原子结构模型的演化

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第一节　原子结构模型的演化

   “原子”一词来源于希腊文“ atomos ”，是“不可分割”的意思，最早是由古希腊哲学家德谟克利特等人提出的。他们认为：宇宙中的一切物质都是由一种或多种叫做“原子”的微小实体构成的，当“原子”这种微粒按照各种不同的方式互相结合时就构成了多种多样的物质世界，而“原子”这种微粒本身是不可再分的匀质硬性小球。1808年，道尔顿提出了原子是元素最小单元的概念，认为不同元素的原子互不相同。几十年之后，俄国科学家门捷列夫从已发现的元素中发现了不同元素的原子性质呈现规律性变化，并认识到我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有化学性质相同的原子，把人们对原子的认识大大推进了一步。进入二十世纪，英国物理学家汤姆逊在低压气体的放电现象中发现了一种带电微粒 ―― 电子，并确定电子是原子的组成部分。1909年，卢瑟福用a粒子轰击金属箔时发现：大部分a粒子都可以穿透薄的金属箔而不改变方向，少数a粒子穿过金属箔时其行动轨迹发生了一定角度的偏转，个别的粒子则完全反弹回来。卢瑟福由此推测原子内部一定有一个带正电的坚硬的核，a粒子碰到核上就会被反弹回来，碰偏了就会改变方向，发生一定角度的偏转，因为原子核占据的空间很小，所以大部分a粒子能穿透过去。他根据这一假定计算出原子核半径约为3乘以10的负14次方米，而原子的半径为1.6乘以10的负10次方米。1920年，卢瑟福提出了中子的概念，认为原子核是由质子和中子组成的，并于1931年得到证实。从此，人类真正打开了认识原子世界的大门，并形成了现代原子结构理论： 原子是由带正电的原子核和核外带负电的电子组成的，而原子核是由质子和中子组成的；原子核里质子的数目等于原子核所带的正电荷数并等于核外电子数；中子不带电，中子数目等于原子质量数与原子序数之差。

  其实在很早以前人们就试图弄清楚原子的组成结构，物理学家陆续提出了多种原子模型。最早的是古希腊哲学家德谟克利特，他认为原子是一种硬性的匀质小球（小球内部均匀地充满了物质），并且不可再分，小球以整体参与各种变化。以我们今天的观点来看，这是很粗糙的（如下图所示），这也反映出当时人们对原子内部结构的一无所知。







                                         

当阴极射线实验使人们发现电子是原子的组成部分后，物理学家汤姆逊提出了原子的蛋糕模型，认为原子中的正电荷象蛋糕一样均匀分布，而电子则象枣一样镶嵌其中并按一定的几何规律排列，当电子受到外界扰动时就会在平衡位置附近振动并发出特定波长的光子，由此解释各种不同元素的原子能够发出不同的光谱。根据电子数的不同，汤姆逊描绘了不同原子中电子的分布（如图，他认为电子在原子中基本上是按几何规律分布的），看起来蛋糕模型似乎是很可能成功的模型，但最终α粒子散射实验打破了这一想法。在这个时期，人们已经认识到：电子是原子的组成部分，并且带负电，对原子的认识已经从一个均匀的、充满物质的实心球体发展到认识了原子的组成部分，并且初步认识到电子可以从原子中分离。


   再后来，卢瑟福用a粒子轰击金属箔发现原子是由原子核和核外的电子组成的。卢瑟福把太阳系和原子结构进行类比，提出了原子的行星模型。认为原子系统就象太阳系一样，每个原子都有一个极小的核，核的直径在10 file:///C:/DOCUME%7E1/Admin/LOCALS%7E1/Temp/ksohtml/wps_clip_image7.wmf 米左右，这个核几乎集中了原子的全部质量，并带有若干个单位正电荷，原子核外有若干个电子绕核旋转，处于核心位置的原子核靠其强大的静电引力使电子围绕它旋转，因为原子核带的正电荷数等于电子所带的负电荷数，所以一般情况下，原子呈中性。


  上图是卢瑟福提出原子行星模型，他认为原子核就像太阳一样处于原子系统的中心位置，而电子则像太阳系中的行星一样绕原子核做圆周运动。在卢瑟福原子行星模型的基础上，后来又有人根据行星系统的运动轨迹是椭圆提出原子中电子的运动轨道不是正圆，而是椭圆（如上图所示），他们甚至为此模型构筑了大量的公式。不管怎样，原子模型是正圆也好，椭圆也好，这两种看法本质上是一致的，他们都是借助于宏观行星系统来解释微观原子系统，并没有认识到这两种系统的本质区别。












  后来有人指出，根据经典物理学理论，电子围绕原子核旋转这一过程是电荷做加速运动的过程，必然会放出电磁波（即向外发出光子），随着电子不断 放出光子使其 能量不断减小，电子必将沿着螺旋线落入原子核中，而事实上原子系统是相当稳定的；同时，由于电子沿着螺旋线落入原子核中，所以电子的轨道应该是连续变化的，所发出的光子的频率也应该是连续变化的，但人们在观测原子光谱时却发现原子光谱往往是几条独立的谱线，这说明电子在原子中的稳定轨道不是连续的。基于上述原因，原子的行星模型再次遭到了否定。

  再后来，有人提出了原子的电子云模型，指出在某一瞬间，不可能做到既准确测定出电子在原子中的具体位置又准确测定出电子的运动速度，这就是有名的测不准关系了，由此，人们又提出了原子的“电子云”模型。这种模型认为电子在原子核外很小的空间内作高速运动并没有确定的轨道，我们不能同时准确地测定电子在某一时刻所处的位置和运动的速度，也不能准确描绘出它的运动轨迹；只能够表示电子在一定时间内在核外空间各处出现的几率。在这个模型里，空间某个点的密度表示电子在该处出现机会的大小。密度大的地方，表明电子在核外该空间单位体积内出现的机会多；密度小的地方，表明电子在核外该空间单位体积内出现的机会少，电子就象云雾一样笼罩着原子核。












  电子云模型完全抛弃了电子轨道的概念，并由测不准关系进而发展到物质波理论，指出一切物质实体都存在波粒二象性，甚至认为即使一切宏观物体包括行星、太阳、甚至人也有波动性，并进而成为量子力学的一部分。尽管有人认为从经典物理理论到量子力学是人类认识的一大进步，但遗憾的是量子力学也未能很好地解释原子光谱现象。

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第二节　电子内部结构

   （一）光子是电子的组成部分。 燃烧的蜡烛、通电的灯泡、太阳以及宇宙中无数的恒星都能够发光；从某种意义上讲，通常我们见到的一般物体也可以“发光”，只不过这些光属于红外线，肉眼看不见。从广义上讲，自然界中的一切物质，只要其温度在绝对零度以上，都可以向外辐射电磁波，而人眼能够看到的可见光仅仅是电磁波谱中极小的一部分。那么，物质是如何发光的？光子是由物质的哪一部分发出的呢？


  在化学变化中，伴随着电子的得失，常常有光子（能量）放出，其它许多事实也表明，原子（分子）是物质中最小的发光单位。既然光子是由原子发出的，那么在原子发光以前，光子作为一种不依赖于人类的意识而独立存在的物质实体，其必然是原子的一部分，而原子是由原子核和电子组成的，所以在原子发光前 光子或者存在于电子之中，或者存在于原子核中，二者必居其一 。一般情况下，原子核的结合能极大，裂变以后放出的光子通常都是γ射线之类的高能光子，能量往往在几兆或者几百兆电子伏数量级上，而我们通常所指的发光现象，如可见光、红外线之类的电磁波，其能量仅在几个到几百个电子伏的数量级上，所以对于一般的发光现象，可以认为光子是由电子放出的。我们讨论的焦点也将集中在电子发光上，事实上研究原子光谱问题主要是研究电子如何发光的问题。









    既然电子可以放出光子，那么光子必然是电子的组成部分之一。我们知道，电子带有一个单位的负电荷，而光子却是中性的、不带电，这说明电子内部的负电荷不是均匀分布的（因为如果电子内部的负电荷是均匀分布的，那么光子也应该带负电）。由此，我们可以得出这样的结论： 光子是电子的组成部分，在原子发光以前，光子存在于电子中。 如上图所示，我们可以简单地认为：电子并不是一个均匀的带负电的小球，而是有一定的内部结构， 至少包括光子和带负电的粒子 。上图是我们用金黄色的小球代表光子，用绿色的小球代表电子中带负电的部分画出的电子内部结构模型草图，以帮助我们分析电子发光现象。

   （二）电子内部各部分之间的作用力。 由原子核物理我们知道，原子核内质子和中子之间存在着非常复杂的作用力。同样，既然电子也有内部结构，那么电子内部各部分之间也一定存在着相互作用力。通常情况下，电子能作为一个整体而稳定存在，说明电子各部分之间的结合力是有一定的强度的（否则的话电子就不能成为一个整体），由于电子有内部结构并且各部分之间的结合力不是很大，所以在外界其它力（比如原子核强大的静电引力）作用下，电子有分裂放出光子的可能。
   我们从最简单的氢原子入手分析，氢原子是由质子和一个电子组成的，其中质子带一个单位正电荷，而电子带一个单位负电荷，在质子和电子之间存在着静电引力作用。由于电子内部的电荷不是均匀分布的，电子内部带负电的部分在原子核强大的静电引力作用下，必然被拉向靠近原子核的一方，从而使电子产生形变；如果原子核的静电引力足够强，那么电子产生的形变就可能足够大甚至电子发生裂变，作为裂变的一种产物━━光子就诞生了。很显然，在电子裂变放出光子以后，其质量变小，体积也相应减小，电子内部各部分之间由于距离减小导致其相互作用力迅速变大，于是电子内部各个部分之间重新结合得更加紧密，此时电子处于“饥饿”状态，对光子的亲合力增强，适当的时候还可能吸收一个光子；当电子吸收了合适的光子增大质量以后，又为电子的下一次裂变放出光子提供了物质准备。

   从辩证唯物主义的观点来看： 决定电子是否裂变并最终放出光子有内因和外因两种因素：内因是电子内部各部分之间的凝聚力，而外因则主要是原子核的静电引力或者是其他作用力。 这两个力是相互矛盾的，电子内部各部分之间的凝聚力总是使电子收缩并维持成一个整体，而原子核的静电引力总是使电子发生形变并最终裂变放出光子。通常情况下，电子正是在这一对相互矛盾力的作用下处于平衡状态的。














  上面的四幅图是我们模拟的电子在原子核静电引力作用下裂变放出光子的假想图。第一幅图是不受原子核静电引力作用下的自由电子，此时电子呈球形；第二幅图是受到原子核静电引力作用下的电子，此时电子发生了形变，呈椭圆形；当原子核静电引力增大时电子的形变继续增大，如第三幅图所示；第四幅图是电子裂变放出光子的假想图（当然了这幅模拟图也有不准确的地方，因为电子裂变的产物是光子和质量更小的电子，所以裂变后形成的两个部分应该用不同颜色标出来，这里我们为了强调电子裂变的产物原本是电子的一部分，所以用了相同的颜色）。

   由前面的分析我们可以得出这样的结论： 原子核的静电引力总是力图使电子发生形变━━进而产生裂变━━直至放出光子，其作用结果是使电子的质量减小、体积减小，从而使电子内部各部分结合得更加紧密，“饥饿”程度更高；而电子内部的凝聚力则总是力图使电子凝聚成一个整体━━并尽可能地再吸收一个或多个光子，其作用结果是使电子的质量增加、体积增大，从而导致电子内部结合得更加松散，“饥饿”程度降低。 也可以简单地认为， 原子核的静电引力总是使电子质量减小，而电子自身的凝聚力总是使其质量增大。

  那么这两个力是怎样对电子裂变放出光子产生影响的呢？首先来看原子核的静电引力。库仑定律指出，两个点电荷间的作用力，与它们电量的乘积成正比，与它们之间距离的平方成反比。由于原子核和电子之间的距离比起它们自身的半径来说要大许多，我们可以近似地把原子核和电子看作是点电荷。

即有F＝     

   可见， 在原子核与电子距离一定的情况下，原子核所带电量越大对电子的静电引力也就越大，因而也越容易使电子裂变产生光子；原子核带电量越小对电子的静电引力也就越小，因而也不越容易使电子裂变产生光子。 对于同一个原子而言，由于原子核的电量是一定的，所以原子核与电子之间的静电力仅仅取决于它们之间的距离，距离越小则静电力越大、距离越大则静电力越小。由此可见，原子核对电子的静电力作用是比较简单的，也是我们可以定量描述、计算的，与之相比，电子自身的凝聚力则要复杂得多，也是我们所不熟悉的。











   （三）电子质量“幻数”的存在。 自然界的规律往往有惊人的相似之处，电子和原子核的内部结构也是如此。我们知道，原子核并不是一个匀质硬性小球而是有一定内部结构的，它是由质子和中子组成的，质量数为2、8、20、28、50、82、114、126、184等数量的原子核比较稳定，我们把这些数称为“幻数”，而具有双幻数的原子核则特别稳定。原子核质量“幻数”的存在，反映出原子核内部各部分之间存在着复杂的作用力，也说明我们对原子核的认识还远远不够（“幻数”本身就含有无法解释的意思）。






























   和原子核质量“幻数”相似，我们认为电子也存在着质量“幻数”： 电子自身的结合力并不是与其质量成比例变化的，或者说简单的线性变化 ―― 总有特定质量的电子的结合力相当大，比其它质量电子的结合力大许多，我们把这些结合力相当大的质量相应地称为电子质量“幻数”。

   若以纵坐标表示电子的结合能，以横坐标表示电子的质量，那么我们可以画出大致的电子质量━━结合能曲线草图，如下图。从图中可以看出，总体上随着电子质量的增大，其内部各部分之间的结合力大致呈下降趋势 ；但对于某些特定质量的电子，其结合能很大，而与之相邻的其它质量的电子结合能都很小，这些特定质量的、结合能极大的电子在图中形成了一个个孤立的“峰值”，与原子核质量“幻数”类似，我们把这一个个孤立的“峰值”称为电子质量“幻数”。 这些 “峰值”彼此孤立，它们通过不同的质量、不同的结合能向我们展示电子内部各部分之间的作用力是很复杂的，总有特定质量的电子是非常稳定的，同时也说明电子内部各部分之间的作用力也是有规律可循的，这就为我们解决原子问题奠定了基础。

   从上图可以看出，电子的结合力与其质量的关系不是线性的，电子内部结合力随着电子质量的增大而减小，但总有某些特定质量的电子的结合力相当大，比其它质量电子的结合力大许多，这些特定质量的电子是相当稳定的。

   研究分析电子质量━━结合能曲线可以从两个方面入手：

    一方面， 电子质量越大则其体积也越大，内部各部分结合的越松散，在原子核静电引力作用下越容易发生裂变；电子质量越小则其体积也越小，内部各部分结合的越紧密，在原子核静电引力作用下越不容易发生裂变。 也正因为如此，一般来说 质量越大的电子结合光子的能力就越弱，我们称其 “饥饿”度越低；质量越小的电子结合光子的能力就越强，我们称其“饥饿”度越高；而极 少数处于质量“幻数”的电子结合光子的能力是很强的。

    另一方面，从光子的角度来看，对不同质量的光子而言， 光子质量越小则其进入电子内部后引起的电子质量变化也越小，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越小，因而和电子之间的结合力也越大； 反之， 光子质量越大其进入电子内部后引起的电子质量变化也越大，对整个电子内部各部分之间的平衡影响也越大，因而和电子的结合力也越小；同样有少数特定质量的电子和特定质量的光子之间结合力是很大的。

  为了更好地理解这一点，我们可以举一个例子。假设电子内部结合能极大的质量幻数分别为10000、10010、10030、10080等等，这就是说，只有质量数为10000、10010、10030、10080的电子才是足够稳定的（此时电子正好处于曲线的峰值位置，内部结合力极大，才能够较好地抵御原子核的静电引力作用而不至于立即发生裂变），相对而言质量数为其它数值的电子内部的结合能是很小的，也是极不稳定的（这样的电子因为内部结合力较小不足以抵御原子核的静电引力作用，在原子核的静电引力作用下会很快发生裂变放出光子并生成能够稳定存在的电子）。当质量数连续的光子（假设这些光子的质量从1到100连续变化）与电子作用时，只有质量为10、30、80的少数几种光子和电子的结合（此时形成的新电子的质量为10010、10030和10080）才是较稳定的，其它质量的光子与电子的结合都是极不稳定的（它们在与电子结合后极短的时间就会裂变放出光子，所以可以认为这些光子几乎不被电子吸收）。最终我们看到，当质量数连续的光子照到大量原子上时，只有质量数为10、30和80的光子才会被吸收，而质量数为其他整数的光子几乎不被吸收，也就是说原子中的电子对光子的吸收是有选择性的。

   那么吸收了其它质量光子的电子为什么是不稳定的呢？我们知道，原子中的电子时刻受到原子核静电引力撕裂作用，因为质量数为10000、10010、10030、10080的电子远远比其它质量的电子内部结合力大得多，所以它们足以 抵御原子核的静电引力。假设当电子吸收了一个质量数为5的光子，此时形成的新电子的质量数是10005，在 电子的质量━━结合能曲线上，质量数为10005的电子内部各部分之间的结合力远远小于质量数为10000和质量数为10010的电子，所以当这个新电子形成以后，在原子核强大的静电引力作用下它会立即裂变放出质量数为5的光子，并重新生成质量数为10000的、能够稳定存在的电子。正是因为质量数为10005电子会在极短的时间内裂变，所以我们可以认为质量数为10000的电子从吸收到放出质量数为5的光子的时间几乎为零，因为它们之间的作用时间极短、作用效果非常不明显，从另一个角度来讲，我们也可以认为质量数为10000的电子几乎不会与质量数为5的光子作用，这样看来一定质量的电子只有与少数、特定质量的光子的作用效果明显，我们也可以认为： 在原子核强大的静电引力作用下，一定质量的电子只会吸收少数特定质量的光子，也就是说处于原子核强大的静电引力作用下的电子对光子的吸收是有“选择”的，只有特定质量的光子才可能被原子中的电子吸收，而大部分光子都不会被原子中的电子吸收。

   （四）电子和原子核裂变的比较。 通常情况下，电子内部各部分间存在着排斥力和凝聚力，这两种力处于平衡状态。 在电子和光子相遇后，由于光子不带电，进入电子内部以后引起电子质量增大，这就必然打破了原来电子内部各部分之间的平衡。如果电子质量增大后内部各部分之间的凝聚力大于原子核的静电引力撕裂作用，则形成的新电子就是稳定的，也就是说电子可以结合这个光子而不会发生裂变；反之，若形成的新电子内部各部分之间的凝聚力比原来小得多甚至小于原子核的静电引力撕裂作用，那么这个质量增大的电子就是不稳定的━━它必将裂变放出吸收的光子并重新生成能够稳定存在的电子，也就是说电子不会吸收这个光子。

   这里我们不妨将原子核和电子的裂变情况作一比较。电子裂变和原子核裂变之间的共同点就是： 裂变后的产物能够更加稳定地存在 。拿原子核来说，一个质量较大的原子核是不太稳定的，当它与一个中子碰撞时，这个中子可能将原子核 击碎分裂成两个或者两个以上的部分，并放出一个或者一个以上的中子。当然了，这个比方虽然通俗易懂但并不严谨。因为原子核并不是一个匀质小球，实际情况是：当中子进入一个原本不太稳定的原子核内部以后，原子核内部各部分之间的作用力急剧发生变化，它们只有重新结合得更加紧密才能够稳定地存在下去，此时为了生存，原子核将裂变生成两个（视不同原子核的内部结构而言，也可能是三个或者三个以上）新的原子核，相对于原来的原子核而言，这两个新的原子核内部各部分之间的结合力大了许多，所以也稳定的多。一句话，原子核裂变后形成的新的原子核能够更加稳定地存在。电子的裂变同样如此，电子在受到外界扰动时也会变得不稳定，也会分裂，但电子只会分裂放出光子并不会生成两个或者两个以上的电子，而形成的新的电子所带电荷并不会减少，但同样电子的裂变结果也是为了生存，为了更加稳定地存在。

  电子裂变和原子核裂变之间的不同点是：原子核与中子结合后的裂变结果是分为两个或者两个以上的新的原子核并放出一个或者一个以上的中子，同时伴随有巨大的能量放出（裂变过程产生高能γ射线）；而电子在受到原子核静电引力的扰动下，其裂变结果仅仅是放出一个光子并形成质量较小的电子。从裂变过程 放出的 能量看：原子核裂变放出的能量大，电子裂变放出的能量小，所以电子的裂变往往较容易发生；从裂变形式上看，原子核裂变的结果存在不确定性，可能分为两部分、也可能分为三部分甚至三部分以上，而电子的裂变一般情况下只生成两部分：新的质量更小的电子和光子；从裂变的可逆性上看，虽然轻核可能通过聚变生成重核，但在一般情况下两个原子核几乎不可能聚合（除非将原子核加热到几百万度甚至上千万度），所以可以认为原子核的裂变几乎是不可逆的过程；而电子裂变后只要原子核的静电引力减小它立即会吸收放出的光子，所以电子的裂变可以认为是可逆的。

   （五）电子质量变化与发光现象。 对同一种原子而言，当电子由远处开始向原子核运动时，电子受到的静电引力将逐渐增大，如果电子自身的结合力不足以抵御原子核对它的静电引力撕裂作用，那么电子必然会裂变放出光子，而电子裂变放出光子以后其质量减小内部结合力将增大；当电子继续靠近原子核时，只要电子内部结合力小于原子核静电引力撕裂作用，它就会继续裂变减小质量同时内部结合力也会继续增大……在电子向原子核靠近的过程中，电子可能发生多次裂变，每次裂变后电子内部结合力都会增大。据此，我们可以得出这样的结论： 对于处于稳定状态的原子而言，电子离原子核越近时其内部结合力越大质量越小 ―― “饥饿”程度越高，电子离原子核越远时其内部结合力越小质量也越大 ―― “饥饿”程度越低。 因为原子核的静电引力作用总是使电子裂变质量减小，离核越近电子受到的静电引力越大，电子发生形变放出光子的可能性也越大，所以 同一个电子在其处于稳定状态时，离核越近质量越小，离核越远质量越大，当然自由态的电子质量是最大的了。

  为了更好地理解我们的观点，我们画出了如上图所示的草图，可以看出：处于自由态的电子的质量最大，而处于原子核静电引力束缚态的电子质量较小，并且电子离核越近其质量也就越小，电子离核越远其质量越最大。显然，电子质量变化主要是通过电子吸收或者放出光子形成的。这就是说，内层电子可以吸收一个光子跃迁到外层轨道上，外层电子也可以回到内层轨道上并裂变放出光子，这个过程能够无限次重复。由于电子时刻不停地与光子作用，所以电子的质量也在时刻不停地变化着，当然原子的质量也在不停地变化着。 这里，我们不妨把我们的假设和推理作一总结：

   ①和原子核类似，电子也是有内部结构的 — 至少由光子和带负电的粒子部分组成；电子可以吸收一个光子形成新的、质量更大、内部结合力更弱的电子；也可以放出一个光子后形成新的、质量更小、内部结合力更强的电子，并且电子吸收光子 ―― 放出光子 ―― 吸收光子的过程是可逆的；总有特定质量的电子的结合能是很大的，我们把这些质量称之为电子质量“幻数”。

   ② 由于电子质量“幻数”的存在，对于处于原子核静电引力束缚下的电子而言，只有特定质量的光子和电子的结合才是稳定的，所以特定质量的电子往往只吸收特定质量的光子。

   ③原子中电子的质量不是固定不变的：电子离核越远质量越大，离核越近质量越小，自由态的电子质量最大，所以原子的质量也不是固定不变的。

  实际上，早在上个世纪人们就发现，原子核是由中子和质子组成的，并且也发现了同一种元素可以有多种同位素。如果有人说同一种元素的原子核（带有相同的质子数）可以吸收几个或多个不同数量的中子形成质量不同的新的原子核（同位素），谁都不会怀疑；但同样是带电粒子，却没有人去认真分析电子的内部结构，既便是电子在原子中不停地重复着吸收 -- 放出光子这一过程，也没有人想到电子的质量会因此而发生变化，更没有人把它和原子光谱问题联系起来，实在很可惜。这其中固然有人们思维定势的一面，但最主要的原因还是没法突破解决原子光谱问题的主要屏障━━原子和电子为什么没有沿着直线吸引在一起。