1803年,英國(guó)自然科學(xué)家約翰·道爾頓提出了原子的實(shí)心球模型,認(rèn)為原子是一個(gè)不可再分的堅(jiān)硬實(shí)心小球,第一次將原子從哲學(xué)帶入化學(xué)研究中,讓化學(xué)從古老的煉金術(shù)中擺脫出來。 實(shí)心球體原子模型 1903年,J.J.湯姆森提出原子的葡萄干圓面包模型,認(rèn)為原子是一個(gè)帶正電荷的球,電子鑲嵌在里面,并在其平衡位置上做微小振動(dòng)。你可以把這個(gè)模型想象成西瓜子分部在西瓜瓤中,叫“西瓜模型”也可以。葡萄干圓面包原子模型為建立現(xiàn)代原子核理論打下了基礎(chǔ)。 葡萄干圓面包原子模型 1909年,漢斯·蓋革和恩斯特·馬斯登(Jishi.Y)在歐內(nèi)斯特·盧瑟福指導(dǎo)下,用α射線轟擊薄金箔,發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的α粒子都照直穿過,偏轉(zhuǎn)很小,大約有1/8000的α粒子會(huì)發(fā)生大于90°甚至等于150°的大角散射。依據(jù)葡萄干圓面包模型,α粒子應(yīng)當(dāng)被全部反彈回來,而不是穿“墻”而過。 α粒子散射實(shí)驗(yàn) 1911年,英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福根據(jù)α粒子散射實(shí)驗(yàn),提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型,認(rèn)為電子像太陽系的行星圍繞太陽轉(zhuǎn)那樣,圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。星系模型很快就遇到了大麻煩。根據(jù)經(jīng)典電磁理論,繞核旋轉(zhuǎn)的電子會(huì)發(fā)射出電磁輻射而損失能量,瞬間便掉進(jìn)原子核里。行星原子模型明顯與實(shí)際情況相悖,盧瑟福很是頭疼。 行星原子模型 1912年,玻爾在盧瑟福行星模型的基礎(chǔ)上,引入了普朗克的量子概念,假設(shè)電子在核外的軌道是分離的、不連續(xù)的,也就是量子化的。量子軌道原子模型將量子假說推廣到原子內(nèi)部的能量,假定原子只能通過分離的能量子來改變它的能量,即原子只能處在分離的定態(tài)軌道之中,且最低的定態(tài)就是原子的正常態(tài)。 量子化軌道原子模型給出了這樣的原子圖像:電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運(yùn)動(dòng),離核愈遠(yuǎn)則能量愈高;可能的軌道由電子的角動(dòng)量為h/2π的整數(shù)倍決定;當(dāng)電子在這些可能的軌道上運(yùn)動(dòng)時(shí),原子不發(fā)射也不吸收能量;當(dāng)電子從一個(gè)軌道躍遷到另一個(gè)軌道時(shí),原子才發(fā)射或吸收能量,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(guān)系,用公式E=hν表達(dá)。以氫原子為例,假設(shè)氫原子核外電子的軌道不是連續(xù)的,而是分立的,在軌道上運(yùn)行的電子具有一定的角動(dòng)量(L=mvr,其中m為電子質(zhì)量,v為電子線速度,r為電子線性軌道的半徑),只能按下式取值:L=n(h/2π)n=1,2,3,4,5,6…… 玻爾的量子軌道原子模型成功地解決了原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題,和氫原子光譜線規(guī)律。玻爾的理論擴(kuò)展了量子論的影響,加速了量子論的發(fā)展。美中不足的是,玻爾的量子軌道原子模型只能有效描述結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的氫原子。 量子軌道原子模型 1926年,奧地利學(xué)者薛定諤在德布羅意關(guān)系式的基礎(chǔ)上,對(duì)電子的運(yùn)動(dòng)做了適當(dāng)?shù)臄?shù)學(xué)處理,提出了二階偏微分的薛定諤方程式。這個(gè)方程式的解的模的平方,用三維坐標(biāo)圖形來表示,就是電子云。 電子云,是用統(tǒng)計(jì)的方法,對(duì)電子在核外空間分布方式的形象描繪。電子有波粒二象性,不像宏觀物體的運(yùn)動(dòng)那樣具有確定的軌道。電子在某一時(shí)刻,究竟會(huì)出現(xiàn)在核外空間的哪個(gè)地方,不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè),只能知道它在某處出現(xiàn)的幾率有多少。單位體積內(nèi)電子出現(xiàn)的幾率,用小白點(diǎn)的疏密來表示,小白點(diǎn)密處表示電子出現(xiàn)的幾率密度大,小白點(diǎn)疏處表示電子出現(xiàn)的幾率密度小,看上去就像一片帶負(fù)電的云狀物,籠罩在原子核周圍,所以叫電子云。 電子云原子模型 在微觀量子世界,人類只能依靠模型來理解亞原子粒子。模型更接近于真實(shí),人們甚至覺得模型就是真實(shí)。不同的歷史時(shí)期,不同的模型能夠解決不同的問題。我們不能說現(xiàn)在的模型是對(duì)的,以前的模型是錯(cuò)的,因?yàn)檎l也不知道微觀量子世界的“真實(shí)”究竟是什么,像什么。昨天討論“反對(duì)絕對(duì)真理是科學(xué)的基本精神”,有的朋友表示不服,原因在于他們還停留在經(jīng)典物理學(xué)的思維模式之中,還沒有接受“觀察者不能獨(dú)立于被觀察對(duì)象”的量子力學(xué)認(rèn)識(shí)論,陷入反對(duì)“反對(duì)絕對(duì)真理”的思維陷阱而不能自拔。 |
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