原子结构模型的演变

1、 庄子曰庄子曰: :一尺之棰一尺之棰, ,日取其半日取其半, ,万世不竭万世不竭 公元前公元前5 5世纪世纪, , 我们的哲学家已经开始在思考我们的哲学家已经开始在思考 “万物到底由什么组成万物到底由什么组成? ? 物质可以被无休止地分割物质可以被无休止地分割? ? 还是存在构成物质的最小微粒？还是存在构成物质的最小微粒？” 古希腊哲学家古希腊哲学家 留基伯留基伯 结论：分割过程不能永远继续下去，结论：分割过程不能永远继续下去， 物质的碎片迟早会物质的碎片迟早会达到不可能分得达到不可能分得 更小的地步更小的地步。 古希腊哲学家古希腊哲学家 德墨克里特德墨克里特 接受了这种物质碎片会小到不可再分

2、接受了这种物质碎片会小到不可再分 的观念的观念,并称这种物质的最小组成单位并称这种物质的最小组成单位 为为“原子原子”（意思是（意思是“不可分割不可分割”） 凭空假想 原子原子是组成物质的最小粒子。是组成物质的最小粒子。 每一样东西都是由最小的部分组成，而最每一样东西都是由最小的部分组成，而最 小的部分不能再分。物体可以不断地切割直到小的部分不能再分。物体可以不断地切割直到 最小部分，这一最小部分称为最小部分，这一最小部分称为atomosatomos，该词为该词为 希腊语，意思是希腊语，意思是不能分割不能分割。 由留基伯留基伯与德墨克里特德墨克里特提出的 原子论哲学原子论哲学将将早期希腊的自然

3、哲学 推上一个光辉的顶峰。 但是由于缺乏实验事实依据, 所以原子这个概念渐渐被遗忘,直 到 道尔顿原子学说 通过大量的实验 以及数据的分析 公元公元1803年年 1.原子不可再分成更小的部分，原子不可再分成更小的部分， 2.原子就象十分微小的钢珠，是坚硬原子就象十分微小的钢珠，是坚硬 而又光滑的圆球体，不可能再分割。而又光滑的圆球体，不可能再分割。 3.原子的质量是原子的最根本特征；原子的质量是原子的最根本特征； 4.原子间化合时，成简单的整数比。原子间化合时，成简单的整数比。 道尔顿原子理论的提出，道尔顿原子理论的提出， 使我们的化学进入了以使我们的化学进入了以原子论原子论 为主线的新的时期

4、。为主线的新的时期。 此后此后近一百年近一百年人们都认为人们都认为 原子是不可分割的原子是不可分割的。 汤姆生汤姆生 Thomson 18561940 英国科学家英国科学家 通过实验通过实验,发现了一种粒子发现了一种粒子 带负电带负电 体积极小体积极小 质量极轻。质量极轻。 它以它以带负电带负电为其主要特征，为其主要特征， 汤姆生就给它起了一个贴切的名字汤姆生就给它起了一个贴切的名字电子电子。 汤姆生对电子的发现 使人们对原子结构的 认识进入了新的阶段 原子可分原子可分! (由更小的微粒构成) 卢瑟福卢瑟福 Rutherford 18711937 英国物理学家英国物理学家 汤姆生的学生卢瑟福卢

5、瑟福 想更进一步的探究想更进一步的探究 原子内部结构（质量分布、电荷分布）原子内部结构（质量分布、电荷分布） 粒粒 子子 穿穿 过过 金金 箔箔 的的 散散 射射 实实 验验 金箔示意图金箔示意图 体积很小体积很小 相对质量相对质量 为为4 4的的带正带正 电电粒子粒子 粒子粒子穿过金箔散射实验穿过金箔散射实验 1、大部分大部分粒子都可以穿过薄的金粒子都可以穿过薄的金 箔箔 2、极少数极少数粒子好象打在坚硬的东粒子好象打在坚硬的东 西上，完西上，完 全反弹回来。全反弹回来。 3、少数少数粒子穿过薄的金箔时，发粒子穿过薄的金箔时，发 生了偏转。生了偏转。 粒粒 子子 穿穿 过过 金金 箔箔 的的

6、 散散 射射 实实 验验 金箔示意图金箔示意图 体积很小体积很小 相对质量相对质量 为为4 4的带的带 正电正电粒粒 子子 1、大部分大部分粒子都可以穿过薄的金粒子都可以穿过薄的金 箔箔 2、极少数极少数粒子好象打在坚硬的东粒子好象打在坚硬的东 西上，完西上，完 全反弹回来。全反弹回来。 3、少数少数粒子穿过薄的金箔时，发粒子穿过薄的金箔时，发 生了偏转。生了偏转。 粒粒 子子 穿穿 过过 金金 箔箔 的的 散散 射射 实实 验验 金箔示意图金箔示意图 体积很小体积很小 相对质量相对质量 为为4 4的带的带 正电正电粒粒 子子 1、大部分大部分粒子都可以穿过薄的金粒子都可以穿过薄的金 箔箔 2

7、、极少数极少数粒子好象打在坚硬的东粒子好象打在坚硬的东 西上，完西上，完 全反弹回来。全反弹回来。 3、少数少数粒子穿过薄的金箔时，发粒子穿过薄的金箔时，发 生了偏转。生了偏转。 粒粒 子子 穿穿 过过 金金 箔箔 的的 散散 射射 实实 验验 金箔示意图金箔示意图 体积很小体积很小 相对质量相对质量 为为4 4的带的带 正电正电粒粒 子子 卢瑟福卢瑟福（Rutherford 18711937 英国物理学家）英国物理学家） 卢瑟福通过实验推断出：卢瑟福通过实验推断出： 1、原子的、原子的大部分体积是空的大部分体积是空的 2、中间有一个、中间有一个几乎集中了几乎集中了 所有原子的质量且体积所有原

8、子的质量且体积 很小的部分很小的部分 原子核原子核 3、电子随意地围绕着一个、电子随意地围绕着一个带正电荷带正电荷的的很小很小的的 原子核运转。原子核运转。 1908诺贝尔物理学奖诺贝尔物理学奖 1919年，他在用年，他在用a粒子轰击粒子轰击氮原子核氮原子核时，发现产生时，发现产生 出一种新的、射程很长、质量更小的粒子，卢瑟出一种新的、射程很长、质量更小的粒子，卢瑟 福把他发现的这种粒子命名为福把他发现的这种粒子命名为“ “质子质子” ”。 1930年，德国物理学家博特用年，德国物理学家博特用粒子轰击铍元素时，发粒子轰击铍元素时，发 现从铍中发射一种射线。这种射线在电场中不发生偏现从铍中发射一

9、种射线。这种射线在电场中不发生偏 转说明它转说明它不带电不带电，他错误地认为发现的是，他错误地认为发现的是射线射线 . 1932年年1月月 ，居里夫妇重复了博特实验，居里夫妇重复了博特实验,也得到了相同的也得到了相同的 结果结果,然而，居里夫妇还是沿着博特的错误思路思考，然而，居里夫妇还是沿着博特的错误思路思考， 他们把这一现象解释为光子的散射。由于他们对理论他们把这一现象解释为光子的散射。由于他们对理论 的轻视，使他们白白失去了一次发现中子的机会。的轻视，使他们白白失去了一次发现中子的机会。 中子的发现史中子的发现史 一个月后一个月后,查德威克查德威克看了看了居里夫妇的论文并用钋居里夫妇的论

10、文并用钋 加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击氢原子加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击氢原子 时发现，氢原子核被弹射出去，这说明这种射线时发现，氢原子核被弹射出去，这说明这种射线 是是具有一定质量具有一定质量的粒子流。他把这种射线的粒子的粒子流。他把这种射线的粒子 称为称为“中子中子” 1935年诺贝尔物理学奖获得者年诺贝尔物理学奖获得者 原子的构成 氦氦(He)原子的原子构成原子的原子构成 模型模型 构成原子的基本微粒：质子构成原子的基本微粒：质子 中子中子电子，从它们的带电情况电子，从它们的带电情况 和质量大小方面来看和质量大小方面来看, 它们对整个它们对整个 原子所作的贡献一样大吗原子

11、所作的贡献一样大吗? 问题问题 电量电量/C 质子质子 1.602 x 10-19 中子中子 0 电子电子 1.602 x 10-19 质子、中子和电子带电荷情况质子、中子和电子带电荷情况 1个单位负电荷个单位负电荷 1个单位正电荷个单位正电荷 已知已知12C原子的质量为原子的质量为1.99310 26 Kg， 质量/kg相对质量 质子1 .673 x 10-27 中子1.675 x 10-27 电子9.109 x 10-31 质子、中子和电子的质量、相对质量质子、中子和电子的质量、相对质量 1.007 1.008 1/1 836 碳碳 原原 子子 模模 型型 图图 微粒符号微粒符号 质量数（

12、A）质子数（Z） 中子数（N） 核外电子数 Na 2311 S 3216 1211 1616 1210 1618 Z+NZ-n X-m A+m-X Xn+ Xm-A ZN x Na+ S2- 2311 32 16 微粒符号微粒符号质量数质量数 （A） 质子数质子数 （Z） 中子数中子数 （N） 核外电子数核外电子数 351818 17Cl- 35 17 13Al3+ 27 27 13 14 10 13 1 1X 2 1X 3 1X 6X 12 6X 1 1 0 1 2 1 1 1 3 1 2 1 12 6 6 6 13 6 7 6 同位素：同位素：质子数相同而质量数（或中子数）不同质子数相同而

13、质量数（或中子数）不同 的核素互称为同位素。的核素互称为同位素。 6 C , 13 6 C , 12 6 C 14 8 O , 16 8 O , 17 8 O 18 核素：核素：具有一定质子数和一定中子数的具有一定质子数和一定中子数的一种原子一种原子。 1H , 1 1H , 2 1H 3 氕（氕（pie），氘氘(dao)，氚氚(chuan) HDT 核素与同位素核素与同位素 元素元素: 具有相同核电荷数的具有相同核电荷数的一类原子一类原子的总称的总称. 元素有_种；上述的粒子中有 几种核素_，其中互为同位素的 有_ ； 1H 12C 16O 2H 168 818 6 17O 3H 18O 1

14、4C 8 种种 、 、 3 2H 2 16O 2- 1 1 8 许多元素都有同位素，许多元素都有同位素， 目前发现和合成目前发现和合成110余种余种 元素，却有元素，却有1800 余种核数余种核数。 几 个 实 例 1H 1 6C 12 1H 2 1H 3 92U 234 氢有三种同位素：氢有三种同位素： 氘和氚是制造氢弹的材料氘和氚是制造氢弹的材料 铀有三种同位素：铀有三种同位素： 92U 235 92U 238 铀铀235 是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料是制造原子弹的材料和核反应堆的燃料 碳有三种同位素：碳有三种同位素： 6C 13 6C 14 作为相对原子量标准作为相对原子量标准 在

15、考古学中测定生物死亡年代。在考古学中测定生物死亡年代。 同位素的应用：同位素的应用： 6C 12 6C 14 知识的延伸 实验证明，质子和中子是由更小的微粒 “夸克”构成。 1990年诺贝尔物理学奖获得者年诺贝尔物理学奖获得者 弗里德曼 肯德尔 泰勒 美国斯坦福大学的直线加速器中心美国斯坦福大学的直线加速器中心 1967年三位科学家用此年三位科学家用此 加速器进行实验最终证加速器进行实验最终证 明了夸克的存在明了夸克的存在. 波利泽 维尔泽克 格罗斯 美国科学家发现夸克相互距离很近时美国科学家发现夸克相互距离很近时,相互作用力很小相互作用力很小,但当距但当距 离增大时相互作用力急剧增大离增大时

16、相互作用力急剧增大.因此没有夸克可以从原子核中向因此没有夸克可以从原子核中向 外迁移，获得真正的自由外迁移，获得真正的自由. 中科院物理研究所吴岳良研究员认为，假如我们能够把自由夸中科院物理研究所吴岳良研究员认为，假如我们能够把自由夸 克打开，就可以合理的利用夸克里面的强作用能，而那个能量克打开，就可以合理的利用夸克里面的强作用能，而那个能量 比我们的核能可能还要大得多。比我们的核能可能还要大得多。 2004年度诺贝尔物理学奖获得者年度诺贝尔物理学奖获得者 科学的科学的 原子原子 质子质子 中子中子 夸克夸克 电子的运动真的没有规律吗？电子的运动真的没有规律吗？ 卢瑟福认为卢瑟福认为：电子电子

17、随意地随意地围绕着一个围绕着一个带正带正 电荷电荷的的很小很小的的原子核原子核运转。运转。 I1=0.744 I2=1.457 I3=9.939 I4=10.54 I5=13.63 I6=18.00 I7=21.71 I8=25.65 I9=31.65 I10=35.46 I11=170.0 I12=189.3 单位单位(MJ/mol) Mg 原原 子子 I1=0.744 I2=1.457 单位单位(MJ/mol) I3=9.939 I4=10.54 I5=13.63 I6=18.00 I7=21.71 I8=25.65 I9=31.65 I10=35.46 I11=170.0 I12=189

18、.3 离核远离核远离核近离核近 中间中间 玻尔玻尔（丹麦物理学家）（丹麦物理学家） 1.电子在电子在一系列稳定的轨一系列稳定的轨 道道上运动上运动 2.每一个轨道有个确定的每一个轨道有个确定的 能量值能量值 3.核外电子在这些稳定的核外电子在这些稳定的 轨道上运动轨道上运动 能量不同的电子有能量不同的电子有 不同的运动区域！不同的运动区域！ +12 Mg原子原子 KLMN O P. 核电 荷数 元素 符号 元素 名称 KLMNOP 2He氦2 10Ne氖28 18Ar氩288 36 Kr氪28188 54 Xe 氙2818188 86Rn氡281832188 为什么稀有气体又称为惰性气体为什么稀有气体又称为惰性气体? ? 惰性惰性:性质十分稳定。性质十分稳定。 原子结构特点：最外层电子达到原子结构特点：最外层电子达到 8个或个或2个个。 Na Cl +