原子结构演变史

现代原子学说
CHAPTER THREE
CHAPTER THREE 海森堡——电子云模型
不确定原理
一个微观粒子的某些物理量（如位置和动量，或方位角与动量矩， 还有时间和能量等），不可能同时具有确定的数值，其中一个量越确定， 另一个量的不确定程度就越大。即△p* △X≥h/2π（h是普朗克常数），它 反映了微观粒子运动的基本规律，是物理学的重要原理。这也就是说明 了在原子中，电子没有确定的运行轨迹，显然行星模型违背了这一点。 因此薛定谔在德布罗意关系式的基础上，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。这个方程式的解，如 果用三维坐标以图形表示的话，就是电子云。
CHAPTER TWO
卢瑟福行星模型——α散射实验
缺陷： 虽然行星模型能够很好的解释散射实验，也提出了原子核的概念， 但是没有很好的解释核外电子的排布。因为物理学家们很快就指出， 带负电的电子绕着带正电的原子核运转，这个体系是不稳定的。两者 之间会放射出强烈的电磁辐射，从而导致电子一点点地失去自己的能 量。作为代价，它便不得不逐渐缩小运行半径，直到最终“坠毁”在 原子核上为止，整个过程用时不过一眨眼的工夫。显然原子在常态下 是稳定的，这一推论与现实不符。
CHAPTER TWO
汤姆生枣糕模型——阴极射线实验
验证道尔顿的原子说时，汤姆生发现在做α散射实验中气 体在X射线照射下会变成电的导体。 据汤姆生的推测：这种导电性，可能是由于在X射线的作 用下，产生了某种带正电的和带负电的微粒所引起的。
可是怎么往称量那么小的粒子呢？
CHAPTER TWO 汤姆生枣糕模型——阴极射线实验
物质是否可以无限分割？
物质是由什么 构成的？
A

T
O M
ATOM STRUCTURE
原子结构发展史
CONTENTS
哲学时代 希腊哲学家德谟克 利特提出：万物是
近代 历经道尔顿、汤姆生、卢 瑟福、玻尔、佩兰等科学 家的不懈研究，人类对原 子结构有了进一步认识。
现代 薛定谔在海森堡提出的德布 罗意关系式的基础上，对电
上古时代的原子论不是科学理论，它只 是一种哲学的推测。
近代原子学说
CHAPTER TWO
CHAPTER TWO 近代原子学说
1
道尔顿
2
汤姆生 1904
3
卢瑟福 1911 α粒子散射实验
3
玻尔
1913 量子论
1803
阴极射线实验 实心球模型 枣糕模型
行星模型
玻尔量子化轨道
CHAPTER TWO 道尔顿原子说
CHAPTER TWO 玻尔——行星模型的修正者
在卢瑟福模型的基础上，玻尔通过研究氢光谱，他提出了电子在核 外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令 人信服的原子结构学说。
波尔模型的三条假设： ①定态——原子只能处于一系列不连续的能量状态 中，在这些状态中原子是稳定的，电子虽然作加速 运动，但并不向外辐射能量。 ②跃迁——原子从一种定态跃迁到另一种定态时， 它辐射一定频率的光子。 ③轨道量子化——原子的不同能量状态与电子沿不 同的圆形轨道绕核运动相对应，电子的轨道分布不 连续。
CHAPTER TWO 卢瑟福行星模型——α散射实验
实验结果： 绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了较 大的偏转，并有极少数α粒子的偏转超过90°，有的甚至几乎达到180°而被反弹 回来，这就是α粒子的散射现象。
实验结论： （1）原子内大部分是空的，所以α粒子可以穿过原子 （2）原子所有正电荷和质量几乎全部集中在一个很小 的区域，即原子核。
CHAPTER TWO 卢瑟福行星模型——α散射实验
实验用准直的α射线轰击厚度 为微米的金箔，发现绝大多数的α 粒子都照直穿过薄金箔，偏转很 小，但有少数 α粒子发生角度比汤 α粒子是某些放射性物质衰变时放射出来的氦原子核， 姆生模型所预言的大得多的偏转， 由两个中子和两个质子构成，质量为氢原子的4倍，速度 大约有1/8000 的α粒子偏转角大 每秒可达两万公里，带正电荷。穿透力不大，在遇到物体 于90°，甚至观察到偏转角等于 时会发生偏转或反弹。 150°的散射，称大角散射，这种 大角度偏转的α 粒子对各种角度的 分布并不遵守预期的概率定律。 更无法用汤姆森模型说明。 因此卢瑟福提出了另一种原子模型——行星模型
汤姆生利用电场和磁场来丈量这种带电粒子流的 偏转程度，以推测粒子的重量。他说，粒子愈重，愈 不易被偏折；磁场愈强，粒子被偏折愈厉害。丈量这 些粒子被偏折的程度和磁场强度，就能间接地测出它 们的质量，亦即能得出粒子所带电荷与其质量之比。
CHAPTER TWO 汤姆生枣糕模型——阴极射线试验
结论： （1）阴极射线由极小的带负电的电子组成 缺陷： （2）电子应该来自管中气体的原子内部或者金属电 保留了道尔顿认为原子是实心的观点，认为原子像西瓜 极中的原子内 一样，电子好比西瓜子带负电荷，西瓜瓤带正电荷。 （3）由于任何材料的射线之荷质比相同，所以电子 是所有原子内的一种基本粒子 （4）由于荷质比很大，所以电子一定非常小。 这种原子模型很像枣糕葡萄干，所以也叫作枣糕模型。 是人类第一次发现并命名电子！
CHAPTER THREE 海森堡——电子云模型
不确定原理
电子有波粒二象性，我们 不能预言它在某一时刻究 竟出现在核外空间的哪个 地方，只能知道它在某处 出现的机会有多少。就以 单位体积内电子出现几率， 即几率密度大小，用小白 点的疏密来表示。看上去 好像一片带负电的云状物 笼罩在原子核周围，因此 叫电子云。
英国化学家，道尔顿，1803年继承古 希腊朴素原子论和牛顿微粒说，提出原子学 说： 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。 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"
CHAPTER TWO 玻尔——行星模型的修正者
但这个理论本身仍是以经典理论为基础，且其理论又与经典理论 相抵触。它只能解释氢原子的光谱，在解决其他原子的光谱是就遇到 了困难，如把理论用于非氢原子时，理论结果与实验不符，且不能求 出谱线的强度及相邻谱先之间的宽度。这些缺陷主要是由于把微观粒 子(电子,原子等)看作是经典力学中的质点，从而把经典力学规律强加 于微观粒子上(如轨道概念)而导致的。 “玻尔理论”的提出，打破了 经典物理学一统天下的局面，开创了揭示微观世界基本特征的前景， 为量子理论体系奠定了基础，这是一种了不起的创举。
感谢聆听
SUMMARY
纵观人类对原子结构的探索，不难发现：人们对 于物质的认识总是从宏观到微观，一代代科学家在前人 的基础上不断反思总结，或验证或推翻前人的理论。而 科学的理论也就在这样的建立——推翻的进程中不断得 以修正完善。因此，我们对于科学也要抱着虔诚而又怀 疑的立场。
A
T
O M
THANK YOU
CHAPTER THREE 更小的微粒——夸克
夸克
1967年，三位科学家用此加速器进行 实验，并最终证明夸克的存在。 质子和中子的组成:一个质子由两个 上夸克和一个下夸克组成，一个中 子由两个下夸克和一个上夸克组成。
SUMMARY
总结
SUMMARY
德谟克利特
道尔顿
汤姆生
海森堡
波尔
卢瑟福
科学的探索和研究永无止境……
由大量不可分割的
微粒构成，即原子
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。
原子概念的提出
CHAPTER ONE
CHAPTER ONE 原子概念
原子概念的提出
公元前5世纪，希腊哲学家德谟克利特提出：万物是 由大量不可分割的微粒构成，即原子。
CHAPTER ONE 原子概念