鉆穿效應(yīng)。外層角量子數(shù)小的能級(jí)上的電子，如 4s電子能鉆到近核內(nèi)層空間運(yùn)動(dòng)，這樣它受到其他電子的屏蔽作用就小，受核 引力就強(qiáng)，因而電子能量降低，造成E (4s) E(3d)。鉆穿效應(yīng)可以解釋原子 軌道的能級(jí)交錯(cuò)現(xiàn)象。(2 )多電子原子軌道的能級(jí)1939年美國(guó)化學(xué)家L.Pauling總結(jié)出多電子原子軌道中能量的近似順序，提 出了軌道的近似能級(jí)圖。此外，人們還發(fā)現(xiàn)多電子原子中的電子在核外的排布遵守能量最低原理、Pauli 不相容原理和Hund原則。3.感想和總結(jié)對(duì)于微觀世界的了解和研究，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)科學(xué)家們的不懈努力和奮斗，變得逐 漸深

10、入。對(duì)于今天物理和化學(xué)的發(fā)展，毋庸置疑，我們心存羨慕和驚嘆。但是回 顧歷史，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，曾經(jīng)轟動(dòng)一時(shí)的重大理論，在后續(xù)理論未被闡述前，都具 有不可反駁的創(chuàng)新性和突破性。而對(duì)于后續(xù)的理論，又多少暴露了其局限性。沒(méi)有哪個(gè)物理學(xué)家或者化學(xué)家是最偉大的，也沒(méi)有哪個(gè)物理學(xué)家或者化學(xué)家 是次要的，因?yàn)樵谖锢砗突瘜W(xué)的發(fā)展進(jìn)程中，每一個(gè)成就和理論的得出都是借鑒 了前人的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。這就像是一個(gè)建房子的過(guò)程，每個(gè)人都參與其中，羅瑟福、 波爾、德布羅意、薛定諤、海森堡、普朗克、波林、洪德,最后終將建成最宏偉 的建筑！原子結(jié)構(gòu)的揭秘過(guò)程，我認(rèn)為最重要的是科學(xué)家們敢于大膽假設(shè)、敢于類(lèi)比 借鑒。在科技水平較為低下的時(shí)期

11、，科學(xué)家無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一些原子結(jié)構(gòu)的問(wèn) 題，這時(shí)敢于大膽假設(shè)并進(jìn)行嚴(yán)密論證就顯得格外重要。大量的原子理論正是在 合理的假設(shè)下最終得以驗(yàn)證。同樣，善于類(lèi)比借鑒也是科學(xué)家取得進(jìn)步的重要因 素。例如：微觀粒子的波粒二象性就是類(lèi)比借鑒了光的波粒二象性而得出的。物理和化學(xué)的發(fā)展史是最激動(dòng)人心的歷史，也是一個(gè)永無(wú)止境的過(guò)程?？茖W(xué) 家們正在前赴后繼，為的是解開(kāi)世界留給我們的一個(gè)又一個(gè)的謎。毫無(wú)夸張地說(shuō)， 現(xiàn)在人們享受的所有科技成果都是建立在原子結(jié)構(gòu)得以相當(dāng)發(fā)展的基礎(chǔ)之上。學(xué) 完魅力科學(xué)之后，我確實(shí)被科學(xué)的魅力征服了。在一個(gè)文科生眼中，我也總 結(jié)了學(xué)習(xí)好物理化學(xué)需要的一些基本素質(zhì)：1、掌握基本理論知識(shí)。2、特別研究某一方向。3、把握物理化學(xué)史發(fā)展脈絡(luò)。4、將抽象形象化和形象抽象化。5、專(zhuān)注執(zhí)著不怕苦不放棄。6