原子结构 | 原子结构 | 原子模型

原子是物质的基本构件。它们是元素的最小单位。例如，一块铁由大量紧密排列的铁 (Fe) 原子组成。如果说原子结构，它可以分为两部分：原子核和核外部分，它由三个基本粒子组成：电子、质子和中子。这些粒子被称为亚原子粒子。

亚原子粒子性质

质子和中子存在于原子核中，原子核是原子中心一个非常小的区域。电子存在于核外部分的不同能层或能级中，也称为围绕原子核的轨道。电子在这些轨道上围绕原子核不断运动。电子是带负电的粒子，质子是带正电的粒子，而中子是中性的，因为它们没有电荷。在原子中，电子的数量等于质子的数量。

原子的结构并非一日、一周或一年就得以发现。有许多科学家在1815年至1905年间进行了各种实验，以了解原子的结构。

起初，根据道尔顿原子理论，原子被认为是不可分割的，不能分解成更小的粒子。后来，在进一步的实验中，人们发现了原子中存在三种亚原子粒子（质子、中子和电子），并发现原子是可分割的，或由不同的亚原子粒子构成。

让我们看看在电子、质子和中子的发现中以及揭示或理解原子真实结构方面发挥重要作用的科学家及其实验。

亚原子粒子（原子内部粒子）的发现

i) 电子的发现

电子由 J.J. Thomson 于1897年发现。他因发现电子而获得1906年诺贝尔奖。他用一个透明的放电管进行实验。他在管子的两端各放一个金属板，并将板连接到一个高压电池。电池的负极端连接到一块板上，这块板成为带负电的电极，称为阴极。而电池的正极端连接到另一块板上，这块板成为带正电的电极，称为阳极。

放电管中充入非常低压的空气或气体，并安装了真空泵，以便在需要时降低气体的压力。

起初，气压与大气压相同，并给电池通电。管内没有观察到任何变化。然后通过真空泵将管内压力降低到1毫米汞柱。这次管子开始发光，所以很清楚在这种压力下，电流从一个电极流向另一个电极。

压力再次降低到0.01毫米汞柱。这次管子停止发光，内部变暗，但他在阳极后面观察到了绿黄色的荧光。阳极内侧的管壁上有一层硫化锌 (ZnS) 涂层，当被带电粒子撞击时会产生荧光。因此，Thomson 得出结论，当温度为0.01毫米汞柱且电压为10,000伏特时，管内会产生带电粒子，使 ZnS 发光。由于阴极位于阳极的相对位置，因此 J.J Thomson 得出结论，带电粒子以射线的形式从阴极发出，他称之为阴极射线。

阴极是带负电的电极，因此阴极射线的粒子也带负电。此外，异性电荷相吸，因此这股带负电粒子流朝阳极运动，穿过阳极后撞击 ZnS 并使其发光。

这些带负电的阴极射线粒子被称为电子，因此电子由 J.J Thomson 发现。用来表示电子的符号是 e^-。他说原子是一个带正电的球体，电子随机分布或嵌入其中。他还说原子是电中性的。

ii) 质子的发现

质子由 Goldstein 发现。在发现原子中的电子后，他认为原子核中必须有一些正电荷来中和电子的负电荷，因为原子是中性的。因此，他也用一个装有两个电极（阴极和阳极）的放电管进行了实验，这两个电极连接到电池，并且放电管连接有真空泵。

由于他要发现带正电的粒子，他在阴极后面涂上了硫化锌。他保持了发现电子时使用的相同压力和电压，并通了电。但他没有观察到任何东西。

然后，他在阴极上钻了一些孔（小孔），并再次进行了实验。这次涂层开始发光。这表明射线中存在带电粒子，这些粒子从阳极发出，穿过阴极的孔后撞击硫化锌 (ZnS) 涂层，使其发光。这些带正电粒子的射线被称为阳极射线或通道射线。这些带正电的粒子被称为质子，因此质子由 Goldstein 发现。

通过以上两个实验，发现了电子和质子。现在，在电子和质子发现之后，下一步是找到这些粒子在原子中的排列。因此，J.J. Thomason 在1904年再次提出了原子中电子和质子排列的模型，该模型被称为西瓜模型。

与质子相比，电子的质量非常小。因此，他假设是质子对原子的质量做出了贡献。根据他的模型，原子是一个均匀分布在原子中的正电荷或带正电粒子的球体，而电子则像西瓜籽一样随机地分布或嵌入在这个质量中。因此，根据他的模型，电子是均匀分布的，但质子是随机分布的。

他还通过与布丁（也称为**汤姆逊西瓜模型**）进行类比来解释他的模型。根据这个模型，正电荷像布丁一样均匀分布或存在于原子中，而电子则像里面的葡萄干一样嵌入其中。

然而，当卢瑟福通过一项实验（如下所述）发现原子结构的新的事物时，汤姆逊提出的原子结构被证明是错误的。

卢瑟福实验

欧内斯特·卢瑟福取了一张薄金箔，周围环绕着由硫化锌 (ZnS) 制成的偏转屏。屏幕并非完全被包围，因为屏幕上有一个狭缝。然后他通过狭缝将一束α粒子轰击到薄金箔上。α粒子是带正电的粒子。

同性电荷相互排斥，α粒子带正电，并且比质子重。因此，卢瑟福期望带正电的α粒子束会发生偏转，因为根据汤姆逊模型，原子中存在均匀分布的正电荷。但卢瑟福发现，大多数粒子直接穿过金箔而没有发生任何偏转，一些粒子以小角度偏转，只有一个粒子似乎反弹回来，即偏转后沿原路返回。少数粒子偏转了180度。**卢瑟福根据他的实验得出的结论**如下：

• 原子的大部分空间是空的，因为大多数α粒子直接穿过金箔而没有发生偏转
• 原子内部的正电荷占据的空间非常小，因为只有少数粒子以小角度偏转。
• 原子的正电荷和所有质量都集中在原子内部一个非常小的体积内，因为很少有α粒子被直线或大角度偏转。这表明原子核内部有一个更重的带正电的物体，占据的空间很小。

基于以上或他的发现，**卢瑟福提出了一个原子结构**，称为**卢瑟福核模型**。

• 原子中心有一个带正电的物体，称为原子核。
• 原子由两部分组成：原子核和核外部分。
• 所有的质子（正电荷）都位于原子核内，因此原子的全部质量都存在于原子核内，因为与质子相比，电子的质量可以忽略不计。
• 电子不在原子核内，它们围绕原子核旋转。
• 与原子的大小相比，原子核的大小非常小。

此外，为了解释原子的稳定性，他说，旋转电子的离心力抵消了带正电的原子核与带负电的电子之间的吸引力。然而，这种逻辑被证明是错误的。

卢瑟福原子核模型的缺点

卢瑟福模型存在一些缺点，例如：

• 如果电子围绕原子核旋转，那么它们从哪里获得能量来进行旋转？
• 由于电子在运动，它们在旋转时一定会损失能量，因此最终会撞击原子核，因为它们会损失全部能量。但这并没有发生。所以，这个结论没有被接受。

此后，**丹麦物理学家尼尔斯·玻尔提出了一个新的原子模型，以改进卢瑟福的结论**。

他说电子确实在旋转，但它们在特殊的圆形轨道上旋转，当时被称为电子的离散轨道，这意味着每个电子都在特定的轨道上旋转。例如，如果有五个轨道，它们将具有不同的轨道半径和能量水平，不同的电子在其中旋转，而不会干扰其他轨道的电子。他说，电子在这些轨道上旋转时不会损失能量，因为这些轨道的能量保持不变。

玻尔原子模型

玻尔通过其核模型提出的要点称为**玻尔原子模型的假设**，如下：

• 在原子中，电子在圆形轨道或离散轨道上绕原子核旋转而不损失能量，这些轨道被称为能量壳层或能级。
• 每个能量壳层的能量是固定的，因此能量壳层也称为定态或定态轨道。
• 原子核周围的能量壳层或轨道从最内层轨道到最外层轨道依次命名为 1、2、3、4 或 K、L、M、N。例如，K 是第一能级，L 是第二能级，依此类推。最低能级 (K) 称为基态，因为它具有最低能量。
• 能量壳层的能量随着我们远离原子核而增加。例如，E₁ < E₂ < E₃ < E 壳层的能量是固定的，因此电子的能量也保持不变，它在旋转时不会损失能量。因此，尼尔斯·玻尔能够证明原子的稳定性。
• 只要电子停留在其轨道上，它就不会获得或失去能量。因此，原子是稳定的，不会崩溃。电子只有在从一个轨道移动到另一个轨道时才会获得或失去能量。获得或失去的能量等于涉及电子运动的两个轨道或能级之间的能量差。例如，电子从第二能级移动到第三能级时会获得能量。在这种情况下，原子被称为处于激发态或高能态。同样，它在从外能量壳层移动到内能量壳层时会失去能量。
• 原子具有最低能量的状态，即电子在其各自的轨道上旋转而没有损失或获得能量，称为原子的基态。

玻尔原子模型的局限性

• 它不遵循海森堡不确定性原理。根据玻尔模型，电子可以同时具有已知的位力和动量，而根据海森堡原理，这是不可能的。
• 它未能解释磁场对原子光谱的影响或塞曼效应，该效应会导致光谱线在磁场存在下分裂成几个部分。
• 它无法解释斯塔克效应或电场对原子光谱的影响。
• 尽管它能够预测氢等小原子的正确光谱，但未能解释大原子的光谱。

iii) 中子的发现

中子由詹姆斯·查德威克于1932年发现。它没有电荷，但其质量等于质子的质量。中子和质子一样存在于原子核内部。因此，原子的质量等于质子和中子质量的总和。因此，在中子发现之后，我们今天所知的原子结构就完整地发现了。