1、第七讲 奇妙的量 子 世 界17.2 原子结构的发现2第一个站到原子中心的人 卢瑟福原子的正电荷是均匀分布在整个 原子球 体内，而电子是一个个嵌在其中，并保 持整个 原子 的电中性。1904年，为了解释元素周期律，又 作 进 一 步 假设：原子中电子是分布在一个个 同心圆 环上，作着旋转，每个环中只能包含 有 限 个 电 子。汤姆逊的原子模型“葡萄干布丁模型”“枣糕模型”3卢瑟福，发现了放射性规律，发现了原子核式结构，首此实现了人工核反应，预言了中子等。被誉为“核物理之父”。粒子探针 的奇迹1908年，诺贝尔化学奖放射性研究以及 粒 子 与 物 质 的 相 互 作 用卢瑟福是一位优秀的导师，非
2、常 善于培 养人，鼓励学生思考问题，提出问题，自己 解决问题。他的研究生中有11 人 获 得 诺 贝 尔 奖。命名 和 射线，发现 射 线 是 带 两 个 正 电荷的氦离子 研 究 原 子 结 构 的 探 针。41909 年，卢瑟福的学生马斯登和助手盖革 用 粒子轰击厚度为0.4 m 的金箔，发现有1/20000的概率被反射回来，发生大角度散射 这 是 第 一 个有科学依据的原子模型的起点。卢瑟福提出原子的“核 式 结 构 模 型”5所 有 正 电 荷 和 原 子 质 量 都 集 中 在 原 子 中 心 一 个 非 常 小 的 体积内，这就是原子核。原子中的电子绕核运动,靠 静 电 引力把整个
3、原子结合在一起。并且通过理论推导给出了著名的“卢瑟福散射公式”,所计算出的 粒子散射概率与实验 事实完 全相 符。卢瑟福核式结构模型问题：无法解释原子的稳定性和原子有一 定的 大小。6“显 然，原 子 的 稳 定 性 与 原 子 精 细 结 构 有 关，并 且 与其 中 带 电 粒 子 的 运 动 有 关。”卢 瑟 福“关 于 所 提 的 原 子 稳 定 性 问 题，现 阶 段 尚 未 考 虑 进 行 研究 但 是，我 们 的 科 学 事 业 除 了 今 天 还 有 明 天！”洛伦兹维恩、居里夫人、庞加莱普朗克 卢瑟福朗之万M德布罗意1911 年10 月30 日 第一 次 索尔 维 会 议昂内
4、斯金斯7玻尔（N.Bohr,1885-1962）丹麦物理学家，哥本哈根学派的创始人，量子物理学的奠基者之一。波尔原子模型史学家问过玻尔：“当时是不是只有你一个人感 兴趣呢？”玻尔回答说：“是的，不过你们知道，我主 要不是感兴趣，我只是相信它。”89玻尔认为：如果原子发光源自内 部电子 能量 的释放，线 状 光谱 意味着能量的分立性原则在此 适用，亦即 电 子 的 能 量 状 态不可能是连续变化的。1 普朗克和爱因斯坦提出了“量子 化”概 念。2 卢瑟福提出了“原子核式结构”模型。3 描写氢原子可见光谱线的波长的 经验公 式 巴 耳 末 公 式。)m(B c2 2121 4 1 6,5,4,3
5、m波尔 原子结 构模型 的基础“当我一眼看到巴尔末公式时，一切都 在我 眼前豁 然开朗 了。”假设之一：电子在围绕原子核运动时，只能处于一些特定的分立轨道上，并且电子在运动时不辐射电磁波。1913年，玻尔在前人的基础上发表了一篇长文 论 原 子 和 分 子 的构造，对氢原子（或类氢原子）创造 性地 提出了 两个著 名的 基本假设：10量子化能级：分立的能量状态称 之为能级11假设之二：氢原子的线状光谱来自电子从高能级向低能级跃迁的结果。1213玻 尔 模型 的 贡献 与 困难1 贡献：给出了量子化的原子结构，成功 地给出 了对氢原子结构的定量描述，揭开了30年 来 令 人 费 解 的 氢 光谱
6、之谜。1922年，波尔获得诺贝尔物理学奖。14“即便在今天，在我看来，也 是一个 奇迹！这简 直是思 维上最和谐的乐章”。-爱因斯坦晚年对波尔评价“这是非常出色的！这中间一 定大有 文章”。“这是一个伟大的发现”。152 问题：把电子看做经典力学中的 粒子，在静 电作用下绕核做圆周运动。在玻尔理论中同时存在着两种不 协调的 概念 经 典 的连续性和量子的不连续性。“这一理论还是十分初步的，许 多基本 问题 还有待 解决。”波尔领取诺贝尔奖时玻尔模型的实验验证除了光谱实验能证明玻尔模型正确外，德国科学家 弗兰克 和赫兹正是用电子轰击多电子汞原子，成功证明了原子内部能量的量子化。这是独立于光谱实验的另一种方法，是对波尔理论的最有力的支持。夫兰克赫兹1925年的诺贝尔物理学奖16哥本哈根理论物理研究所 物 理 学 界 的 朝 拜 圣 地”1718原子核的发现意义深远，不仅使 人们对 原子 结构有了正确认识，为原子物理的发 展奠定 了基 础，而且从此开始了人类对原子核研 究的历 史。谢谢大家！
