原子模型发展概述

原子模型的发展及量子力学的建立林元兴(安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011)

指导教师：张青林摘要：自从汤姆逊通过阴极射线发现电子以后，人们逐步开始研究原子的内部结构及运动。通过不断的改进、修正，建立了一个相对完整的原子结构模型。本文结合物理学史料，从原子模型入手，扼要地对不同时期各种原子模型作以下介绍和表述，目的在于更好地了解近代物理尤其是量子力学思想及其发展过程，加深对原子模型的微观认识。关键词：原子模型，几率定律，双重解理论，孤子(Soliton)模型引言—原子模型建立前奏任何物质都是由原子构成，原子只是物质基本结构的一个层次，物质的这种原子观只是在十六世纪之后才被人们普遍接受。1806年，法国普鲁斯特(J.L.Proust)发现化合物分子的定组成定律；1807年，英国道尔顿(J.Dalton)发现倍比定律，并提出原子论；1811年，意大利啊伏加德罗(A.Avogadro)提出同体积气体在同温同压下含有同数目之分子的假说；1815年，英国普劳托(Prout)根据许多元素的原子量的都接近于氢原子量的整数倍而提出所有的元素都是由氢构成的假设；1826年，英国布朗(R.Brown)观察到液体中的悬浮微粒作无规则的起伏运动；1833年，英国法拉第(M.Faraday)提出电解定律，并把化学亲和力归为电力；1869年，俄国门捷列夫(D.Mendeleev)提出元素周期律；1881年，美国斯通尼(GJ.Stoney)提出“电子”概念，并用阿伏加德罗常数Na和法拉第常数F推出这一基本电荷的近似值为e=F/Na；1885年，瑞士巴尔未(J.J.Balmer)提出氢原子光谱的巴尔未线系；1889年，瑞士里德泊(J.R.Rydberg)提出里111德伯方程v==Rh(-),RH=109677.58cm-i为里德伯常数；1895年，德国伦琴CW.K.Rontgen)发现x九口n2n2H射线；1896年，法国贝克勒尔(A.H.Becquerel)发现了铀的放射性；1897年，法国居里夫妇(P.&M.Curie)发现了放射性元素钋和镭;1896年，荷兰塞曼(PZeeman)发现处于磁场中的原子光谱分裂的所谓塞曼效应；1897年，英国汤姆逊(J.J.Thomson)确认电子的存在；1897年，德国的卢瑟福(M.Rutherford)发现了射线，1900年又发现了Y射线，到此，拉开了近代物理的序幕。原子的Thomson模型(西瓜模型)自汤姆逊发现电子以来，以原子中正、负电荷提出了许多见解，历经1898年、1903年到1907年，汤姆逊通过不断的完善而提出原子的葡萄干布丁模型(即西瓜模型)；原子的正电荷均匀分布在整个半径为10-10米的原子球体(汤姆逊球)内，而电子则象面包中的葡萄干(或象西瓜中的瓜子)那样嵌在各处，为了解释元素周期律，汤姆逊还假设：电子分布在一个个环上，第一个环上只可放5个电子，第二只环上可放10个电子；假如一个原子有70个电子，那么必须有6只同心环，汤姆逊原子模型虽然很快被以后的试验所否定，但它所包含的“同心环”、“环上只能安置有限个电子”的概念，却是十分宝贵的。3•原子的Rutherford模型（核式模型）1903年，德国林纳德（P.Lenard）在研究阴极射线物质吸收的实验中得出，“原子是十分空虚的”在此实验基础上，日本长冈半太郎（NantaroNagaka）于1904年提出原子的核式行星模型，认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没能继续深入下去，直至到1909年，卢瑟福的学生盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）在用粒子轰击原子的实验中，发现粒子在轰击原子时有大约八千分之一的几率被反射回来，通过这一实验事实，又经过严谨的理论推导之后，卢瑟福于1911年提出了（但未被人们重视）原子的核式行星模型；正电荷被限制在一个半径约为10-14米的原子核球体内，电子在与汤姆逊球有统一数量级的空间内绕核旋转。卢瑟福的核式行星模型，不仅大胆肯定了高密度原子核的存在（首次将原子分为核外和核内两个层次），而且由此模型导出著名的卢瑟福散射公式为研究物质结构和材料分析提出了一种有效的方法，同时对近代物理特别是原子物理的发展起了重要的作用，但卢瑟福模型也存在着严重不足，那就是不能解释原子的稳定性，同一性和再生性。4．原子的Bohr及Bohr-Sommerfeld模型（量子轨道模型）4.1原子的Bohr模型（圆形轨道模型）1900年4月，英国开尔文（W.T.Kelvin）指出：“物理学晴朗太空的远处，还有两朵令人不安的乌云”这“两朵乌云”一个与黑体辐射有关，另一个与迈克耳逊一莫雷（A.A.Aichelson-E.W.Morley）实验有关，而黑体辐射和迈克耳逊—莫雷实验则正是近代物理的两个革命性的原理，那就是量子论和相对论。1900年一一一,、8兀h3dv10月，德国普克朗（M.Planck）用能量的量子学说E=nhv,h为普克朗常数，卩（V）=成功地C3竝ekT—1解释了黑体辐射，时隔五年的1905年，爱因斯坦（A.Einstein）发展了普克朗的量子学说，并用光的量子学说成功地解释了光电效应（1923年康普顿（A.H.Compton）效应进一步证明了光量子性），同年又创立了狭义相对论。然而，自1885年巴尔未提出氢原子光谱线系公式和1889年里德伯提出起原子光谱线系公式以来，许多科学家都不断致力于原子光谱的研究。1906年赖曼（T.Lyman）在紫外区域找到了一组氢原子光谱的赖曼线系，1908年帕邢（F.Paschen）又在红外区域找到了一组氢原子光谱的帕邢线系。为了解释氢原子光谱的实验事实，1913年丹麦玻尔（N.Bohr）综合普朗克和爱因斯坦的量子学说和卢瑟福的原子模型，提出了h2h行星式的圆形轨道模型：①.电子以原子核为中心沿具有一定半径（r=——n2,h=「,n=1.2…）或一定能量nme22兀me41（En=-）分立的圆形轨道绕转（在一定轨道上绕转的电子被称为稳定状态，简称定态，其中能量2甘n2最低的态称为基态，其余的称为激发态）；②•电子从某一定态轨道跃到另一定态轨道时放出或吸收的辐射能为hv=E-E电子在定态轨道运动时不会发生电磁辐射；③.电子运动的角动量是量子化的，L=nh,n称为主nmh量子数,h=称为狄拉克的普朗克常数。原子模型的发展及量子力学的建立第原子模型的发展及量子力学的建立第页，共8页[4]阎康年，关于德布罗意的生平，物理，1982.11。杨富家著，《原子物理学》，上海科技出版社，1985。金尚年，量子物理学各发展阶段大事纪要，物理，1987.1。曹志平，德布罗意与玻姆；量子力学因果解释纲领比较，科学技术与辩证法，15（2）.1998[8]D.Bohr&B.J.Hiley.Found.Phys,Vol.12.No.10.1982.[9]褚圣麟，《原子物理学》，高等教育出版社，1979.6。[10]刘连寿主编，《理论物理基础教程》，高等教育出版社，2003.10。AtomicmodelsofdevelopmentoutlinedLinyuanxing(SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalCollege,Anqing246011)Abstract:SinceThomsonthroughelectroniccathoderayfoundafterpeoplegraduallybegantostudytheinternalstructureofatomsandmovement.Throughcontinuousimprovement,theamendment,arelativelycompleteatomicstructuremodels.Thecombinationofphysicsdatafrommodelswithatomic,atomicbrieflyonthevariousmodelsfordifferentperiodsfollowingtheintroductionandexpression,withtheaimofbetterunderstandingofqua