1、 原子结构模型的发展历程阜阳三中 李安民【引言】学生在鲁科版化学必修二对原子结构的认识存在一定难度，为激发学生的兴趣，在教学过程中，让学生理解一下化学的发展，认识下化学研究的艰辛，我认为是十分必要，为此，我对于原子结构模型进行了一下归纳和总结，以让学生对于原子结构模型在化学中的发展有一个清晰的认识，并且对本章内容的理解更深刻。同事激发学生的学习热情。【摘要】原子结构的发展，总的来说分为三个时期：古代化学时期；近代化学时期；现代化学时期。随着物理手段的不断改进，对于结构额认识也是越来越清晰。总的来说，人们对于原子构型的认识越来越贴近事实。古代化学时期：在中国古代，有一位伟大的人物叫墨子，墨子名为
2、墨翟是中国历史上杰出的思想家,生活在比孔子稍晚一点的春秋末年;他约生于公元前 479 年,卒于公元前 381年。 墨子则是墨翟及其学生们留下的一部经典著作,在其中的“经下篇”里,提出了关于“端”的概念:认为“端 ”,“体之无序而前者也 ”;“非半弗 则不动,说在端 ”。这几句话的意思是说:物质到了没有一半的时候,就不能斫开了，这种情形可名之为“端” 。总之，物质要分割就得要拿物质本身有可分为两半的条件，如果没有可分为两半的条件，那就不能分割了。另外，古希腊的留基伯和德谟克利特也在物质的组成问题上，提出了与当时提出的元素概念相对映的具有深远意义的原子学说。留基伯将巴门尼德的宇宙体砸得粉碎，将其微
3、粒撒向无限的 空间。然而每一微粒，象巴门尼德的绝对存在一样，永恒、不变、不生、不灭、有限、不可分。因此这些存在的微粒被称为原子。由于从前引导阿 那 克 西 曼 德 走向无限的概念的同一理由，留基伯主张：有无数这样的原子，形态 上变化无穷。它们的体积必定小得难以觉察，因为在我们经验中的万物都是可分的。德谟克利特在自 然 科 学 上最重要的贡献，是他继承和发展了留 基 伯 的原 子 论 ，为现代原子科学的发展奠定了基石。原 子是非常小的，不但肉眼看不出来，就是用显 微 镜 也看不出来。那么在两千年前，原子论是怎么提出来的呢？其实上古时代的原子论不是科 学 理 论 ，它只是一种哲学的推测。近代化学时
4、期：近代化学的发展是一个关键时期，对原子结构的认识也随着物理手段的进步不断深入，主要有以下代表人物：1808 年 ， 英国自然科学家约翰 道尔顿提出了世界上第一个原子的理论模型。他的理论主要有以下三点：原子都是不能再分的粒子； 同种元素的原子的各种性质和质量都相同； 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”1897 年， 约 瑟 夫 汤 姆 孙 突破性地从阴 极 射 线 中，发现了电 子 的存在。在这历史性的大发现之后，他开始
5、极力反对原 子 的道尔顿模型。他认为原子不是不可分的；包含在原子内的，是带着负电荷的电子，可以从原子中移开。1904 年，汤姆孙创立了原子的葡萄干布丁模型。这模型是由许多电子（那时，汤姆孙称之为粒 子 ） ，电平衡地悬浮移动于带正电荷的浓汤或云球里，就好像带负电荷的梅子分布于带正电荷的布丁里这些粒子被认为分布于几个同心圆球面。 假若梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全均匀地散开，而不是集中于一个原 子 核 ，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的阿 尔 法 粒 子 ，其移动方向应该只会有小角度改变。然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每 8000 个阿尔法粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角
6、度的改变（超过 90） ；而其它粒子都直直地通过位势，方向没有任何改变。从这结果，1911 年， 欧 尼 斯 特 卢 瑟 福 发表了卢瑟福模型，卢瑟福以经典电磁学为理论基础，主要内容有： 原子的大部分体积是空的 在原子的中心有一个很小的原子核 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。卢瑟福的核实原子结构模型准确地反应了原子内部结构的基本形态，然而核式结构还是遇到了困难。核实结构认为原子内部电子是做轨道运动，无法解释观测到的原子所发出的各种光谱的频率。此外，原子内部的电子不断向外辐射能量必然会导致电子轨道的缩小最终与原子核所带的正电子中和，
7、事实并非如此。为了这一事实，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：原子中的电子在具有确定半径的圆周轨道（orbit)上绕原子核运动，不辐射能量 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量（E） ，且能量是量子化的，轨道能量值依 n（1，2，3，.）的增大而升高，n 称为量子数。而不同的轨道则分别被命名为 K（n=1)、L(n=2)、N(n=3)、O(n=4)、P(n=5) 。 当且仅当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才会辐射或吸收能量。如果辐射或吸收的能量以光的形式表现并被记录下来，就形成了光谱。现代化学时期：1926 年奥地利学者薛定谔在德布
8、罗伊关系式的基础上,对电子的运动做了适当的数学处理,提出了二阶偏微分的的著名的薛定谔方程式。这个方程式的解,如果用三维坐标以图形表示的话,就是电子云。电子云是近代对电 子 用统计的方法，在核外空间分布方式的形象描绘，它的区别在于行星轨道式模型。电子有波粒二象性，它不像宏观物体的运动那样有确定的轨道，因此画不出它的运动轨迹。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。为此，就以单位体积内电子出现几率，即几率密度大小，用小白点的疏密来表示。小白点密处表示电子出现的几率密度大，小白点疏处几率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云
9、。在量子化学中，用一个波 函 数 （x，y，z ）表征电子的运动状态，并且用它的模的平方|2 值表示单位体积内电子在核外空间某处出现的几率，即几率密度，所以电子云实际上就是|2 在空间的分布。研究电子云的空间分布主要包括它的径向分布和角度分布两个方面。径向分布探求电子出现的几率大小和离核远近的关系，被看作在半径为r，厚度为 dr 的薄球壳内电子出现的几率。角度分布探究电子出现的几率和角度的关系。例如 s 态电子，角度分布呈球形对称，同一球面上不同角度方向上电子出现的几率密度相同。p 态电子呈 8 字形，不同角度方向上几率密度不等。有了 pz 的角度分布，再有 n=2 时2p 的径向分布，就可以综合两者得到 2pz 的电子云图形。由于 2p 和 3p 的径向分布不同，2pz 和 3pz 的电子云图形也不同。总的来说，原子结构的发展，是经过无数科学家努力很长一段时期的结果，随着科技的进步，我们对这个世界的认识也越来越深，越来越贴近事实的本质。事物的发展都是不断进步的。
