原子结构模型的发展史

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。道耳顿第一次将原子从哲学带入化学研究中，对原子认识方面做出了不可磨灭的贡献，他通常被看成是科学原子论之父。

在19世纪末物理学上有了三大发现：伦琴发现了X射线，贝克勒尔发现了物质的放射性以及汤姆生实验发现了电子的存在。这些发现揭示了原子具有复杂的结构。汤姆逊设想的原子结构模型是：在一团均匀弥漫的正电荷球体里，分布着一颗颗电子。这些电子绕原子的中心旋转并且具有壳层结构，形成电子环, 这就是著名的“葡萄干布丁”模型[3]。由这个模型出发，汤姆逊对当时发现的一些现象进行了解释，同时提出了关于原子结构方面的一些比较深刻的见解：第一，关于放射性的来源。汤姆逊指出电子在一定的环上运动是加速运动, 按照经典电磁理论，它会向外辐射，用这一现象便可以解释放射性[4]。第二，关于原子内电子分布的周期性。汤姆逊认为，每一个电子在环上运动产生的辐射受到邻近电子的抑制。由于电子之间互相排斥，当足够多的电子聚集到同一个电子环上时，不再发出辐射，力学稳定性要求每一电子环上只能容纳一定数目的电子。当在一个电子环上容纳的电子数目超出了力学稳定性的要求时，任何一个电子产生的摄动都会使一个环崩溃。因而，力学稳定性的条件可能是原子内电子分布周期性的一个线索[5]。

卢瑟福1910年底依据粒子散射实验却提出了原子的核式结构模型[6]。他认为所有原子都有一个原子核，核的体积只占整个原子体积很小的一部分，原子的正电荷以及绝大部分质量集中在核上，电子像行星绕着太阳那样绕核运动。卢瑟福模型的可取之处：大胆提出了以核为中心以及高密度原子核概念，还有将原子分为核内和核外两部分。然而，卢瑟福模型并不能解释原子的稳定性以及原子发射的是线状光谱。

通过精心研究，玻尔认为[7]：原子有一个带正电的原子核，电子分布在以原子核为中心的不同圆环上运动。为了说明电子的普遍稳定性和原子的辐射特牲，他提出了两条假设：即稳定态假设和辐射频率假设。他提出原子能够，而且只能够稳定地存在于与分立的能量相应的一系列状态中，在不同轨道上运动的电子具有不同的量子化的能量；原子能量的任何变化，只能在两个定态之间以跃迁的方

式进行，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。

三现代较完善的原子模型

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，对于具有波粒二象性的微观粒子在一个确定时刻其空间坐标与动量不能同时测准，这是德国物理学家海森堡在1927年提出的著名的测不准原理。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[8]。

①主量子数，主量子数决定不同的电子亚层，命名为K、L、M、N、O、P、Q。

②角量子数，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、g，表示对多电子原子来说，电子的运动状态与l有关。

③磁量子数磁量子数决定不同能级的轨道，符号“m”。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自旋磁量子数处于同一轨道的电子有两种自旋，即“↑↓”自旋现象的实质还在探讨当中。

四总结

原子模型从最初的古希腊时期的哲学上的猜想与假设，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，使人们逐渐真正认识了世间事物的本质。原子模型的不断修正和改进始终伴随着科学技术的进步与发展，模型理论产生于实验研究的结果和现象，又将理论用于解释一定的物理现象，使原子模型有着充分的科学依据。古希腊哲学上的原子论启发了近现代的各种原子模型，明确了物质是由原子组成的，并且在不停地运动。道尔顿原子论使人们真正从科学的角度来看待原子模型。汤姆生模型中对电子的肯定、卢瑟福模型对原子核的断定、以及波尔模型的稳定态假设和辐射频率假设以及现代量子力学模型的出现，正是社会进步的体现。

参考文献：

[1]吴欣.“原子理论”发展史在教学中的渗透[J].中国电力育,2012,(8):90-91.

[2]Karen R. Zwier. John Dalton’s puzzles: from meteorology to chemistry[J]. Studies

in History and Philosophy of Science, 2011, 42:58–66.

[3] 赵小蕾,徐小美.原子模型的发展过程及其中的物理思想[J].科教文

汇,2009,31:194-194,275.

[4]Heilbror J L. Dictionary of scientific biography[J] .New York: Charles Scribner's

Sons, 1976,13:368-369.

[5]季淑莉.汤姆逊对玻尔建立原子模型的影响[J]. 陕西师范大学学

报,1999,27(2):100-102.

[6]毛宏伟.卢瑟福与原子核式结构模型[J].物理教师,2011,32(8):49-50.

[7]赵严峰,岳贵生,王超杰. 玻尔原子结构理论的历史地位[J].天中学

刊,2001,16(5):76-77.

[8] 杨兵初.大学物理学[M].北京: 高等教育出版社, 2005.7.