研究生课件-原子论概述

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• 1926年，薛定谔（Erwin Schrödinger）使用 路易斯· 德布罗意（Louis de Broglie）于1924年提 出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学 模型，用来将电子描述为一个三维波形。但是在 数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。
• 1926年，海森堡（Werner Heisenberg）建立了相 关的方程，这也就是后来著名的测不准原理。这 个概念描述的是，对于测量的某个位置，只能得 到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个 模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却 不能解释的原子的性质，例如比氢更大的原子的 谱线。因此，人们不再使用原子的行星模型，而 更倾向于将原子轨道视为电子存在概率的区域 。
• 1950s，随着粒子加速器及粒子探测器的发展，科学家们 可以研究高能粒子间的碰撞。他们发现中子和质子是强 子的一种，又更小的夸克微粒构成。核物理的标准模型 也随之发展，能够成功的在亚原子水平解释整个原子核 以及亚原子粒子之间的相互作用。
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1985s，朱棣文及其同事在贝尔实验室开发了一种新技 术，能够使用激光来冷却原子。威廉· 丹尼尔· 菲利普斯团 队设法将金属钠原子置于一个磁阱中。这两个技术加上 由克洛德· 科昂-唐努德日团队基于多普勒效应开发的一种 方法，可以将少量的原子冷却至微开尔文的温度范围， 这样就可以对原子进行很高精度的研究，为玻色-爱因斯 坦凝聚的发现奠定了基础。
• ②角量子数(angular quantum number)，角量子数决定不同的能级，符号 “l”共n个值（1，2，3，...n-1)，符号用s、p、d、f，表示对多电子原子 来说，电子的运动状态与l有关。
• ③磁量子数（magnetic quantum number)磁量子数决定不同能级的轨道， 符号“m”（见下文“磁矩”）。仅在外加磁场时有用。“n”“l”“m”三个 量确定一个原子的运动状态。 • ④ 自旋磁量子数（spin m.q.n.）处于同一轨道的电子有两种自旋，即 “↑↓”目前，自旋现象的实质还在探讨当中[5]。
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历史上，因为单个原子过于微小，被认为不能够进行 科学研究。最近，科学家已经成功使用一单个金属原子 与一个有机配体连接形成一个单电子晶体管。 在一些实 验中，通过激光冷却的方法将原子减速并捕获，这些实 验能够带来对于物质更好的理解。
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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： • • • • 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。
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• 土星模型
பைடு நூலகம்
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
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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： • 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。
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氦原子，灰色部分为电子云
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原子简介
原子是化学变化中的最小单位。一个原子 包含有一个致密的原子核及若干围绕在原子 核周围带负电的电子。原子核由带正电的质 子和电中性的中子组成。当质子数与电子数 相同时，这个原子就是电中性的；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一种元素，而中子 数则确定了该原子是此元素的哪一个同位素。
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原子的近代理论发展（1661至今）
• 1661年，自然哲学家罗伯特· 波义耳出版了《怀疑的化学家》(The Sceptical Chemist)一书，他认为物质是由不同的“微粒”或原子自 由组合构成的，而并不是由诸如气、土、火、水等基本元素构成。 • 1789年，法国贵族，拉瓦锡定义了原子一词，从此，原子就用来 表示化学变化中的最小的单位。 • 1803年，英语教师及自然哲学家约翰· 道尔顿(John Dalton)用原子 的概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应，即倍比定律 (law of multiple proportions)。
• 1827年，英国植物学家罗伯特· 布朗（Botanist Robert Brown)在使 用显微镜观察水面上灰尘的时候，发现它们进行着不规则运动， 进一步证明了微粒学说。后来，这一现象被称为为布朗运动。
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• 1897年，在关于阴极射线的工作中，物理学家约瑟夫· 汤 姆生(J.J.Thomsom)发现了电子以及它的亚原子特性，粉碎 了一直以来认为原子不可再分的设想。汤姆生认为电子 是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀 的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互 抵消。这也叫做葡萄干布丁模型。 • 1909年，在物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford)的指导下， 研究者们用氦离子轰击金箔。他们意外的发现有很小一 部分离子的偏转角度远远大于使用汤姆生假设所预测值。 卢瑟福根据这个金铂实验的结果提出原子中大部分质量 和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则 像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在 穿越原子核附近时，就会被大角度的反射。
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”。
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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 • 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。
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• 电子
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在一个内部接近真空、两端封有金属电极的玻璃管通上高压直流 电，阴极一端便会发出阴极射线。荧光屏可以显示这种射线的方向， 如果外加一个匀强电场，阴极射线会偏向阳极；又若在玻璃管内装上 转轮，射线可以使转轮转动。后经证实，阴极射线是一群带有负电荷 的高速质点，即电子流。电子由此被发现。
玻尔的原子模型很好的解释了氢原子的线状光谱，但对于 更加复杂的光谱现象却无能为力。
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现代量子力学模型 物理学家德布罗意、薛定谔和海森堡等人，经过13年的艰苦论证，在现 代量子力学模型在玻尔原子模型的基础上很好地解释了许多复杂的光谱 现象，其核心是波动力学。在玻尔原子模型里，轨道只有一个量子数 （主量子数），现代量子力学模型则引入了更多的量子数（quantum number)。 • ①主量子数（principal quantum number)，主量子数决定不同的电子层， 命名为K、L、M、N、O、P、Q
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• 1913年，在进行有关对放射性衰变产物的实验中，放射化学家弗雷德 里克· 索迪发现对于元素周期表中的每个位置，不仅仅只有一种原子。 玛格丽特· 陶德创造了同位素一词，来表示同一种元素中不同种类的 原子。在进行关于离子气体的研究过程中，汤姆生发明了一种新技术， 可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现。
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。
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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。玻尔原 子结构模型的基本观点是： • ①原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit)上绕 原子核运动，不辐射能量 • ②在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E），且能 量是量子化的，轨道能量值依n（1，2，3，...）的增大而 升高，n称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为K （n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5)。 • ③当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐 射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并 被记录下来，就形成了光谱。
• 与此同时，物理学家玻尔(Niels Bohr)重新省视了卢瑟福的模型，他认 为电子应该位于确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跳跃，而 不是像先前认为那样可以自由的向内或向外移动。电子在这些固定轨 道间跳跃时，必须吸收或者释放特定的能量。当热源产生的一束光穿 过棱镜时，能够产生一个多彩的光谱。应用轨道跃迁的理论就能够很 好的解释光谱中存在的位置不变的线条。 • 1916年，吉尔伯特· 路易斯(Gilbert Newton Lewis)发现化学键的本质就 是两个原子间电子的相互作用。 众所周知，元素的化学性质按照周 期律反覆的循环。1919年，美国化学家朗缪尔（Irving Langmuir）提 出原子中的电子以某种性质相互连接或者说相互聚集。一组电子占有 一个特定的电子层。
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• 质谱的发明使得科学家可以直接测量原子的准确质量。 质谱仪通过使用一个磁体来弯曲一束离子，而偏转量取 决于原子的核质比。弗朗西斯· 阿斯顿（Francis William Aston）使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同 位素间的质量差都为一个整数，这被称为整数规则。 1932年，詹姆斯· 乍得威克（James Chadwick）发现了中 子，解释了这一个问题[20]。中子是一种中性的粒子，质 量与质子相仿。同位素则被重新定义为有着相同质子数 与不同中子数的元素。
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原子的早期历史（前6世纪～前450年）
• 关于物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念流传了上千 年，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非实验和实证 观察。 • 现存最早关于原子的概念阐述可以追溯到公元前6世纪的古印度。 正理派和胜论派发展了一种完备的理论来描述原子是如何组成更 加复杂的物体（首先成对，然后三对再结合）。 • • 西方的文献则要晚一个世纪，是由留基伯提出，他的学生德谟克 利特总结了他的观点。大约在公元前450年，德谟克利特创造了原 子这个词语，意思就是不可切割。尽管印度和希腊的原子观仅仅 是基于哲学上的理 解，但现代科学界仍然沿用了由德谟克利特所 创造的名称。 • 前4世纪左右，中国哲学家墨翟在其著作《墨经》中也独立提出了 物质有限可分的概念，并将最小的可分单位称之为“端”。
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原子的英文名是从希腊语转化而来，原意为不可切分的。
很早以前，古印度和古希腊的哲学家就提出了原子的不可切分的概念。
17和18世纪时，化学家发现了物理学的根据：对于某些物质，不能通过化 学手段将其继续的分解。 19世纪晚期和20世纪早期，物理学家发现了亚原子粒子以及原子的内部结 构，由此证明原子并不是不能进一步切分。量子力学原理能够为原子提供 很好的模型。
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组成结构
尽管原子的英文名称（atom）本意是不能被进一步分割的最小粒子，但是， 随着科学的发展，原子被认为是由电子、质子、中子组成，它们被统称为 亚原子粒子。几乎所有原子都含有上述三种亚原子粒子，但氕没有中子， 其离子（失去电子后）只是一个质子。 亚原子粒子具有量子化特征和波粒二象性，公式表述为：λ=h/p=h/mv， 式中λ为波长，p为动量，h为普朗克常数[8]。
原子的99.9%的重量集中在原子核， 其中的质子和中子有着相近的质 量。每一种元素至少有一种不稳定的同位素，可以进行放射性衰变。
电子占据一组稳定的能级，或者称为轨道。当它们吸收和放出光子的时 候，电子也可以在不同能级之间跳跃，此时吸收或放出光子的能量与能级 之间的能量差相等。电子决定了一个元素的化学属性，并且对原子的磁性 有着很大的影响。