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原子模型的发展

原子模型的发展

史上关于原子结构的理论和观点的主要阶段。

化学

关键词

原子模型, 德谟克利特, 道尔顿, 汤姆森, 卢瑟福, 玻尔, Sommerfield, 海森堡, 薛定谔, 核, 电子云, 原子结构, 质子, 电子, 中子, 基本粒子, 原子, 励磁, 光谱, 量子力学, 化学

相关附加项

场景

德谟克利特

根据德谟克利特和他的老师留基伯的理论,物质都是由微小的,不可分割的粒子组成的,这种粒子叫作原子。根据他们的模型,原子永恒存在:它们既不会被毁灭,也不会产生;它们大小形状不一,可能是用小钩子连接在一起的。

原子的特性决定了不同原料的特性。例如,这篇动画中带钩子的圆形原子有苦味,带粘性。甜味的原料都是又小又圆的。这样,它们就能渗透到不同的材料中,改变其味道。

今天我们知道,这个天真的原子模型并不正确。但是这个理论在科学史上是重要的,因为它标志着一个概念在公元前四到五世纪诞生了,即物质具有非连续性的、量子化的本质。

道尔顿

根据英国科学家约翰·道尔顿的理论,化合物是由不同的原子组合构成的。他把原子描述成不可分割的微小球体。道尔顿模型基本上是德谟克利特原子理论的升级版。

根据道尔顿所说,物质的密度取决于原子之间的距离。尽管后来证实,原子并非不可分割,但是他正确假设了原子的存在。

汤姆森

到19世纪末,事实变得清晰,原子不可分割理论再也不能维持下去了。在世纪之交,英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆森注意到,阴极射线是由带负电的粒子组成的,由此,他证实了电子的存在。

他从几个实验中总结出,电子可以从任何元素的原子中分离出来,因此,所有的原子都带有电子。由于原子是电中性的,他假设带负电的电子是嵌入在一种带正电的物质中的。汤姆森将这称为“葡萄干布丁模型”,因为这个假设模型让他想起了嵌在布丁表面的葡萄干。

卢瑟福

在欧内斯特·卢瑟福的实验中,他用α粒子,即氦核,轰击金箔。大多数α粒子直接穿过了金箔,而少数α粒子在穿过金箔的时候改变了它们的方向,其中一些被从金箔中反射出来,阴极射线是由带负电的粒子组成的,由此,他证实了电子的存在。

如果汤姆森的原子模型是正确的,那么所有的α粒子运动速度将会减慢,但它们穿过金属时不会改变方向。只有金原子的大多数重量被压缩在一个相当小的空间内,才可能得出卢瑟福实验中的结果。

基于他的实验结果,卢瑟福于1911年开发并公布了他的原子模型。在这个模型中,电子围绕着带正电的原子核运动。原子核的直径大约是原子直径的一万分之一。

波尔

但发展新的模型变得有必要了,因为根据一些计算,在卢瑟福模型中,围绕原子核运动的电子应该持续放射能量,使电子的运动速度减慢,最终螺旋式地运动到原子核中去。然而,一般的实验都表明原子并没有坍塌

因此,卢瑟福的原子模型必须进行修正。这个问题在1913年被丹麦物理学家尼尔斯·玻尔解决了。他提出的假设如下:电子只能在圆轨道中绕原子核运动。这样,电子就不会螺旋式运动到原子核中去;它们可以从一个轨道跃迁到另一个轨道。

当电子以光子的形式吸收能量时,它就受到激发,进入一个更高的能量轨道,离原子核更远。电子也可以通过释放能量进入更低的能量轨道。

因为电子只能吸收或释放携带有跃迁所必须的能量的光子,所以原子的发射光谱和吸收光谱都是不连续的。这与氢原子的实验结果相符。

佐默费尔德

索莫菲改进了玻尔的原子模型,并于1920年公布了他的理论。这也叫做“玻尔-索莫菲模型”。在这个原子模型中,电子也只能在特定的轨道上绕原子核运动,但轨道也可以是椭圆的

海森堡,薛定谔

  • X
  • Y
  • Z

海森堡·薛定谔模型又被称为原子的量子力学模型。根据量子力学,粒子不能被描述为拥有确切位置的小球。将原子的电子壳层描述为电子云则更为实际。我们多少在电子云中的几个特定的点找到电子。

原子中有原子轨道,在这些轨道内又有s,p,d,f这些具有特定形状的支壳层。根据我们当前对宇宙的结构和运行的了解,这个原子模型是反映现实的最好方法。

解说

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