原子模型发展概述
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原子结构理论模型发展史道尔顿的原子模型英国自然科学家约翰·道尔顿将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学理论,提出了世界上第一个原子的理论模型。
他的理论主要有以下三点[11]:①所有物质都是由非常微小的、不可再分的物质微粒即原子组成;②同种元素的原子的各种性质和质量都相同,不同元素的原子,主要表现为质量的不同;③原子是微小的、不可再分的实心球体;④原子是参加化学变化的最小单位,在化学反应中,原子仅仅是重新排列,而不会被创造或者消失。
虽然,经过后人证实,这是一个失败的理论模型,但,道尔顿第一次将原子从哲学带入化学研究中,明确了今后化学家们努力的方向,化学真正从古老的炼金术中摆脱出来,道尔顿也因此被后人誉为“近代化学之父”。
葡萄干布丁模型葡萄干布丁模型由汤姆生提出,是第一个存在着亚原子结构的原子模型。
汤姆生在发现电子的基础上提出了原子的葡萄干布丁模型,汤姆生认为[11]:①正电荷像流体一样均匀分布在原子中,电子就像葡萄干一样散布在正电荷中,它们的负电荷与那些正电荷相互抵消;②在受到激发时,电子会离开原子,产生阴极射线。
汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验(散射实验),否认了葡萄干布丁模型的正确性。
土星模型在汤姆生提出葡萄干布丁模型同年,日本科学家提出了土星模型,认为电子并不是均匀分布,而是集中分布在原子核外围的一个固定轨道上[16]。
行星模型行星模型由卢瑟福在提出,以经典电磁学为理论基础,主要内容有[11]:①原子的大部分体积是空的;②在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核;③原子的全部正电荷在原子核内,且几乎全部质量均集中在原子核内部。
带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。
随着科学的进步,氢原子线状光谱的事实表明行星模型是不正确的。
玻尔的原子模型为了解释氢原子线状光谱这一事实,卢瑟福的学生玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。
原子结构发展与组成原子结构模型的演变如下:原子结构模型发展是指从1803年道尔顿提出的第一个原子结构模型开始,经过一代代科学家不断地发现和提出新的原子结构模型的过程。
人类对原子的认识史可以大致划分为5个阶段:(1)古代原子论。
(2)道尔顿原子论。
(3)汤姆森原子模型和卢瑟福原子模型。
(4)波尔原子模型。
(5)原子结构(核外电子运动)的量子力学模型。
一、原子的简介原子是构成化学元素的普通物质的最小单位;原子也是化学变化中最小的粒子及元素化学性质的最小单位。
二、原子的组成原子是由带正电荷的原子核和带负电荷的电子构成。
原子核所带的正电荷数与原子核外电子所带的负电子数相等,故原子呈电中性。
原子可以构成分子,也可以形成离子,也可以直接构成物质。
当质子数与电子数相同时,这原子就是电中性,称为中性原子;否则,就是带有正电荷或者负电荷的离子。
根据质子和中子数量的不同,原子的类型也不同:质子数决定了该原子属于哪种元素,而中子数则确定了该原子是此元素的哪种同位素。
原子的性质:一、衰变放射性每种元素都有一个或以上同位素有不稳定的原子核,从而能放射性衰变,在这过程中,原子核可释放出粒子或电磁辐射。
原子核半径大于强力的作用半径时就可能会放射性衰变,而强力的作用半径仅为几飞米。
二、磁矩基本微粒都有一个固有性质,就像在宏观物理中围绕质心旋转的物体都有角动量一样,在量子力学叫自旋。
但是严格来说,这些微粒仅仅是一些点,不能够旋转。
自旋的单位是约化普朗克常数,电子、质子和中子的自旋都是二分之一。
在原子里,电子围绕原子核运动,所以除了自旋,它们还有轨道角动量。
而对于原子核来说,轨道角动量是起源于自身的自旋。
三、能级原子中,电子的势能与它离原子核的距离成反比。
测量电子的势能,通常的测量将让该电子脱离原子所需要的能量,单位是电子伏特。
在量子力学模型中,电子只能占据一组以原子核为中心的状态,每一个状态就对应于一个能级。
最低的能级就被叫做基态,而更高的能级就被叫做激发态。
原子结构模型发展史原子结构模型发展史是物理学领域的一个重要研究方向。
它的发展经历了多位科学家的研究和贡献,最终形成了现代原子理论。
接下来,我们将按照时间顺序分步骤阐述原子结构模型的发展史。
1.道尔顿原子模型:1799年,英国科学家道尔顿提出了原子组成物质的理论。
他认为原子是各种元素的基本微粒,具有不同的质量和大小,且不可分割。
这是原子理论的起点。
2.汤姆逊原子模型:1897年,英国物理学家汤姆逊发现电子,证明了原子内存在电子的存在。
他提出了“西瓜切片”原子模型,认为原子是由一个带正电的球体和分布在球体内的带负电的电子构成的。
这种模型为后来的研究打下了基础。
3.卢瑟福原子模型:1911年,英国物理学家卢瑟福提出了原子核模型。
他通过阿尔法粒子轰击金箔实验,证实了原子核的存在,并指出原子核具有正电荷,电子则在原子核外绕行。
这是目前仍然被广泛接受的模型。
4.玻尔原子模型:1913年,丹麦物理学家玻尔发表了有关原子结构的文章,提出了玻尔原子模型。
他认为原子由电子围绕着原子核旋转,且电子只能沿着特定轨道运动。
这种模型为后来的原子结构理论提供了重要的参考依据。
5.量子力学理论:20世纪20年代,量子理论的发展引起了物理学界的广泛关注。
量子力学理论认为粒子具有波动性质,且只有在特定的能量状态下才能存在。
这种理论得到了广泛验证和应用,成为了现代原子结构理论的基础。
总之,原子结构模型的发展经历了多位科学家的研究和贡献,最终形成了现代原子理论。
每一次的突破都离不开前人的积累和启发,也为后人提供了宝贵的经验和思路。
只有通过不断的探索和研究,才能深入理解原子结构的本质,为未来的科学发展铺平道路。
原子内部结构模型发展史一、经典原子模型从古希腊时期起,人们对物质的组成和性质就有了一定的认识。
然而,直到19世纪末,原子的内部结构才开始引起科学家们的关注。
经典原子模型最早由英国物理学家道尔顿提出,他认为原子是不可分割的、质量均匀的实体,并且原子间的化学反应只涉及原子的重新组合。
这一模型的出现为后续的研究奠定了基础。
二、汤姆孙模型在20世纪初,英国物理学家汤姆孙通过实验证据发现了电子,并提出了汤姆孙模型。
他认为原子是一个由正电荷均匀分布的球体,而电子则嵌入在球体内。
这一模型首次揭示了原子内部存在着带电粒子,并为后续的原子结构研究提供了重要线索。
三、卢瑟福模型1911年,新西兰物理学家卢瑟福进行了著名的金箔散射实验,他射入了高能α粒子到金箔中,观察到了一些粒子被反射、偏转甚至穿透的现象。
基于实验结果,卢瑟福提出了卢瑟福模型,他认为原子是由一个非常小而带正电的核心和围绕核心运动的电子构成。
这一模型首次提出了原子中存在着带电的核,并且核与电子之间存在着静电力。
四、玻尔模型1913年,丹麦物理学家玻尔提出了玻尔模型,他在卢瑟福模型的基础上进一步发展了原子结构理论。
玻尔模型认为电子绕核运动的轨道是量子化的,即只能取特定的能量值。
这一模型成功解释了氢原子光谱线的能级分布规律,并开创了量子力学的先河。
五、量子力学模型随着量子力学的发展,原子结构的研究进入了全新的阶段。
量子力学模型认为原子内部的粒子,如电子和质子,具有波粒二象性,即既表现出粒子性又表现出波动性。
这一模型通过数学方法描述了原子内部粒子的行为,并成功解释了原子的稳定性和化学性质。
六、现代原子模型现代原子模型是基于量子力学模型的进一步发展,它进一步细化了原子内部结构的认识。
现代原子模型认为原子由质子和中子组成的核心,以及围绕核心运动的电子构成。
质子和中子集中在核心,而电子则分布在核外的不同能级轨道上。
这一模型通过量子力学的计算方法,准确描述了原子内部粒子的运动和相互作用。
原子模型演变史从古希腊时代到现代,原子模型已经以几何图形来描述原子的大小和结构。
每一次演变都揭示了一个新的层次上我们关于原子的了解,引发了一系列的科学发现。
今天,让我们踏上一次演变的旅程,回顾原子模型的发展史,从一个简单的理论演变成对宇宙有着重大影响的系统。
一、原子模型的演变史1.古希腊时期的“阿基米德原子论”古希腊时期的“阿基米德原子论”被认为是第一个物理学与化学的融合,它认为物质是由构成它的“原子”组成的。
古希腊哲学家阿基米德给出了他的假说:万物都是由“原子”构成的,这些“原子”不可分割,在性质和数量上它们是一样的,只是位置上存在差异。
虽然这些原子理论有些粗糙,但它却引发了许多新发现与研究。
想象一下,阿基米德原子论曾认为水是由火原子和气原子组成的。
换句话说,他认为水可以通过加热和加压而消失,但实际上,这只是表面上的“蒸发”,水并没有真的消失,只是以气体的形式释放出来了。
这恐怕不会惊讶任何人,但在那个时代,这项发现是令人兴奋的,它让哲学家和科学家们开始思考更多有关原子的可能性。
A.承认构成物质的最小单位是原子;从古希腊时期,人们把物质分解到它最小的由植物和动物组成的构件,但直到19世纪中叶,人们才开始承认物质的最小单位是原子。
历史上最具影响力的原子学家之一是英国化学家约翰·斯托克斯(John Dalton),他提出了原子理论,认为原子是物质组成块,且不可分割。
斯托克斯甚至发现,每种原子都有其单独的性质和重量,不同的元素由其特定数量的原子组成。
他的发现通过开发者了一系列元素的公式,为研究其他元素形成的化合物提供了科学原理,也为后续科学发现创造了坚实的基础。
当今,许多著名的科学家认为,斯托克斯的原子理论是承认物质由原子组成的重要前提,并且其分子理论在许多实际应用中仍然存在着重大的意义。
第三节原子结构的模型1、原子结构模型的发展历史:道尔顿:实心原子结构模型→汤姆森:“汤姆森模型”、→卢瑟福:“核式模型→玻尔:“分层模型”→“电子云模型”。
2、第一个提出原子概念的人是道尔顿;第一个发现电子的人是汤姆生。
3、原子是化学变化中的最小微粒。
原子也是构成物质的一种微粒,由原子直接构成的物质有:金属单质(如:铁Fe、钠Na等)、稀有气体单质(:如氦气He、氖气Ne、氩气Ar等),部分固态非金属单质(如:碳C、磷P、硫S、硅Si等)。
4、原子结构的初步知识质子:每一个质子带一个单位的正电荷原子核(带正电)原子(带正电)中子(不带电)(氢原子没有中子)核外电子(带负电):每个电子带一个单位的负电荷说明:(1)、原子核和核外的电子所带的电荷总数相等,电性相反,整个原子不显电性。
(2)、质子和中子又是由更小的微粒夸克构成(3)、核电荷数 = 质子数 = 核外电子数相对原子质量=质子数+中子数(4)、分子与原子的主要区别是:在化学变化中,分子可分,而原子不可分。
在化学变化中,分子种类发生变化,而原子种类和原子数目没有发生变化。
5、在原子中,原子序数等于质子数等于核电荷数等于核外电子数;不一定等于中子数,中子数可以为零;不同的原子质子数一定不同。
原子的质量集中在原子核上,电子的质量可忽略不计。
(注:原子核所带的电荷数为核电荷数。
)6、科学上把具有相同质子数(即核电荷数)的同一类原子总称为元素。
如铁元素就是指铁原子的总称。
元素种类由质子数决定。
7、我们把带电的原子(或原子团)叫离子,在离子中,质子数等于核电荷数不等于核外电子数,质子数大于电子数为阳离子,质子数小于电子数为阴离子。
8、同位素:原子中原子核内质子数相同、中子数不相同的同类原子的统称。
氢的三种同位素原子是氕、氘、氚。
同位素的应用:核设施、文物鉴定、医学诊断等。
9.同位素原子是一种元素的不同种原子,元素是同位素原子的总称。
初中化学原子模型发展历程二十世纪初,原子模型的发展历程给了化学界一次重大的变革。
下面将为您详细介绍初中化学原子模型的发展历程。
1. 原子的最初认识在古希腊时代,有学者提出了"原子"的概念,认为物质是由不可分割的微小颗粒构成。
然而,这个概念仅仅是一种直观的想法,缺乏实际的科学依据。
2. 托姆逊的发现在1897年,英国科学家约瑟夫·托姆逊通过实验发现了电子,并提出了著名的"蔗糖布丁模型"。
他认为原子是一个带有正电荷的球体,电子则均匀地分布在球体内,类似于蔗糖布丁中的葡萄干。
3. 卢瑟福的散射实验1908年,英国科学家欧内斯特·卢瑟福进行了著名的"金箔散射实验"。
实验结果表明,大部分的α粒子直接穿透金箔而不受阻碍,少部分粒子则发生散射。
他根据实验现象提出了"卢瑟福模型",认为原子具有中心核和围绕核运动的电子。
4. 爱因斯坦和玻尔的贡献为了解释卢瑟福模型中的问题,爱因斯坦和玻尔提出了量子理论。
爱因斯坦提出了光的粒子性质,即光子;玻尔则建立了基于能级的原子模型。
玻尔模型通过量子化条件和跃迁的概念解释了原子光谱的规律性,使原子理论更加完善。
5. 波尔模型的局限性尽管波尔模型推动了原子理论的发展,但它仍然存在局限性。
例如,波尔模型无法解释原子核为什么不会崩解,以及电子为什么不会坍缩进核中。
6. 量子力学的出现随着量子力学的出现,原子的微观结构得到了更精确的描述。
著名的薛定谔方程描述了电子的行为,其解决了波尔模型的问题,并为后续的原子模型提供了基础。
7. 现代原子模型在量子力学的基础上,科学家们建立了现代原子模型,也称为"云模型"。
这个模型将电子视为存在于不同能级上的电子云,而不是具体的轨道。
这种模型更符合实际情况,并被广泛应用于化学研究。
总结:初中化学原子模型的发展历程经历了从最初的直观认知到经过实验和理论的不断探索和修正。
原子结构模型发展史一原子的提出和物质的结构猜想从古希腊时期人们就开始研究物质的理论。
人们对客观世界的研究从神话慢慢过渡到自然哲学的研究中。
在这个阶段发展了“物质”的概念并试图去解释纷繁的事物的表象,从这时起,人们由寻找“世界从哪里来”的问题转变成了“世界是由什么组成的”问题[1]。
原子论的创始人一般认为是同一时期的留基波和德谟克里特这两个人。
留基波认为:“每个整体是由无数粒子组成的,每个粒子刚硬,立体而不可分割。
”而德谟克里特首次提出了原子的概念:“物质由原子组成,虚空而真实的空间是原子运动的场所。
人类的知识来源于原子对感官的影响。
原子是同一的,原子的特殊组合是变换的。
宁宙的一切事物都是由在虚空中运动着的原子构成。
所有事物的产生就是原子的结合,它们的形状像水槽,或是钩子。
它们依靠钩状的和环状的形状相连接。
原子的形状和体积不同,但它们的质量是相同的。
原子在虚空中只有通过直接接触才能相互作用。
”此后原子论并没有得以继续和快速的发展,直到西方文艺复新后,自然科学的研究逐渐受到重视。
在这期间,笛卡尔提出了微粒子理论[1],他假设空间最初充满了物质。
笛卡尔否认原子的不可分割性,他认为最初的宇宙由大小相同的粒子组成,这些粒子沿封闭曲线形成旋涡,结果造成今天的宇宙基本上由三种不同的粒子组成,这些粒子的性质可由质量、速度和运动的量等进行定量的描述。
他和德谟克利特的观点不同,他认为原子可以分成两部分或者更多部分。
对于笛卡尔来说物体没有如坚硬、颜色或者其他的通过感官可以观察到的特征,物体只有物理尺度:长度、宽度和深度。
二科学依据的原子论原子的概念进一步发展,人们逐渐发现不同的原子具有不同的性质。
原子中的相应的化学元素的性质决定着物质的性质。
在这些基础上,道尔顿系统地提出了原子学说[2]:化学元素均由原子组成,原子在一切化学变化中不可再分;同种元素的原子性质和质量都相同。
不同元素原子的性质和质量各不相同,质量是元素原子的基本特征之一;不同元素化合时,原子以简单整数比结合。
玻尔原子模型玻尔原子模型是由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔在1913年提出的一种描述原子结构的模型。
该模型通过量子力学的观点解释了氢原子的光谱现象,为后续的量子力学理论奠定了基础。
本文将介绍玻尔原子模型的发展背景、基本原理以及其对于原子结构的重要影响。
一、发展背景在20世纪初,对原子结构的认识相对模糊。
传统的理论无法解释氢原子光谱发射线的不连续性。
为了解决这个问题,玻尔提出了他独特的原子模型。
二、玻尔原子模型的基本原理玻尔原子模型在经典物理学的基础上引入了量子化概念,通过以下几点理论来解释氢原子光谱现象:1. 原子中的电子绕着原子核旋转,但只能存在于特定的能级上。
2. 电子在不同能级之间跃迁时会吸收或者发射特定频率的光子。
3. 电子旋转半径与能级高低有关,能级越高,电子离原子核越远。
三、玻尔原子模型对原子结构的影响玻尔原子模型的提出对后续物理学的发展产生了深远的影响:1. 玻尔原子模型的量子化概念为后来的量子力学理论提供了基础。
量子力学为解释原子结构和性质提供了更为精确的数学模型。
2. 玻尔原子模型通过电子跃迁释放或吸收特定频率的光子解释了原子光谱,为光谱分析提供了理论基础。
3. 玻尔原子模型的影响延伸至其他粒子和物理体系。
类似的量子化概念被应用于核物理和粒子物理领域。
四、玻尔原子模型的局限性尽管玻尔原子模型是对当时来说非常重大的突破,但它也存在一些局限性:1. 该模型仅适用于氢原子,无法准确描述其他原子的光谱现象。
2. 玻尔原子模型无法解释电子为什么会围绕核旋转,并且为何只能在特定轨道上存在。
3. 该模型无法解释复杂原子的结构和性质,对于更高能级的电子行为无法给出详细描述。
五、总结玻尔原子模型是描述氢原子结构的突破性模型,通过量子化概念和电子跃迁现象解释了氢原子光谱的不连续性。
该模型对后续的量子力学理论和光谱分析学产生了重要影响,为解释原子结构和探索微观世界奠定了基础。
尽管存在局限性,玻尔原子模型对于现代物理学的发展仍然具有不可低估的价值。
玻尔原子结构模型的发展过程
玻尔原子结构模型的发展经历了以下几个阶段:
1. 瑞利-里瓦尔德模型
19世纪末,瑞利和里瓦尔德提出了半经验的经典原子模型。
在这个模型中,原子被视为一个正电荷的球体,电子被认为是均匀地分布在球体的表面上。
2. 普朗克量子条件
1900年,普朗克提出了量子条件,他发现能量的辐射和吸收是离散的,而不是连续的。
他提出了一个简单的方程,使得他能够计算发射或吸收单元能量的最小值。
3. 瑞利-斯佩克特原子模型
1903年,瑞利和斯佩克特发明了一种新的模型,即原子被认为是一个带电荷的球体,电子围绕在球体周围。
但是该模型仍然不能解释其它性质,如光发射的频率和能量。
4. 玻尔原子结构模型
1913年,玻尔提出了一种新的原子结构模型,该模型包括以下假设:
- 原子由带正电荷的核心和固定轨道上的电子组成。
- 一个电子只能在一个确定的轨道上运动,每个轨道对应具有确定能量的电子。
- 电子可以在轨道之间跃迁,电子所吸收或发出的辐射的频率与跃迁前后的轨道上的能量差有关。
该模型成功地解释了氢原子的发射光谱,但是对于更复杂的原子结构,它并不适用。
5. 量子力学理论
20世纪20年代初,量子力学理论的出现使得科学家们能够更好地理解原子结构。
量子力学理论同时也引发了原子物理和化学的革命,开创了新的科学领域。
原子结构电子云模型的发展原子结构电子云模型是描述原子内部电子分布和行为的理论模型。
通过对原子结构的研究,科学家们逐步提出了不同的电子云模型,以帮助人们更好地理解原子的内部构造与性质。
本文将以历史的视角回顾原子结构电子云模型的发展,并分析其对我们现代科学认知的深远影响。
一、硬球模型原子结构的第一个模型是1803年由约翰·道尔顿提出的硬球模型。
他认为原子是不可分割的坚固球体,各种元素的原子具有不同的质量。
虽然道尔顿的硬球模型承载了当时对原子概念的最初认识,但它无法解释元素内部电子分布的现象,无法解释化学反应的发生以及其他物质特性。
二、行星模型为了更好地解释原子的电子分布现象,1885年约瑟夫·约瑟夫·汤姆逊提出了行星模型。
汤姆逊认为原子由正电荷球体中的电子组成,电子围绕着正电荷球体运动,类似于行星绕太阳运动的模型。
行星模型的提出填补了硬球模型中的一些空白,但它在解释原子的稳定性和光谱现象方面存在问题。
三、卢瑟福模型1911年,欧内斯特·卢瑟福提出了卢瑟福模型,也被称为核心-电子模型。
他的实验证明原子具有一个带正电荷的核心,核心的半径很小而且质量很大,绝大部分的质量集中在其中。
电子则绕核心运动,形成一个电子云。
卢瑟福模型较好地解释了原子的稳定性,并对元素的周期性表现给予了初步解释。
四、量子力学模型尽管卢瑟福模型揭示了原子的一些基本特征,但它无法解释很多实验观测到的现象,比如不同光谱线的出现等。
为了解决这些问题,量子力学在20世纪20年代发展起来。
根据量子力学,电子不能被精确地描述为经典物理学中的粒子,而是表现出波粒二象性。
根据波粒二象性,电子被描述为一种波动的粒子,并且仅能在某些特定能级上存在。
量子力学模型还进一步提出了波函数的概念,用于描述电子在各个能级上的几率分布。
波函数对应的平方值则代表了电子在空间中出现的概率密度,即所谓的电子云模型。
五、电子云模型的深远影响原子结构电子云模型的发展不仅解释了一系列与原子和元素性质相关的现象,也为原子和分子的组成与反应提供了基本理论基础。
原子结构模型演变历史一、引言原子是物质的最基本单位,研究原子结构模型的发展历程是物理学的重要组成部分。
本文将从经典原子结构模型、量子力学原子结构模型到现代原子结构模型三个阶段进行详细阐述,以展示原子结构模型的演变历史。
二、经典原子结构模型1. 道尔顿原子模型19世纪早期,英国化学家道尔顿提出了第一个经典原子结构模型。
他认为原子是不可分割的,是质点球体,且不同元素的原子具有不同的质量。
2. 汤姆逊原子模型1897年,汤姆逊发现了电子,提出了“面包状模型”,即认为原子是一个正电荷均匀分布的球体,电子均匀地分布在球体内。
3. 卢瑟福原子模型1909年,卢瑟福进行了一系列散射实验,发现了原子的核心,并提出了著名的卢瑟福原子模型。
该模型认为原子是由一个极小、带正电荷的核心和绕核心运动的电子构成,电子围绕核心运动,类似于行星围绕太阳运动。
三、量子力学原子结构模型1. 波尔原子模型1913年,丹麦物理学家波尔提出了量子力学的原子结构模型,也称为波尔原子模型。
他认为电子只能在特定的能级轨道上运动,每个轨道对应一定能量。
当电子跃迁到较低能级时,会放出光子。
2. 德布罗意波动力学模型1924年,法国物理学家德布罗意提出了物质粒子也具有波动性的假设,即德布罗意波动力学模型。
他认为电子的运动状态可以用波函数描述,波函数的平方表示电子在空间中的概率分布。
四、现代原子结构模型1. 薛定谔方程1926年,奥地利物理学家薛定谔提出了薛定谔方程,用于描述电子的波动性和粒子性。
这一方程成为量子力学的核心方程,被广泛应用于原子结构模型的研究。
2. 现代原子轨道模型根据薛定谔方程解得的波函数,可以得到电子的能级和轨道分布。
根据这些信息,科学家们发展出了现代原子轨道模型。
该模型认为电子沿着不同的轨道分布,每个轨道可以容纳一定数量的电子。
3. 量子力学云模型云模型是对电子位置的概率分布进行可视化的一种方法。
该模型认为电子不是精确地位于轨道上的某一点,而是存在于一定的空间区域,被称为电子云。
科学技术创新2019.34原子模型发展的概述孟波1万久长2王靖州1岳莉1(1、凯里学院理学院,贵州凯里5560112、凯里学院附属中学,贵州凯里556011)1原子模型的概述物理模型随着物理学的发展在变化着,在近代物理中,原子物理模型尤为突出,其演化历程曲折无比,以汤姆逊、卢瑟福、玻尔等为代表得物理学家不畏艰辛,在一次次实验中观察与总结得出一个个原子模型。
学习微观世界需要有很强的抽象思维,必须要借助模型加以辅助,才能更好的理解,并且其模型含有模拟式物理模型和理想化物理模型两类。
原子理论引申出来的一系列问题,成为了现代人的研究主题。
为推进科学的发展,在现代的科学社会,微观研究地位日益突出。
2原子模型的发展历程2.1汤姆逊葡萄干蛋糕模型1897年,汤姆逊通过对阴极的射线的研究发现阴极射线是一种带负电的物质粒子[1]。
这种粒子就是我们所熟知的电子,电子的发现揭示了原子具有更复杂的结构,进一步研究表明原子质量远远大于电子质量,前者大约为是后者的2000倍。
一般情况下原子是电中性的。
基于电子的发现,1904年,汤姆逊第一个提出原子的结构的葡萄干蛋糕模型[2]。
整个原子相当葡萄干蛋糕,正电荷比作蛋糕中的主题材料,电子比作蛋糕里的葡萄干,均匀分布在正电荷里,组成了原子,这就是葡萄干蛋糕模型[3]。
葡萄干蛋糕模型解释了原子呈电中性等诸多现象,因而得到认同。
2.2卢瑟福核式结构模型1909年,卢瑟福通过α粒子散射实验,观察到α粒子散射后,绝大部分粒子很少发生偏转,实验中也有特别少一部分α粒子的散射角很大,有的更是达到180°。
依据汤姆孙模型,α粒子的偏转角度可以忽略不计。
卢瑟福为了解开这一谜团,对这些现象细致分析。
于1911年提出核式结构模型,原子中心有一个由正电荷组成的小核,电子绕着这核快速转动[7]。
虽然这模型否定了汤姆逊的原子模型,但此模型保留了葡萄干蛋糕模型原子呈现电中性的合理成分。
对于α粒子出现少量散射角太大的现象,卢瑟福模型作了合理解释[4]。
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1.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(G.J.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)提出里德伯方程ν=1λ=R H(21n-21'n),R H=109677.58cm-1为里德伯常数;1895年,德国伦琴(W.K.Rontgen)发现x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(P.Zeeman)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γ射线,到此,拉开了近代物理的序幕。
2.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(Nantaro Nagaka )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—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10月,德国普克朗(M.Planck )用能量的量子学说E=nh ν,h 为普克朗常数, 338()1kT h d c e νπννμν=-成功地解释了黑体辐射,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(pton )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 n =22h men 2,ħ=2h π,n=1.2…)或一定能量(En=-422me 21n )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hν=E n -E m 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=nћ,n 称为主量子数,ћ=2h π称为狄拉克的普朗克常数。
Bohr 模型的提出,不仅成功地解释了氢原子和类氢原子光谱现象,而且还导出了氢原子和类氢原子体系具有量子性的线度和能量:氢原子的最小线度(称为玻尔半径)a 0=r 1=2820.52910m me -=⨯,最低能量(基态能量)E 1=-4213.62me ev =-;类氢原子的电子轨道半径为r n =a 02n Z ,定态能量为En=-13.622Z n,Z 为原子序数,光谱项T(n)=22E RZ hc n-=,同时更为重要的是肯定了量子论的正确性和必要性(玻尔理论正确性的验证实验为:光谱实验,弗兰克(J.Franck )—赫兹(G.Hretz )实验)。
4.2 原子的 Bohr-Sommerfeld (椭圆轨道模型)在玻尔圆形轨道理论发表后的不久,索末菲(A.Sommerfeld )便于1916年对玻尔理论作了两项修正:其一是把玻尔的一维的圆形轨道推广为二维的椭圆轨道;其二是引入为相对论修正。
从而得到了更为普遍的原子的所谓Bohr-Sommerfeld 模型,亦即椭圆轨道模型。
索末菲认为电子绕原子核在某一平面上作椭圆轨道运动,这是一个二维运动,描述椭圆运动中电子的位置,可用平面极坐标Φ和r ,而与这两个坐标对应的广义动量是角动量L 和径向动量P 。
它们能满足类似于玻尔圆形轨道的量子化条件为∮Ld Φ=n Φh 和∮Pdr=n r h,n Φ=1.2.…n r =0.1…式中的n Φ和n r 分别叫做角量子数和径量子数,它们的总和为主量子数n ,即 n=n Φ+n r 。
根据简单的数学推导,可得椭圆轨道的长、短半轴a 和b 的关系为a b =n n φ,而a=n 21a Z,又得能量的表述式为En=-24222Z e n μ,μ=mM m M+为原子核与电子的折合质量,按照相对论原理,索末菲考虑了椭圆轨道运动电子的相对论效应,经繁复的数学运算,得到体系的能量表述式为E=-12m(ca)223231()()4Z Za n n n n φ⎡⎤+-⎢⎥⎢⎥⎣⎦,由此得光谱项的表述式为T(n,n ф)=-242243()4E RZ RZ a n hc n n n φ=+-,两式中的a=21137e c =称为精细结构常数。
Bohr-Sommerfeld 模型比Bohr 模型更加完善(提出了二维量子数(n,n ф)),该模型所确立的椭圆轨道理论不仅能完满解释一些Bohr 模型所不能恰当解释的问题,而且也能解释氢原子和类氢离子的能级分裂(一谱多线),但却不能令人信服地解释碱金属原子的非单线光谱,更不能解释一般原子的精细结构原因,因而Bohr-Sommerfeld 模型理论仍有缺陷。
巴尔末线系中的七条H a 谱线和钠的黄色D 双线等著名实验表明:造成能级分裂的原因,除了电子与核子间具有静电相互作用外,还必定存在磁相互作用。
正是由于存在磁相互作用,才必须在Bohr-Sommerfeld 理论中两个量子数的基础,再需用另一量子数来描述。
正如主量子数决定体系的能量、角量子数决定轨道的形状那样,它们的量子化条件具有∮P i d qi =n i ħ形式。
根据数学推导,所需的新量子数应是反映轨道平面与磁场方向间的角度有关的所谓“原子在磁场中的取向是量子化的(即空间量子化)”,它同样具有形式L z =m ħcos m n φθ=,若以l 取代n ф之后,l 的取值即为0,1,2,……。
如此,对于每一固定的l,m 有2l+1个取值.l 仍称为角量子数,而m 称为磁量子数。
这样,描述原子中电子状态的量子数就有三个(n,l,m )。
1921年,史特恩(O.Stern )和盖拉赫(W.Gerlach )等进行的实验结果表明:氢原子在磁场中只有两个取向。
这就有力地证明了原子在磁场中的取向是量子化的。
然而史特恩-盖拉赫实验能出现偶数分裂的事实启示:要使2l+1为偶数,只有l 取半整数,而泡利(W.Pauli )仔细分析了原子光谱和强磁场中的塞曼效应后曾建议:为了完整描述电子,除了已有的三个量子数外,还要有第四个量子数,而这个量子数应该是双值的,在经典上不可描述的。
同年他又提出了著名的泡利不相容原理:原子中的每一个状态只能容纳一个电子。