原子模型

原子模型是人們對物質世界微觀結構的認識而建立的模型。目前人們普遍接受的原子模型為由原子核（質子和中子）和電子構成，電子繞核做不規則運動，形成的電子云模型。原子模型最早由英國科學家道爾頓（Dalton）在1803年提出，經過湯姆遜（Thomson）、盧瑟福（Rutherford）、波爾（Bohr）等人的改進與完善，進而形成了近代原子模型。

基本介紹

• 中文名：原子模型
• 外文名：Atom model
• 提出者：約翰·道爾頓
• 提出時間：1803年
• 套用學科：物理、化學等
• 基本組成：原子核和核外電子

概述

人類認識原子的歷史是漫長的、也是無止境的。原子結構模型是科學家根據自已的認識對原子結構的形象描體，一種模型代表了人類對原子結構認識的一個階段。原子模型主要經歷了道爾頓原子模型、湯姆遜原子模型、盧瑟福的含核原子模型及波爾原子模型等幾個重要階段，簡明形象地表示出了人類對原子結構認識逐步深化的變過程。

發展歷程

道爾頓原子模型

隨著經驗知識的積累，隨著對客觀世界認識的不斷深入，道爾頓（Dalton，英國）於1803年提出的原子學說與古老的原子論有本質的區別，道爾頓原子學說的要點如下：

（1）原子是最小的、不能再分割的實心球體，同種元素的原子是相同的，如體積、質量以及化學性質等，但不同元素的原子是不同的；
（2）化合物是由兩種成兩種以上元素的原子組成的，在化合物中，任意兩種元素的原子數之比不是一個整數就是一個簡單的分數；
（3）化學反應就是不同原子的分離、結合成重新組合，而沒有原子的創生或消失。

道爾原子學說不僅能夠充分解釋已有的化學基本定律（如質量守恆定律、當量定律等），面且能與實驗事實相互印證，從而使該學說去掉了哲學面紗，真正成為一種科學理念，道爾頓原子學說的建立，標誌著人類對物質結構的認識前進了一大步，為物理學、化學和生物學的發展奠定了重要的理論基礎，特別是打開了化學學科洶湧澎湃、迅速發展的閘門，但另一方面，由於當時科學水平和實驗條件的限制，原子不可分割的思想在較長一段時間阻礙了物質結構理論的進一步發展。

湯姆孫原子模型

到了1890年，人們發現在高電壓的作作用下，陰極射線管的陰極會發出一種看不見的射線，這種射線向陽極移動，但如果在玻璃質的射線管表面徐一層硫化鋅，則陰極射線會以綠色螢光的形式展現在人們面前，進一步通過該射線與磁場相互作用的實驗發現，這種射線是由帶負電荷的粒子流組成的，如圖所示，人們把這種帶負電荷的粒子叫做電子，到了20世紀初，已積累的大量實驗結果表明：所有原子中都包含有電子，緊接著又相繼發現了X射線和放射性衰變。種種跡象表明，原子並非不可分割，原子中既包含帶負電荷的電子，也包含帶正電荷的原子核，而且原子也可以發生變化。進一步從電子的荷質比（即所帶的電量與其質量之比e/m）測定結果發現，電子的質量遠小於整個原子的質量，在此基礎上，湯姆孫（Tomson，英國）於1904年提出了新的原子模型，即原子是球形膠凍狀的顆粒，其中均勻分布著一定數量的正電荷，並且在這個球形膠凍狀的顆粒上鑲嵌著一定數量的電子，但是原子作為一個整體是電中性的，其中包含的正電荷數目和負電荷數目相等。

盧瑟福的含核原模型

20世紀初，物理學家盧瑟福（Rutherford，英國）等人做了多次α粒子（即氦原子核He）散射實驗，如圖7所示。結果是α粒子受到鉑薄膜散射時，絕大多數的散射角在2°~3°之間，但是約有1/8000的α粒子的散射角大於90°，其中還有接近180°的，該實驗結果用湯姆孫原子模型是無法解釋的，因此，盧瑟福於1911年提出了含核原子模型，他認為在原子中心，有一個帶正電的、體積很小的，幾乎集中了全部原子質量的原子核。在原子核外有與原子核所帶正電荷數目相同的電子，這些電子在原於核外繞核高速旋轉。原子核的直徑大約在10^-15~10^-14m之間，而原子直徑通常約為10^-10m。

玻爾原子模型

盧福的含核原子模型雖然簡單易懂，但是用該模型無法解釋隨後不久發現的線狀氫光譜，我們們知道，當日光通過一個稜鏡時，會得到如同彩虹一樣的色帶。隨著透射光的顏色依紅、橙、黃、綠、青、藍、紫的次序變化，其波長是連續變化的，即得到的是連續光譜，我們把這種連續光譜稱為帶狀光譜。與此形成鮮明對照的是，如果在一個密封的玻璃管中裝有稀薄的氫氣並使其灼熱發光，此光被校鏡分解後得到的是一組具有不同波長的線狀光。這組線狀光譜由一條條波長確定的光線組成，而不是波長連續變化的帶狀光譜，如圖所示。

根據經典的電磁理論，電子繞原子核高度旋轉時必然會發射電磁波，與此同時電子的能量會逐漸減小，最終電子會落到原子核上，這時原子就毀滅了，用經典電磁理論分析得到的這種結論顯然與事實不符，其根本原因在於盧瑟福的含核原子模型仍有不足之處，為了說明氫原子光譜的實驗結果，玻爾（Bohr，丹麥）於1913年結合已有的實驗結果，並引用普朗克的量子理論即徽觀粒子不能以連續的電磁波形式吸收或發射能量，而只能不連續地，一份一份地吸收或發射能量，提出了玻爾原子模型，玻爾原子模型要點如下：

（1）核外電子只能在一些特定的具有一定能量的圓形軌道上運動，這種運動不吸收也不放出能量，即在電子運動過程中原子的能量不變。把這種運動狀態叫做定態（stationarystate），在不同軌道上運動的電子就處於不同的定態。

（2）當電子在離核最近的軌道上運動時電子的能量最低，把這種定態稱為基態（groundstate），通常各原子都處於基態，當外界供給能量時，處於基態的電子就有可能吸收能量而被激發跳躍到離核較遠的、能量較高的軌道上運動，把這種能量較高的定態叫做激發態（excited state）。

（3）當電子在不同定態之間躍遷時，會隨能量的吸收或放出。如果是以電磁波的形式吸收或放出能量，則電磁波的頻率v與兩個定態間的能量差△E的關係如下：

ΔE=| - |=hν

其中，h=6.626×10^-34J▪s，h為普朗克常數。

由於不同定態（亦即不同能級）的能量E1、E2，…是分立的、不連續的，所以吸收或發射光譜的頻率（或者波長）也是分立的、不連續的，其光譜是線狀光譜。

雖然用玻爾原子模型可以說明簡單的氫原子光譜，但這只是其成功的一面。實際上，用解析度很高的儀器時，上述圖所示的每一條氫原子譜線都是由波長很接近的幾條譜線組成的，用玻爾原子模型無法說明這種氫原子光譜的精細結構，也不能說明多電子原子光譜，這說明玻爾原子模型也有它的不足之處。儘管如比，玻爾理論第一次把光譜實驗事實納人了一個理論體系中，在含核原子模型的基上提出一種動態的原子結構輪席。該理論指出了經典物理學不能完全適用於微觀粒子，提出了微觀粒子運動特有的量子規律，開闢了當時原子物理學向前發展的新途徑.