高中物理形形色色的原子模型人教版選修3

1、形形色色的原子模型原子結構的探索過程從英國化學家和物理學家道爾頓（J.John Dalton ，17661844）（右圖）創(chuàng)立原子學說以后，很長時間內人們都認為原子就像一個小得不能再小的玻璃實心球，里面再也沒有什么花樣了。從1869年德國科學家希托夫發(fā)現陰極射線以后，克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等一大批人科學家研究了陰極射線，歷時二十余年。最終，湯姆遜（Joseph John Thomson）發(fā)現了電子的存在()。通常情況下，原子是不帶電的，既然從原子中能跑出比它質量小1700倍的帶負電電子來，這說明原子內部還有結構，也說明原子里還存在帶正電的東西，它們應和電子所帶的負電中和，使原子呈中性。原

2、子中除電子外還有什么東西? 電子是怎么待在原子里的? 原子中什么東西帶正電荷? 正電荷是如何分布的? 帶負電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的? 一大堆新問題擺在物理學家面前。根據科學實踐和當時的實驗觀測結果，物理學家發(fā)揮了他們豐富的想象力，提出了各種不同的原子模型。行星結構原子模型 1901年法國物理學家佩蘭（Jean Baptiste Perrin，1870-1942）（左圖）提出的結構模型，認為原子的中心是一些帶正電的粒子，外圍是一些繞轉著的電子，電子繞轉的周期對應于原子發(fā)射的光譜線頻率，最外層的電子拋出就發(fā)射陰極射線。中性原子模型1902年德國物理學家勒納德（Philipp Edwa

3、rd Anton Lenard，18621947）（右圖）提出了中性微粒動力子模型。勒納德早期的觀察表明，陰極射線能通過真空管內鋁窗而至管外。根據這種觀察，他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰極射線能通過數千個原子。按照當時盛行的半唯物主義者的看法，原子的大部分體積是空無所有的空間，而剛性物質大約僅為其全部的109（即十萬萬分之一）。勒納德設想“剛性物質”是散處于原子內部空間里的若干陽電和陰電的合成體。實心帶電球原子模型英國著名物理學家、發(fā)明家開爾文(Lord Kelvin，18241907 )（左圖）原名W.湯姆孫（William Thomson），由于裝設第一條大西洋海底電纜有功，英政府

4、于1866年封他為爵士，并于1892年晉升為開爾文勛爵，開始用開爾文這個名字。開爾文研究范圍廣泛，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他一生發(fā)表論文多達600余篇，取得70種發(fā)明專利，他在當時科學界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型，就是把原子看成是均勻帶正電的球體，里面埋藏著帶負電的電子，正常狀態(tài)下處于靜電平衡。這個模型后由J.J.湯姆孫加以發(fā)展，后來通稱湯姆孫原子模型。葡萄干蛋糕模型湯姆遜（Joseph John Thomson，1856-1940）（右圖）繼續(xù)進行更有系統(tǒng)的研究，嘗試來描繪原子結構。湯姆遜以為原子含有一個均勻的

5、陽電球，若干陰性電子在這個球體內運行。他按照邁耶爾（Alfred Mayer）關于浮置磁體平衡的研究證明，如果電子的數目不超過某一限度，則這些運行的電子所成的一個環(huán)必能穩(wěn)定。如果電子的數目超過這一限度，則將列成兩環(huán)，如此類捱以至多環(huán)。這樣，電子的增多就造成了結構上呈周期的相似性，而門得列耶夫周期表中物理性質和化學性質的重復再現，或許也可得著解釋了。湯姆遜提出的這個模型，電子分布在球體中很有點像葡萄干點綴在一塊蛋糕里，很多人把湯姆遜的原子模型稱為“葡萄干蛋糕模型”。它不僅能解釋原子為什么是電中性的，電子在原子里是怎樣分布的，而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線的照射下能發(fā)出電子的現象。而且根據

6、這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米，這是件了不起的事情，正由于湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學家所接受。土星模型 日本物理學家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro，1865-1950)1903年12月5日在東京數學物理學會上口頭發(fā)表，并于1904年分別在日、英、德的雜志上刊登了說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動的論文。他批評了湯姆生的模型，認為正負電不能相互滲透，提出一種他稱之為“土星模型”的結構即圍繞帶正電的核心有電子環(huán)轉動的原子模型。一個大質量的帶正電的球，外圍有一圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發(fā)射線光譜，

7、垂直于環(huán)面的振動則發(fā)射帶光譜，環(huán)上的電子飛出是射線，中心球的正電粒子飛出是射線。這個土星式模型對他后來建立原子有核模型很有影響。1905年他從粒子的電荷質量比值的測量等實驗結果分析，粒子就是氦離子。1908年，瑞士科學家里茲（Leeds）提出磁原子模型。他們的模型在一定程度上都能解釋當時的一些實驗事實，但不能解釋以后出現的很多新的實驗結果，所以都沒有得到進一步的發(fā)展。數年后，湯姆遜的“葡萄干蛋糕模型”被自己的學生盧瑟福推翻了。太陽系模型有核原子模型英國物理學家歐內斯特盧瑟福（Ernest Rutherford，18711937）1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學習，成為湯姆遜第一位

8、來自海外的研究生。盧瑟福好學勤奮，在湯姆遜的指導下，盧瑟福在做他的第一個實驗放射性吸收實驗時發(fā)現了射線。盧瑟福設計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個小孔。由于鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結果發(fā)現有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉得不厲害。第三種射線偏轉得很厲害。盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住

9、射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現的射線。第三種射線由偏轉方向斷定是帶負電的，性質同快速運動的電子一樣，稱為射線。盧瑟福對他自己發(fā)現的射線特別感興趣。他經過深入細致的研究后指出，射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子?！坝嫈倒堋笔莵碜缘聡膶W生漢斯蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發(fā)明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當帶電微粒穿過計數管時，計數管就發(fā)出一個電訊號，將這個電訊號

10、連到報警器上，儀器就會發(fā)出“咔嚓”一響，指示燈也會亮一下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數管。藉助于蓋革計數管，盧瑟福所領導的曼徹斯特實驗室對粒子性質的研究得到了迅速的發(fā)展。1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學，盧瑟福讓他用粒子去轟擊金箔，做練習實驗，利用熒光屏記錄那些穿過金箔的粒子。按照湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而粒子是失去兩個電子的氮原子，它的質量要比電子大幾千倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可

11、能抵擋住粒子的轟擊。也就是說，粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是粒子穿過金箔后稍微改變一下前進的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經做過多次，他們的觀測結果和湯姆遜的葡萄干蛋糕模型符合得很好。粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。馬斯登（左圖）和蓋革又重復著這個已經做過多次的實驗，奇跡出現了!他們不僅觀察到了散射的粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的粒子。在盧瑟福晚年的一次演講中曾描述過當時的情景，他說：“我記得兩三天后，蓋革非常激動地來到我這里，說：我們得到了一些反射回來的粒子.，這是我一生中最不可思議的事件。這就像你對著卷煙紙射出一顆15英寸的炮彈，卻被反射

12、回來的炮彈擊中一樣地不可思議。經過思考之后，我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結果。經過計算我看到，如果不考慮原子質量絕大部分都集中在一個很小的核中，那是不可能得到這個數量級的。”盧瑟福所說的“經過思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。盧瑟福檢驗了在他學生的實驗中反射回來的確是粒子后，又仔細地測量了反射回來的粒子的總數。測量表明，在他們的實驗條件下，每入射八千個粒子就有一個粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋粒子的小角散射

13、，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個粒子就有一個反射回來的觀察結果相差太遠。湯姆遜原子模型不能解釋粒子散射，盧瑟福經過仔細的計算和比較，發(fā)現只有假設正電荷都集中在一個很小的區(qū)域內，粒子穿過單個原子時，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內。在這個假設的基礎上，盧瑟福進一步計算了散射時的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個“太陽系”，支配它們之

14、間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質集中在一個很小的核心上，而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去（左圖）。這就圓滿地解釋了粒子的大角度散射。盧瑟福發(fā)表了一篇著名的論文物質對和粒子的散射及原理結構。盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發(fā)展立下了不朽的功勛。然而，在當時很長的一段時間內，盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩(wěn)定性的要求，即無法解釋電子是如何穩(wěn)定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩(wěn)定性的困難而未獲成功。因此，

15、當盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時，他又有十分嚴謹的科學態(tài)度，他從實驗事實出發(fā)作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進一步的研究和發(fā)展。他在論文的一開頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩(wěn)定性，因為顯然這將取決于原子的細微結構和帶電組成部分的運動?！碑斈晁诮o朋友的信中也說：“希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解。”玻爾模型盧瑟福的理論吸引了一位來自丹麥的年輕人，他的名字叫尼玻爾(Nie

16、ls Bohr，1885-1962)（左圖），在盧瑟福模型的基礎上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結構的穩(wěn)定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。玻爾出生在哥本哈根的一個教授家庭，1911年獲哥本哈根大學博士學位。1912年3-7月曾在盧瑟福的實驗室進修，在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量，來解決盧瑟福原子模型在穩(wěn)定性方面的困難，假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量，即原子只能處在分立的定態(tài)之中，而且最低的定態(tài)就是原子的正常態(tài)。接著他在友人漢森的啟發(fā)下從光譜線的組合定律達到定態(tài)躍遷的概念，他在1913年7、9和11月發(fā)表了長篇論文論原子構造和分子構造的三個部分。玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發(fā)射也不吸收能量，只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發(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系由 Eh給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩(wěn)定性和氫原子光譜線規(guī)律。玻爾的理論大大