原子结构模型理论发展史

物质结构理论是现代化学的重要组成部分，它揭示了物质构成的奥秘、物质结构与其性质的关系，有助于人们理解物质化学反应变化的本质，预测物质的性质，为分子设计提供科学理论依据。

     “原子”概念（源于希腊文，其意为“不可分割的” ）提出已2000多年。1mol原子物质含有的原子数是NA。原子半径是0.1 nm。原子内部结构是怎样？

 

 

• 公元前400多年前，希腊哲学家德谟克利特等人认为：把构成物质的最小单位叫原子。

• 道尔顿原子论——实心球式原子模型

     物质世界的最小单位是原子，原子是微小的实心球体，原子是单一的，独立的，不可被分割的，在化学变化中保持着稳定的状态，同类原子的属性也是一致的。

 

 

按照道尔顿的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，也不可再分割的最基本的物质粒子。那么，放电管中的“射线”是什么呢？

汤姆逊实验证实：是电子，而且组成物质的不同元素的原子中都有电子。那原子就不是不可再分的了！即原子不是最基本的物质粒子！ 

• 汤姆生原子论——西瓜模型或葡萄干面包式原子模型

   汤姆逊模型，1898年提出，至1907年进一步完善。原子中正电荷均匀分布在整个原子球体内，电子均匀地嵌在其中，就如同西瓜籽电子散布在一个均匀的正电荷西瓜之中，它们的负电荷与正电荷相互抵消。此模型虽不正确，但其电子分布在一些同心环上，“同心环”概念及环上只能排列有限个电子的概念对以后原子结构理论完善起到积极的推动作用。

  西瓜模型原子在受到激发时，电子会离开原子，产生阴极射线。　　

 

 

　汤姆生的学生卢瑟福完成的α粒子轰击金箔散射实验，否认了葡萄干模型的正确性。

• 长冈半太郎行星模型（1904年提出）

       原子内正电荷集中于中心，电子绕中心运动。

      

 

卢瑟福——行星轨道式原子核壳模型

（卢瑟福在其学生盖革、马斯顿的α粒子散射实验之后提出），认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心原子核区域，电子在原子核外绕核作高速运动。原子核带正电，电子带负电。

• 核壳模型解决了原子中正、负电荷的排列问题，建立了一个与实验现象相符的原子结构模型，使人们认识到原子中的正电荷集中在核上，提出了以核为中心的概念。 

• 无法解释原子稳定性问题及原子线状光谱问题 。

 

    根据经典电磁理论，带负电荷的电子绕带正电荷的原子核作高速圆周运动，加速运动的电子将连续不断向外辐射电磁波，由于原子不断地向外辐射能量，其能量逐渐减小，电子绕核运动的轨道逐渐改变，逐渐靠近原子核，并发射连续光谱；由于原子总能量减小，电子将逐渐的接近原子核直至相遇，显然原子体系不稳定。

 

玻尔原子理论——轨道式原子模型（用于单电子体系）

• 原子中的电子在具有确定的稳定半径的圆周轨道上绕原子核运动，并且不辐射能量；

• 不同轨道上运动的电子具有不同能量，而且能量是量子化的， 即能量是“一份一份”的,不能连续变化。

• 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。

     玻尔模型将经典力学的规律应用于微观电子，不可避免地存在一系列困难。玻尔模型无法揭示氢原子光谱的强度和精细结构，也无法解释稍微复杂一些的多电子原子的光谱，以及更复杂原子的光谱。

 

近代量子力学原子模型（电子云模型）

      波函数Ψ 反映着核外空间找到电子的可能性的区域，所以波函数又称原子轨道。

      电子云：电子在核外空间出现的机会统计的结果，可以看作带负电荷的电子云。它只是电子行为的统计结果的一种形象化表示法。

 

 

α粒子散射实验 

      α粒子即氦核，其质量为电子质量的7300倍。卢瑟福于1909年观察到α粒子受金属箔散射时，除小角度散射外还有1/8000的α粒子属大角度散射（偏转大于90度）。

 

 

 

现象

• 大部分α粒子穿过薄的金属箔

• 极少数α粒子好象打在坚硬的东西上，完全反弹回来。

• 少数α粒子穿过薄的金属箔时，发生了偏转。

大角度散射不能解释为是偶然的小角度散射的累积，它只可能是一次碰撞的结果。这不可能由汤姆逊模型所形成，所以这样的结果表明汤姆逊模型是不成立的。 

卢瑟福实验推断

• 原子大部分是空的。

• 中间有一个几乎集中了原子所有的质量且体积很小的粒子——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。

      卢瑟福在此基础上，于1911年提出其核壳模型。