原子结构模型的演变过程

一、原子结构模型的演变过程

1、古希腊原子论

早在2500多年以前，古希腊人留基伯就已经提出了原子的概念，他是‘德谟克利特’的老师。他认为万物的本原或根本元素是“原子。“原子”在希腊文中是“不可分”的意思，德谟克利特用这一概念来指称构成具体事物的最基本的物质微粒。

原子的根本特性是“充满和坚实”,即原子内部没有空隙,是坚固的、不可入的,因而是不可分的。德谟克利特认为原子在数量上是无限的;原子处在不断的运动状态中,它的惟一的运动形式是“振动”;原子的体积微小,是眼睛看不见的。

原子论主张世界是统一的，自然现象可以得到统一的解释，但统一不是在宏观层次上进行的，不是将一些自然物归结为另一自然物，而是将宏观的东西归结为微观的东西，这些微观的东西就是原子。

为什么世界上诸多事物彼此不一样呢？原子论回答说，这是因为组成他们的原子在形状、数量、大小上不一样。这个回答看似平常，但非同一般。原子论把这些质的区别还原成一些量上的差异，就使统一的自然界可以用数学来描述。我们知道在今天，数学对于自然界是不可少的，之所以会这样，正是因为有原子论这样的思想基础。

原子论在古希腊时代只是一种思辨的产物，主要是一种哲学理论，不是科学理论。但作为一种杰出的科学思想，原子论有其重要的历史地位。

20世纪，人们对于原子核的内部组成又有了新的发现，这一切科学成就都源于古希腊原子论者的天才构想。

2、道尔顿原子论

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1803年，英国化学家道尔顿提将古希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。

理论①原子都是非常微小的、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”。

3、1904年汤姆森提出“葡萄干蛋糕”原子模型
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1879年，汤姆生发现电子，证明阴极射线为一束带负电的粒子，否定了道尔顿的“实心球模型”。1904年发表论文，他运用经典力学理论，根据电荷之间的作用力，进行了大量计算，求证电子稳定分布所应处的状态。汤姆生认为，原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面。这种模型，原子好似一块“葡萄干布丁”，故名“枣糕模型”或“葡萄干蛋糕模型”；或是像西瓜子分部在西瓜瓤中，所以也叫“西瓜模型”。 汤姆森的葡萄干蛋糕模型，是第一个存在着亚原子结构的原子模型。
原理①电子是平均的分布在整个原子上的，就如同散布在一个均匀的正电荷的海洋之中，它们的负电荷与那些正电荷相互抵消。②在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。
4、卢瑟福“行星绕太阳”
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汤姆森的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔实验（散射实验），否认了葡萄干面包式模型的正确性。
1911年卢瑟福提出行星模型：在这种模型里，他把原子描绘成一个微小的、致密的、中心有一原子核、而原子核被离核有相当大距离、但仍在原子内部的、以不可想象的速度快速运动着的电子所包围的粒子。原子核和核外电子的区分是卢瑟福原子结构模型的重要发现。
行星模型由卢瑟福提出，以经典电磁学为理论基础，主要内容有：①原子的大部分体积是空的,②在原子的中心有一个很小的原子核,③原子的全部正电荷在原子核内，且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行绕核运动。
5、玻尔量子化原子结构模型
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1913年玻尔提出了新的模型。
电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。
为了解释氢原子线状光谱这一事实，玻尔在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。
玻尔原子结构模型的基本观点是：①在原子中，电子不能沿着任意轨道绕核旋转，而只能沿着符合定条件（从量子论推导出的条件）的轨道旋转。电子在这种轨道上运动时，不吸收或放出能量，处于一种稳定状态；②原子中的电子在不同轨道运动时可具有不同的能量，电子运动时所处的能量状态称为能级。电子在轨道上运动时所具有的能量只能取某些不连续的数值，也就是说电子的能量是量子化的；③只有电子从某一个轨道跃迁到另一轨道时，才有能量的吸收或放出。当电子从能量较高的轨道跃迁到能量较低的轨道时，原子就放出能量。放出的能量转变为1个辐射能的光子，其频率可由两个轨道的能量差决定。
玻尔提出的原子结构模型，揭示了光谱线与原子结构的内在联系。这是一个开拓性的贡献。
6、现代电子云模型
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当然，玻尔的原子结构模型也不是十分好的。后来，法国的物理学家德布罗意、奥地利物理学家薛定谔、德国物理学家海森伯等人，经过13年的艰苦修改、验证、论证，终于在玻尔原子模型的基础上发展成为原子的量子力学模型。该模型已经经受了半个多世纪的考验。
原子的量子力学模型包括了玻尔所采用的量子化能级的概念，即主量子数（主层），此外，还提出了其它量子数以说明电子的能量，如亚层和轨道数。由于电子属于微观粒子，具有波粒二象性，它在核外的运动速度可以与光速相比，很难同时准确地测定它的速度和位置，只能用统计的方法来描述，因而引进了“电子云”的概念。
二、原子结构模型的演变历史给我们的启迪

（1）化学认识中的继承、积累、突破和革命

一个重要概念的提出、确立或重大变化，一种新的有重大影响的方法采用，一种重要物质的结果的发现和确立，一种有重大影响的新现象、新规律的发现，都是创造性思维的结果。

（2）实验方法是科学研究的一种重要方法，实验手段的不断进步是化学发展的一个关键。

原子结构的每一次演变，都是从科学实验开始的，每个新的原子结构模型的建立都是以众多的实验事实为依托的。其它的化学研究也是如此，近代化学实验手段的飞跃发展，更是将化学研究推进到一个新的时代。没有科学实验，就没有科学发现。