形形色色的原子模型

1、形形色色的原子模型原子结构的探索过程|行星结构模型|中性模型|实心带电球模型|葡萄干蛋糕模型| 土星模型|太阳系模型|玻尔模型|从英国化学家和物理学家道尔顿(J.John Dalton , 17661844)(右图)创立原子学说以后，很长时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面再也没有什么花样了。从1869年德国科学家希托夫发现阴极射线以后，克鲁克斯、赫兹、勒纳、汤姆逊等一大批人科学家研究了阴极射线，历时二十余年。最终，汤姆逊(Joseph John Thomson )发现了电子的存在(请浏览科技园地“神秘的绿色荧光”)。通常情况下，原子是不带电的，既然从原子中 能跑出比它质

2、量小1700倍的带负电电子来，这说明原子内部还有结构，也说明原子里还存 在带正电的东西，它们应和电子所带的负电中和，使原子呈中性。原子中除电子外还有什么东西？电子是怎么待在原子里的？原子中什么东西带正电荷? 正电荷是如何分布的？带负电的电子和带正电的东西是怎样相互作用的？ 一大堆新问题摆 在物理学家面前。根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了他们丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型。行星结构原子模型1901 年法国物理学家佩兰(Jean Baptiste Perrin， 1870-1942)(左图)提出的结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些绕转着的电子，电子绕转的

3、周期对应于原子发射的光谱线频中性原子模型 Back率，最外层的电子抛出就发射阴极射线。1902年德国物理学家勒纳德(Philipp Edward Anton Lenard，1862-1947)(右图)提出了中性微粒动力子模型。勒纳德早期的观察表明，阴极射线能通过真空管内铝窗而至管外。根据这种观察，他在1903年以吸收的实验证明高速的阴极射线能通过数千个原子。按照当时盛行的半唯物主义者的看法，原子的 大部分体积是空无所有的空间，而刚性物质大约仅为其全部的10-9（即十万万分之一）。勒纳德设想“刚性物质”是散处于原子内部空间里的若干阳电和阴电的合成体。实心带电球原子模型英国著名物理学家、发明家开尔

4、文（Lord Kelvin，18241907 （左 图）原名W.汤姆孙（William Thomson），由于装设第一条大西洋海 底电缆有功，英政府于1866年封他为爵士，并于1892年晋升为开尔 文勋爵，开始用开尔文这个名字。开尔文研究范围广泛，在热学、电 磁学、流体力学、光学、地球物理、数学、工程应用等方面都做出了贡献。他一生发表论文多达600余篇，取得70种发明专利，他在当时科学界享有极高的名望。开尔文1902年提出了实心带电球原子模型，就是把原子看成是 均匀带正电的球体，里面埋藏着带负电的电子，正常状态下处于静电平衡。这个模型后由J.J.汤姆孙加以发展，后来通称汤姆孙原子模型。J.Th

5、omson-实心带电原子理论J. J.汤姆生的原子模型在1910年之前是影响最大的一种。他根据1902年开尔文提出的 实心带电球的想法，对原子结构进行长期的研究，于1904年发表论文，题为:论原子的构 造:关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究在这篇论文里，他运用经典力学理论，根据电荷之间的平方反比作用力进行了大量计算，求 证电子稳定分布所应处的状态。他假设原子带正电的部分像”流体” 一样均匀分布在球形的 原子体积内，而负电子则嵌在球体的某些固定位置。电子一方面要受正电荷的吸引，一方面 又要自相排斥，因此，必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成环，然而六 个以上的电

6、子不能稳定在一个环上，数目更多就要组成二个以上的环。在汤姆生的原子模型中最重要的是原子内的电子数n。开始他根据电子荷质比实验，得知 电子质量，再假设正负电荷具有对称的性质，估计原子中的电子数n约为原子量A的一 千倍，即n=l000A这个数究竟符不符合实际，唯一的检验标准就是实验。为此，汤姆逊设 计了 X射线和B射线的散射实验，希望通过射线和原子中电子的相互作用，证明原子内 部电子的数目。然而，从巴克拉（Barkla）的散射实验，得到的结果是n=2A;而从B散射 实验，得到333333333据此汤姆逊判定n与A同数量级。1910年，克劳瑟根 据汤姆逊的B散射理论，推证得出n=3A，而卢瑟福从a散

7、射实验得到3333333。这是汤姆生和他的学生对原子理论作出的一项重大贡献。这些工作的意义不仅在 于打破了原子中正负电荷互相对称的观念，而且由此导致了 a大角度散射实验 -证实了原子核的存在葡萄干蛋糕模型汤姆逊(Joseph John Thomson，1856-1940)(右图)继续进行更有系统的研究，尝试来描绘原子结构。汤姆逊以为原子含有一个均匀的阳电球，若干阴性电子在这个球体内运行。他按照迈耶尔(Alfred Mayer)关于浮置磁体平衡的研究证明，如果电子的数目不超过某一限度，则这些运行的电子所成的一个环必能稳定。如果电子的数目超过这一限度，则将列成两环，如此类捱以至多环。这样，电子的增

8、多就造成了结构上呈周期的相似性，而 门得列耶夫周期表中物理性质和化学性质的重复再现，或许也可得着解释了。汤姆逊提出的这个模型，电子分布在球体中很有点像葡萄干点缀在一块蛋糕里，很多人 把汤姆逊的原子模型称为“葡萄干蛋糕模型”。它不仅能解释原子为什么是电中性的，电子 在原子里是怎样分布的，而且还能解释阴极射线现象和金属在紫外线的照射下能发出电子的 现象。而且根据这个模型还能估算出原子的大小约10-8厘米，这是件了不起的事情，正由 于汤姆逊模型能解释当时很多的实验事实，所以很容易被许多物理学家所接受。土星模型日本物理学家长冈半太郎(Nagaoka Hantaro, 1865-1950)1903年12

9、月5日在东京数学 物理学会上口头发表，并于1904年分别在日、英、德的杂志上刊登了说明线状和带状光 谱及放射性现象的原子内的电子运动的论文。他批评了汤姆生的模型，认为正负电不能相 互渗透，提出一种他称之为“土星模型”的结构一一即围绕带正电的核心有电子环转动的原 子模型。一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布着的电子以同样的角速度做圆周 运动。电子的径向振动发射线光谱，垂直于环面的振动则发射带光谱，环上的电子飞出是6 射线，中心球的正电粒子飞出是a射线。这个土星式模型对他后来建立原子有核模型很有影响。1905年他从a粒子的电荷质量比值的测量等实验结果分析，a粒子就是氦离子。1908年，瑞士

10、科学家里兹(Leeds )提出磁原子模型他们的模型在一定程度上都能解释当时的一些实验事实，但不能解释以后出现的很多新的实验结果，所以都没有得到进一步的发展。数年后，汤姆逊的“葡萄干蛋糕模型”被自己 的学生卢瑟福推翻了。太阳系模型一一有核原子模型英国物理学家欧内斯特卢瑟福(Ernest Rutherford，1871 1937) 1895年来到英国卡文迪许实验室，跟随汤姆逊学习，成为汤 姆逊第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋，在汤姆逊的指导下， 卢瑟福在做他的第一个实验一一放射性吸收实验时发现了a射线。卢瑟福设计的巧妙的实验，他把铀、镭等放射性元素放在一个铅制的容器里，在铅容器 上只留一个小

11、孔。由于铅能挡住放射线，所以只有一小部分射线从小孔中射出来，成一束很 窄的放射线。卢瑟福在放射线束附近放了一块很强的磁铁，结果发现有一种射线不受磁铁的 影响，保持直线行进。第二种射线受磁铁的影响，偏向一边，但偏转得不厉害。第三种射线 偏转得很厉害。卢瑟福在放射线的前 进方向放不同厚度的材 料，观察射线被吸收的情 况。第一种射线不受磁场 的影响，说明它是不带电 的，而且有很强的穿透力， 一般的材料如纸、木片之类的东西都挡不住射线的前进，只有比较厚的铅板才可以把它完全 挡住，称为Y射线。第二种射线会受到磁场的影响而偏向一边，从磁场的方向可判断出这种 射线是带正电的，这种射线的穿透力很弱，只要用一张

12、纸就可以完全挡住它。这就是卢瑟福 发现的a射线。第三种射线由偏转方向断定是带负电的，性质同快速运动的电子一样，称为 6射线。卢瑟福对他自己发现的a射线特别感兴趣。他经过深入细致的研究后指出，a射线 是带正电的粒子流，这些粒子是氦原子的离子，即少掉两个电子的氦原子。“计数管”是来自德 国的学生汉斯-盖革(Hans Geiger , 1882-1945)发明的， 可用来测量肉眼看不见 的带电微粒。当带电微g啊 Coumwr 和gMv ZuiiaCiJKi *t4Eh*irrrm粒穿过计数管时，计数管就发出一个电讯号，将这个电讯号连到报警器上，仪器就会发出“咔 嚓”一响，指示灯也会亮一下。看不见摸不

13、着的射线就可以用非常简单的仪器记录测量了。 人们把这个仪器称为盖革计数管。藉助于盖革计数管，卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对a 粒子性质的研究得到了迅速的发展。1910年马斯登(E.Marsden，1889-1970)来到曼彻斯特大学，卢瑟福让他用a粒子去轰击金箔，做练习实验，利用荧光屏记录那些穿过金箔的a粒子。 按照汤姆逊的葡萄干蛋糕模型，质量微小的电子分布在均匀的带 正电的物质中，而a粒子是失去两个电子的氮原子，它的质量要 比电子大几千倍。当这样一颗重型炮弹轰击原子时，小小的电子 是抵挡不住的。而金原子中的正物质均匀分布在整个原子体积 中，也不可能抵挡住a粒子的轰击。也就是说，a粒子将很容易

14、 地穿过金箔，即使受到一点阻挡的话，也仅仅是a粒子穿过金箔 后稍微改变一下前进的方向而已。这类实验，卢瑟福和盖革已经 做过多次，他们的观测结果和汤姆逊的葡萄干蛋糕模型符合得很好。a粒子受金原子的影响 稍微改变了方向，它的散射角度极小。马斯登(左图)和盖革又重复着这个已经做过多次的实验，奇迹出现了!他们不仅观察到 了散射的a粒子，而且观察到了被金箔反射回来的a粒子。在卢瑟福晚年的一次演讲中曾描 述过当时的情景，他说：“我记得两三天后，盖革非常激动地来到我这里，说：我们得到 了一些反射回来的a粒子.，这是我一生中最不可思议的事件。这就像你对着卷烟纸射 出一颗15英寸的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一

15、样地不可思议。经过思考之后，我认识 到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我看到，如果不考虑原子质量绝大部分都 集中在一个很小的核中，那是不可能得到这个数量级的。”bcident a 缨particles 梦LN：皿 WEHMUmK叫 LF ： LKLE:日resit; icu icdurNucleusAtoms 01 goid 扣it卢瑟福所说的“经过思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的时间。在做了大量的实验和理论计算和深思熟虑后， 他才大胆地提出了有核原子模型，推 翻了他的老师汤姆逊的实心带电球原 子模型。卢瑟福检验了在他学生的实验中 反射回来的确是a粒子后，又仔

16、细地 测量了反射回来的a粒子的总数。测 量表明，在他们的实验条件下，每入射八千个a粒子就有一 个a粒子被反射回来。用汤姆逊的实心带电球原子模型和带 电粒子的散射理论只能解释a粒子的小角散射，但对大角度 散射无法解释。多次散射可以得到大角度的散射，但计算结 果表明，多次散射的几率极其微小，和上述八千个a粒子就有一个反射回来的观察结果相差 太远。汤姆逊原子模型不能解释a粒子散射，卢瑟福经过仔细的计算和比较，发现只有假设正 电荷都集中在一个很小的区域内，a粒子穿过单个原子时，才有可能发生大角度的散射。也 就是说，原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上，卢瑟 福进一步计算了

17、。散射时的一些规律，并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登 的一系列漂亮的实验所证实。卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太 阳转的行星。在这个“太阳系”，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说，原 子中带正电的物质集中在一个很小的核心上，而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的 核心上。当a粒子正对着原子核心射来时，就有可能被反弹回去（左图）。这就圆满地解释 了。粒子的大角度散射。卢瑟福发表了一篇著名的论文物质对a和6粒子的散射及原理结 构。卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径，为原子科学的发展立下了不朽的功勋。然 而，在当时很长的一段

18、时间内，卢瑟福的理论遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在 的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地 待在核外。1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获成功。因此，当卢瑟福又提出有核原子模型时，很多科学家都把它看作是一 种猜想，或者是形形色色的模型中的一种而已，而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础。段，不必考取决于原子当年他在给Wavelength卢瑟福具有非凡的洞察力，因而常 常能够抓住本质作出科学的预见。同 时，他又有十分严谨的科学态度，他 从实验事实出发作出应该作出的结 论。卢瑟福认为自己提出的模型还很 不完善

19、，有待进一步的研究和发展。 他在论文的一开头就声明：“在现阶 虑所提原子的稳定性，因为显然这将 的细微结构和带电组成部分的运动。” 朋友的信中也说：“希望在一、二年内能对原子构造说出一些更明确的见解。”玻尔模A Back卢瑟福的理论吸引了一位来自丹麦的年轻人，他的名字叫尼玻尔(Niels Bohr，1885-1962)(左图)，在卢瑟福模型的基础上，他提出了电子在核外的量子化轨道，解决 了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。玻尔出生在哥本哈根的一个教授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位。1912年3-7 月曾在卢瑟福的实验室进修，在这期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克