原子模型的發(fā)展及量子力學(xué)的建立林元興(安慶師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院安徽安慶246011)

指導(dǎo)教師：張青林摘要：自從湯姆遜通過(guò)陰極射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)電子以后，人們逐步開(kāi)始研究原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)。通過(guò)不斷的改進(jìn)、修正，建立了一個(gè)相對(duì)完整的原子結(jié)構(gòu)模型。本文結(jié)合物理學(xué)史料，從原子模型入手，扼要地對(duì)不同時(shí)期各種原子模型作以下介紹和表述，目的在于更好地了解近代物理尤其是量子力學(xué)思想及其發(fā)展過(guò)程，加深對(duì)原子模型的微觀認(rèn)識(shí)。關(guān)鍵詞：原子模型，幾率定律，雙重解理論，孤子(Soliton)模型引言—原子模型建立前奏任何物質(zhì)都是由原子構(gòu)成，原子只是物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的一個(gè)層次，物質(zhì)的這種原子觀只是在十六世紀(jì)之后才被人們普遍接受。1806年，法國(guó)普魯斯特(J.L.Proust)發(fā)現(xiàn)化合物分子的定組成定律；1807年，英國(guó)道爾頓(J.Dalton)發(fā)現(xiàn)倍比定律，并提出原子論；1811年，意大利啊伏加德羅(A.Avogadro)提出同體積氣體在同溫同壓下含有同數(shù)目之分子的假說(shuō)；1815年，英國(guó)普勞托(Prout)根據(jù)許多元素的原子量的都接近于氫原子量的整數(shù)倍而提出所有的元素都是由氫構(gòu)成的假設(shè)；1826年，英國(guó)布朗(R.Brown)觀察到液體中的懸浮微粒作無(wú)規(guī)則的起伏運(yùn)動(dòng)；1833年，英國(guó)法拉第(M.Faraday)提出電解定律，并把化學(xué)親和力歸為電力；1869年，俄國(guó)門(mén)捷列夫(D.Mendeleev)提出元素周期律；1881年，美國(guó)斯通尼(GJ.Stoney)提出“電子”概念，并用阿伏加德羅常數(shù)Na和法拉第常數(shù)F推出這一基本電荷的近似值為e=F/Na；1885年，瑞士巴爾未(J.J.Balmer)提出氫原子光譜的巴爾未線(xiàn)系；1889年，瑞士里德泊(J.R.Rydberg)提出里111德伯方程v==Rh(-),RH=109677.58cm-i為里德伯常數(shù)；1895年，德國(guó)倫琴CW.K.Rontgen)發(fā)現(xiàn)x九口n2n2H射線(xiàn)；1896年，法國(guó)貝克勒爾(A.H.Becquerel)發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性；1897年，法國(guó)居里夫婦(P.&M.Curie)發(fā)現(xiàn)了放射性元素釙和鐳;1896年，荷蘭塞曼(PZeeman)發(fā)現(xiàn)處于磁場(chǎng)中的原子光譜分裂的所謂塞曼效應(yīng)；1897年，英國(guó)湯姆遜(J.J.Thomson)確認(rèn)電子的存在；1897年，德國(guó)的盧瑟福(M.Rutherford)發(fā)現(xiàn)了射線(xiàn)，1900年又發(fā)現(xiàn)了Y射線(xiàn)，到此，拉開(kāi)了近代物理的序幕。原子的Thomson模型(西瓜模型)自湯姆遜發(fā)現(xiàn)電子以來(lái)，以原子中正、負(fù)電荷提出了許多見(jiàn)解，歷經(jīng)1898年、1903年到1907年，湯姆遜通過(guò)不斷的完善而提出原子的葡萄干布丁模型(即西瓜模型)；原子的正電荷均勻分布在整個(gè)半徑為10-10米的原子球體(湯姆遜球)內(nèi)，而電子則象面包中的葡萄干(或象西瓜中的瓜子)那樣嵌在各處，為了解釋元素周期律，湯姆遜還假設(shè)：電子分布在一個(gè)個(gè)環(huán)上，第一個(gè)環(huán)上只可放5個(gè)電子，第二只環(huán)上可放10個(gè)電子；假如一個(gè)原子有70個(gè)電子，那么必須有6只同心環(huán)，湯姆遜原子模型雖然很快被以后的試驗(yàn)所否定，但它所包含的“同心環(huán)”、“環(huán)上只能安置有限個(gè)電子”的概念，卻是十分寶貴的。3?原子的Rutherford模型（核式模型）1903年，德國(guó)林納德（P.Lenard）在研究陰極射線(xiàn)物質(zhì)吸收的實(shí)驗(yàn)中得出，“原子是十分空虛的”在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，日本長(zhǎng)岡半太郎（NantaroNagaka）于1904年提出原子的核式行星模型，認(rèn)為原子內(nèi)的正電荷集中于中心，電子繞中心運(yùn)動(dòng)，但他沒(méi)能繼續(xù)深入下去，直至到1909年，盧瑟福的學(xué)生蓋革（H.Geiger）和馬斯登（E.Marsden）在用粒子轟擊原子的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)粒子在轟擊原子時(shí)有大約八千分之一的幾率被反射回來(lái)，通過(guò)這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)，又經(jīng)過(guò)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)之后，盧瑟福于1911年提出了（但未被人們重視）原子的核式行星模型；正電荷被限制在一個(gè)半徑約為10-14米的原子核球體內(nèi)，電子在與湯姆遜球有統(tǒng)一數(shù)量級(jí)的空間內(nèi)繞核旋轉(zhuǎn)。盧瑟福的核式行星模型，不僅大膽肯定了高密度原子核的存在（首次將原子分為核外和核內(nèi)兩個(gè)層次），而且由此模型導(dǎo)出著名的盧瑟福散射公式為研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)和材料分析提出了一種有效的方法，同時(shí)對(duì)近代物理特別是原子物理的發(fā)展起了重要的作用，但盧瑟福模型也存在著嚴(yán)重不足，那就是不能解釋原子的穩(wěn)定性，同一性和再生性。4．原子的Bohr及Bohr-Sommerfeld模型（量子軌道模型）4.1原子的Bohr模型（圓形軌道模型）1900年4月，英國(guó)開(kāi)爾文（W.T.Kelvin）指出：“物理學(xué)晴朗太空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云”這“兩朵烏云”一個(gè)與黑體輻射有關(guān)，另一個(gè)與邁克耳遜一莫雷（A.A.Aichelson-E.W.Morley）實(shí)驗(yàn)有關(guān)，而黑體輻射和邁克耳遜—莫雷實(shí)驗(yàn)則正是近代物理的兩個(gè)革命性的原理，那就是量子論和相對(duì)論。1900年一一一,、8兀h3dv10月，德國(guó)普克朗（M.Planck）用能量的量子學(xué)說(shuō)E=nhv,h為普克朗常數(shù)，卩（V）=成功地C3竝ekT—1解釋了黑體輻射，時(shí)隔五年的1905年，愛(ài)因斯坦（A.Einstein）發(fā)展了普克朗的量子學(xué)說(shuō)，并用光的量子學(xué)說(shuō)成功地解釋了光電效應(yīng)（1923年康普頓（A.H.Compton）效應(yīng)進(jìn)一步證明了光量子性），同年又創(chuàng)立了狹義相對(duì)論。然而，自1885年巴爾未提出氫原子光譜線(xiàn)系公式和1889年里德伯提出起原子光譜線(xiàn)系公式以來(lái)，許多科學(xué)家都不斷致力于原子光譜的研究。1906年賴(lài)曼（T.Lyman）在紫外區(qū)域找到了一組氫原子光譜的賴(lài)曼線(xiàn)系，1908年帕邢（F.Paschen）又在紅外區(qū)域找到了一組氫原子光譜的帕邢線(xiàn)系。為了解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，1913年丹麥玻爾（N.Bohr）綜合普朗克和愛(ài)因斯坦的量子學(xué)說(shuō)和盧瑟福的原子模型，提出了h2h行星式的圓形軌道模型：①.電子以原子核為中心沿具有一定半徑（r=——n2,h=「,n=1.2…）或一定能量nme22兀me41（En=-）分立的圓形軌道繞轉(zhuǎn)（在一定軌道上繞轉(zhuǎn)的電子被稱(chēng)為穩(wěn)定狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)定態(tài)，其中能量2甘n2最低的態(tài)稱(chēng)為基態(tài)，其余的稱(chēng)為激發(fā)態(tài)）；②?電子從某一定態(tài)軌道躍到另一定態(tài)軌道時(shí)放出或吸收的輻射能為hv=E-E電子在定態(tài)軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)發(fā)生電磁輻射；③.電子運(yùn)動(dòng)的角動(dòng)量是量子化的，L=nh,n稱(chēng)為主nmh量子數(shù),h=稱(chēng)為狄拉克的普朗克常數(shù)。原子模型的發(fā)展及量子力學(xué)的建立第原子模型的發(fā)展及量子力學(xué)的建立第頁(yè)，共8頁(yè)[4]閻康年，關(guān)于德布羅意的生平，物理，1982.11。楊富家著，《原子物理學(xué)》，上海科技出版社，1985。金尚年，量子物理學(xué)各發(fā)展階段大事紀(jì)要，物理，1987.1。曹志平，德布羅意與玻姆；量子力學(xué)因果解釋綱領(lǐng)比較，科學(xué)技術(shù)與辯證法，15（2）.1998[8]D.Bohr&B.J.Hiley.Found.Phys,Vol.12.No.10.1982.[9]褚圣麟，《原子物理學(xué)》，高等教育出版社，1979.6。[10]劉連壽主編，《理論物理基礎(chǔ)教程》，高等教育出版社，2003.10。AtomicmodelsofdevelopmentoutlinedLinyuanxing(SchoolofPhysicsandElectricalEngineeringofAnqingNormalCollege,Anqing246011)Abstract:SinceThomsonthroughelectroniccathoderayfoundafterpeoplegraduallybegantostudytheinternalstructureofatomsandmovement.Throughcontinuousimprovement,theamendment,arelativelycompleteatomicstructuremodels.Thecombinationofphysicsdatafrommodelswithatomic,atomicbrieflyonthevariousmodelsfordifferentperiodsfollowingtheintroductionandexpression,withtheaimofbetterunderstandingofqua