原子模型的历史演变

原子模型的历史演变

原子历史模型的历史演变当然是说历史。早在几千年前，人们就有物质是由离散单元组成且能够被任意分割的概念，但这些想法只是基于抽象的、哲学的推理，而非实验和实验观察。随着时间的推移以及文化及学派的转变，哲学上原子的性质也有着很大的改变。由古希腊人留基伯（公元前500—约公元前440年）提出的原子论让原子的性质有哲学上转为科学上。随后留基伯的学生德谟克利特认为,万物的本原或根本元素是“原子”和“虚空”。其中“原子”在希腊文中是“不可分”的意思。德谟克利特用这一概念来指称构成具体事物的最基本的物质微粒。在这时原子由哲学上的概念转为科学上的物质。

从原子的提出到现在，原子模型的发展经历了几个发展阶段。先是1808年由道尔顿提出的道尔顿模型：原子是一个坚硬的小球；然后是1879年由汤姆生提出的汤姆生模型：原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，原子好似一块“不满浆果的松糕”（也叫松糕模型）；再到1911年汤姆生的学生卢瑟福提出的卢瑟福模型：原子的大部分体积是空的，电子随意的围绕着一个带正电荷的很小的原子核运转；接着就是1913年波尔提出的波尔模型：电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量；最后就是20世纪20年代以来现代模型（电子云模型）电子绕核运动形成一个带负电荷的云团，在一个确定电子的时刻不能精确测定电子的确切位置。

接下来就简单地介绍各种原子模型。首先是，约翰·道尔顿（公元1766～公元1844）英国化学家和物理学家，在19世纪初把原子假说引入了科学主流。他所提供的关键的学说，使化学领域自那时以来有了巨大的进展。附带一提的是道尔顿患有色盲症。道尔顿模型理论总结为如下三点：

①原子都是不能再分的粒子；

②同种元素的原子的各种性质和质量都相同；

③原子是微小的实心球体。

接着就是约瑟夫·约翰·汤拇生1856年—1940年，著名的英国物理学家，以其对电子和同位素的实验著称。他是电子发现者、第三任卡文迪许实险室主任。1897年汤姆生在研究稀薄气体放电的实验中，证明了电子的存在并测定了电子的荷质比，这一试验轰动了物理界。

①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。

②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。

汤姆生提出的汤姆生模型已经比道尔顿模型更进一步，说明了原子并不是不能再分的物质，原子里还有正电荷和负电荷，但这也说明汤姆生模型的局限性，那就是只能说明了原子中有电子的存在和电子带负电,不能正确表示原子的结构。后来卢瑟福提出的原子模型就完善了这个缺陷。

再到欧内斯特·卢瑟福，卢瑟福生于1871年，卒于1937年。是新西兰科学家。1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生。提出了原子结构的行星模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。被称为近代原子核物理学之父。

1911年，卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。1919年，卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子，并测定了它

的电荷与质量，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，而这个粒子就是质子。他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道，而且还导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱。

①原子的大部分体积是空的；

②在原子的中心有一个很小的原子核；

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绕核运动。

然后就是波尔，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。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福原子模型在稳定性方面的困难。

①行星模型：

氢原子核外电子是处在一定的线性轨道上绕核运行的，正如太阳系的行星绕太阳运行一样。

②定态假设

氢原子的核外电子在轨道上运行时具有一定的、不变的能量，不会释放能量，这种状态被称为定态。能量最低的定态叫做基态；能量高于基态的定态叫做激发态。

③量子化条件

氢原子核外电子的轨道不是连续的，而是分立的。

④跃迁规则

电子吸收光子就会跃迁到能量较高的激发态，反过来，激发态的电子会放出光子，返回基态或能量较低的激发态；光子的能量为跃迁前后两个能量之差。

到了近代，人们对原子的认识又更进一步，提出了电子云模型。电子云是1926年奥地利学者薛定谔在德布罗伊关系式的基础上，对电子的运动做了适当的数学处理，提出了二阶偏微分的的著名的薛定谔方程式，这条薛定谔为今后的量子力学奠定了坚实的基础。也就是在玻尔模型的基础上对电子用统计的方法，在核外空间分布方式的形象描绘，因为电子具有有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。

随着时间的推移，人类对原子的认识逐渐深入，由最初的概念转为物体，由球体到里面的电子和原子核，再由静态电子到电子云结构。到下了现代，我们人类还发现夸克、胶子、希格斯玻色子等等。今后人类对原子的认识也会比现在更深入。