通向化学世界的阶梯原子结构.docx

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通向化学世界的阶梯原子结构

魅力科学论文

题目通向化学世界的阶梯——

原子结构

姓名何鹏

专业交通运输

学号201334040

指导教师张志强

郑州科技学院车辆与交通工程系

二○一六年六月

通向化学世界的阶梯——原子结构

——对魅力科学前十集的总结概括

【摘要】生命过程本质上是化学过程，认识生命现象的内在本质必然要求进一步在微观层次上学习和认识原子结构的基本理论和变化规律，这也是从事现代生命科学研究的必要知识基础。

所有物质都是由不同元素的原子组合而成，要认识物质的本质和变化规律，就必须了解原子的结构组成及性质变化的内在结构规律。

【关键字】原子模型波函数量子数薛定谔方程能级交错元素周期表

正文：

原子结构是化学概论的基础，在申泮文院士的火箭模型中，化学概论又处于顶端，因此，对于原子结构的学习和理解是深入化学世界的知识前提。

笔者作为文科生，无法对其中理论做出深刻分析理解，只将《魅力科学》视频中车云霞教授讲解的原子结构知识归纳概括，以期成为一篇小小的科普文章。

本文将分成四个模块，分别是早期原子模型概述、原子内粒子的运动与分布、元素周期表与原子结构的关系、总结和感想。

论述如下：

一、早期原子模型概述

人们对物质组成和结构的认识经历了由浅入深，有感性至理性，由片面到整体的发展过程。

原子学说早在古希腊时期就被提出，在此，笔者只针对19世纪末以后的原子学说加以描述。

19世纪末，经典物理学已经发展得相当完善，原子学说和元素周期律的提出和广泛流行也促成了量子理论的发展和现代物理学的进步。

物理学家和化学家逐步揭示了原子内部组成和结构的秘密以及与元素化学性质紧密相关的原子核外电子排布和变化规律，并构建了一个崭新的以量子理论为基础的微观世界。

早期原子模型正是在这个时期得以相继提出。

1、Rutherford原子模型

1897年，英国物理学家J.J.Thomson通过研究阴极射线的性质发现了电子，确认带负电荷的电子是原子的组成部分。

1909年，美国物理学家R.A.Millikan通过测定油滴的电荷，确定了电子的电荷数，并据此计算出电子的质量大约只占氢原子质量的二千分之一。

那么原子中的质量是如何分布的呢？

电荷的正负如何平衡呢？

Rutherford的α粒子散射实验给出了问题的可能答案。

1910年，Rutherford用快速α粒子流轰击一张约4x10-7m厚的金箔，发现尽管绝大部分的粒子都毫无阻碍地通过了金箔，但有极少数α粒子发生了较大角度的散射，极个别的α粒子甚至被反弹回来。

这使他认识到：

极个别的α粒子被反弹回来，必定是因为他们和金箔原子中某种极小体积的坚硬密实的核心发生了碰撞，这个核心应该是带正电，而且集中了原子的大部分质量。

这便是著名的原子结构“行星模型”，该模型认为：

原子由居于原子中心体积极小但占原子大部分质量的带正电的原子核和核外绕核高速运动的电子组成，就像行星沿着一定的轨道绕太阳运行。

2、Bohr原子模型

Rutherford的行星模型虽然解释了α粒子散射现象，却无法解释为什么原子

能够稳定的存在。

1913年丹麦的Bohr在Rutherford的行星模型基础上，借鉴M.Planck的量子论和A.Einstein的光子学说的思想，提出了著名的氢原子结构模型假设，成功解释了氢原子结构和氢原子光谱，即Bohr理论。

其要点如下：

1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动，离核愈远能量愈高；

2.可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定；

3.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收的辐射是单频的，辐射的频率和能量之间关系由E＝hν给出。

Bohr理论成功解释了原子稳定性问题。

下图是氢原子光谱图：

3、现代原子模型理论

1923年法国的L.de.Broglie提出电子等微观粒子也具有波粒二象性的假说，这成为了探究核外电子运动的崭新阶段。

接着1926年奥地利的E.Schrodinger建立了电子波动方程，运用波动力学建立了全新的模型：

除原子核近似看成不动外，核外电子的运动并不是绕着原子核旋转，而是遵守不确定原理和统计学规律。

电子在核外不同区域出现的概率大小不同，可以用“电子云”形象地描述。

这个原子结构模型被认为是相对完整、科学的原子结构理论。

二、原子内粒子的运动与分布

原子内粒子的运动依据量子力学和统计学规律，主要反映在波粒二象性和不确定原理。

粒子（核外电子）的分布以电子云形式存在，有角度分布和径向分布。

各层电子还存在着能级交错、屏蔽效应和钻穿效应。

1、微观粒子的运动特征

微观粒子的运动特征主要体现在波粒二象性和不确定原理。

（1）波粒二象性

受光的波粒二象性的启发，de.Broglie提出电子等微观粒子也具有波粒二象性的假说。

对于质量为m，速率为v的微粒，其具有相应的波长λ为，p代表微粒的动量，λ代表微粒波的波长，h为Planck常量。

电子波动性的存在性由1927年美国的物理学家C.Davission和L.Germer通过

电子衍射实验证明。

根据电子衍射实验所得的示意图计算出的电子波长和

de.Broglie关系式计算得到的电子波长一致，证实了电子波动性的存在。

电子衍射实验示意图

需要说明的是，电子波并不表示直接的物理意义，只反映出电子在空间各个区域出现的概率大小，体现出运动的统计规律，因此电子波实质上是概率波。

（2）不确定原理

在经典力学中，对于宏观物体的运动，可同时准确地确定其位置和动量。

但是对于粒子高速运动的微观世界，这确实不可实现的。

1927年德国的W.K.Heisenberg指出，无法同时准确地测定微观粒子的位置和动量，这就是不确定原理。

它的表达式为

△x?

△p≥h/4π，

△x为x方向坐标的测不准量（误差），△p为x方向的动量的测不准量，h是Planck常量。

不确定原理体现了微观粒子的波粒二象性特征，同时说明微观粒子的运动不会完全遵循经典力学规律，从而否定了Bohr理论中核外电子运动具有固定轨道的观点，更进一步深化了人们对微观世界规律的认识。

2、核外电子运动状态的描述

主要包括波函数、量子数、原子轨道和电子云等概念。

（1）Schrodinger方程1926年奥地利物理学家Schrodinger从微观粒子的波粒二象性出发，通过与光的波动方程类比，提出了用量子力学方法描述微观粒子运动的波动方程，成为Schrodinger方程。

即，m是电子的质量，x,y,z是电子在空间的坐标，E是电子的总能量，V是电子的势能，h为Planck常量。

方程式中ψ称为波函数是这个方程的解，它可以是空间直角坐标（x,y,z）或球极坐标（r,θ，φ）的函数。

波函数ψ描述的是核外电子的运动状态，等同于原子轨道，但并无固定路径。

（2）量子数

量子数包括主量子数、轨道角动量量子数、磁量子数、自旋角动量量子数。

主量子数用n表示，反映了电子在核外空间出现概率最大的区域离核的远近，是决定电子能量的主要因素。

当n等于1,2,3,4,5,6,7,时，电子层分别用

K,L,M,N,O,P,Q表示。

轨道角动量量子数用l表示，决定原子轨道的形状，并在多电子原子中，配合n一起决定电子的能量。

根据l不同可将同一电子层中电子分为若干亚层（能级）。

磁量子数用m表示，决定原子轨道和电子云的空间伸展方向。

自旋角动量量子数用s表示，描述核外电子自旋运动的方向。

现将电子运动状态数与量子数n、l、m、ms间的关系列表如下：

（3）原子轨道与电子云的角度分布和径向分布

概率密度：

电子运动的状态有波函数Ψ来描述，∣Ψ∣2表示电子在核外空间某处单位体积内出现的概率。

电子云：

若用黑点的疏密程度来表示各个电子概率密度的大小，则∣Ψ∣2大的地方黑点较密，其概率密度大，反之亦然。

在原子和外分布的小黑点，好像一团带负电的云，把原子核包围起来，人们称它为电子云。

以氢原子为例，考察原子轨道与电子云的角度分布和径向分布如下图：

原子轨道角度分布图

原子轨道径向分布图

电子云角度分布和径向分布图

3、多电子原子的核外电子排布

之前讨论的都是氢原子，即单电子原子。

在多电子原子中，某一特定电子除了受到核的吸引外，同时受到其他核外电子的排斥作用，使其受力情况复杂化。

所以研究多电子原子核外电子的运动状态时，还必须考虑核外电子间的相互作用。

（1）屏蔽效应和钻穿效应

屏蔽效应：

由于其他电子对某一电子的排斥作用而抵消了一部分核电荷，从而引起有效核电荷的降低，削弱了核电荷对该电子的吸引，这种作用称为屏蔽作用或屏蔽效应。

与钻穿效应相反，在多电子原子中，一个电子不仅受到原子核的引力，而且还要受到其他电子的排斥力。

内层电子排斥力显然要削弱原子核对该电子的吸引，可以认为排斥作用部分抵消或屏蔽了核电荷对该电子的作用，相当于使该电子受到的有效核电荷数减少了。

于是有Z*=Z－σ，式中Z*为有效核电荷，Z为核电荷。

σ为屏蔽常数，它代表由于内层电子的斥力而使原核电荷减少的部分。

钻穿效应：

在原子核附近出现的概率较大的电子，可更多地避免其余电子的屏蔽，受到核的较强的吸引而更靠近核，这种进入原子内部空间的作用叫做钻穿效应。

与屏蔽效应相反，外层电子有钻穿效应。

外层角量子数小的能级上的电子，如4s电子能钻到近核内层空间运动，这样它受到其他电子的屏蔽作用就小，受核引力就强，因而电子能量降低，造成E（4s）

（2）多电子原子轨道的能级

1939年美国化学家L.Pauling总结出多电子原子轨道中能量的近似顺序，提出了轨道的近似能级图。

如下图：

此外，人们还发现多电子原子中的电子在核外的排布遵守能量最低原理、Pauli不相容原理和Hund原则。

三、元素周期表与原子结构的关系

化学元素的性质随着核电荷数的递增呈现的周期性变化的规律称为元素周期律，它是化学元素原子核外电子层结构周期性变化的外在反映，其表现形式通常汇总为元素周期表。

元素周期表：

把元素按原子序数递增的顺序依次排列，每个元素分占一格，电子一次填入的顺序遵从Pauling近似能级图并根据其能级组的划分排成7个横行，并将外层电子组态类似的对齐成一列，就得到了元素周期表。

元素周期与能级组：

元素周期表中每个横行称为一个周期，七个周期分别对应于七个能级组。

元素所在的周期数等于该元素基态原子的电子层数，即原子最外层电子的主量子数n。

每个周期所包含的元素数目，等于相应能级组中原子轨道所能容纳的电子总数。

各周期元素的数目与相应能级组和原子轨道的关系如下表：

四、我的总结和学习后的感想

对于微观世界的了解和研究，经过无数科学家们的不懈努力和奋斗，变得逐渐深入。

对于今天物理和化学的发展，毋庸置疑，我们心存羡慕和惊叹。

但是回顾历史，我们会发现，曾经轰动一时的重大理论，在后续理论未被阐述前，都具有不可反驳的创新性和突破性。

而对于后续的理论，又多少暴露了其局限性。

没有哪个物理学家或者化学家是最伟大的，也没有哪个物理学家或者化学家是次要的，因为在物理和化学的发展进程中，每一个成就和理论的得出都是借鉴了前人的经验和教训。

这就像是一个建房子的过程，每个人都参与其中，罗瑟福、波尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、普朗克、波林、洪德?

最后终将建成最宏伟的建筑！

原子结构的揭秘过程，我认为最重要的是科学家们敢于大胆假设、敢于类比借鉴。

在科技水平较为低下的时期，科学家无法通过实验验证一些原子结构的问题，这时敢于大胆假设并进行严密论证就显得格外重要。

大量的原子理论正是在合理的假设下最终得以验证。

同样，善于类比借鉴也是科学家取得进步的重要因素。

例如：

微观粒子的波粒二象性就是类比借鉴了光的波粒二象性而得出的。

物理和化学的发展史是最激动人心的历史，也是一个永无止境的过程。

科学家们正在前赴后继，为的是解开世界留给我们的一个又一个的谜。

毫无夸张地说，现在人们享受的所有科技成果都是建立在原子结构得以相当发展的基础之上。

学完《魅力科学》之后，我确实被科学的魅力征服了。

在一个文科生眼中，我也总结了学习好物理化学需要的一些基本素质：

1、掌握基本理论知识。

2、特别研究某一方向。

3、把握物理化学史发展脉络。

4、将抽象形象化和形象抽象化。

5、专注执著不怕苦不放弃。

6、敢于大胆假设异想天开。

7、善于类比借鉴。

8、激情。

附：

波尔名言：

我从不怕在学生面前显露我的愚蠢。

薛定谔名言：

创造力最重要的不是发现前人未见的，而是在人人所见到的现

象中想到前人所没有想到的。

海森堡名言：

提出正确的问题，往往等于解决了问题的大半。

参考文献：

1、《原子结构、碰撞与光谱理论》方泉玉、颜君著.——北京：

国防工业出版社.2006.1

2、《原子结构》E.U.康登、H.奥达巴西著.——北京：

科学出版社.1989.10

3、《基础化学》第二版张欣荣、阎芳著.——北京：

高等教育出版社.2011.6

4、XX百科

5、维基百科http:

//zh.wikipedia.org