原子模型发展综述毕业论文.doc

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1、惠州学院HUIZHOU UNIVERSITY毕 业 论 文 中文题目：原子模型发展综述英文题目：Development of the atomic model review姓 名 学 号 090704127 专业班级 09物理学（师范） 指导教师 提交日期 2013-04-22 教务处制原子模型发展综述 摘要本文回顾人类探索原子模型的历程，揭示了原子论从哲学思辨到科学实验的发展过程, 这一过程不是科学对哲学的简单否定, 而是科学对哲学的充实，也阐述了在原子模型建立的各个历史阶段具有纪念价值的重要事件以及事件背后的科学意义，从而是我们更清晰的把握原子结构各层次的脉络，进一步启示我们科学实验是近代

2、科学理论发展的动力和源泉，在对物质微观结构的探讨中，当科学探索由宏观领域延伸到宇观领域和微观领域，知性的科学思维遭遇了前所未有的挑战，只有靠理论的智慧和历经实践的检验，才是获得真理的唯一方法。 关键词原子模型 原子结构 发展历史 哲学物质观 Development of the atomic model reviewAbstract This paper reviews the The human exploration model of the atom course reveals atomism from philosophical speculation to the process

3、of development of scientific experiments, this process is not science philosophy simple negation, but scientific philosophy, the atomic model establishedthe scientific significance of each historical stage a monumental events as well as behind the events, which we grasp more clearly the context of t

4、he atomic structure at all levels, the further revelation our scientific experiments is the source of power and the development of the theory of modern science, in the material microstructureDiscussion scientific exploration by the macro field extends to the the Macrocosm field and microscopic field

5、 the intellectual scientific thinking encountered unprecedented challenges, can only rely on the wisdom of the theory and after the test of practice and inspiration, is to reveal the truth, when the only way to. Key wordsAtomic model of the atomic Atomic structure Historical development Philosophica

6、l Conception 目录摘要IAbstractII引言1第一章 古代物质观21.1 古希腊原子论21.2 古代中国物质观4第二章 近代物质观52.1近代机械原子论 62.2 近代科学原子论62.3 电子的发现7第三章 现代原子论93.1现代原子论雏形 93.2量子力学与原子标准模型建立10第四章 结语15参考文献17致 谢18引言茫茫玉宇，寥寥江天，沧海桑田，展现在我们眼前的是一个无尽斑斓的物质世界，千百年来，物质的本原论一直是人类探讨的奥秘，古希腊原子论成为人类最早对物质世界的唯物认识，传统的古希腊原子论是哲学思辨的产物，近代原子论则在科学实验的基础上认为原子是一种基本的微小物质粒子，

7、至于现代的原子论只在在量子力学的推动下，从定量研究和模型研究出发更深入的提出了更加科学的原子模型结构，建立起标准的原子模型将为科学原子论构建一个可靠地和可观的基础，模型能对原子变化和运动的过程加以概括和简化，但模型的建立是否科学还需要通过理论和实验的考证。人类对原子及其结构的认识是一个由浅入深，由现象到本质，由不全面到比较全面的不断探化、不断完善的过程。回顾原子模型的产生和发展历程，研究其不同发展阶段的特点及背景，对于科学工作者来说不仅具有重要的认识论和方法论的意义，从而认识到一种基本理论的演化是如何影响和制约着相关学科的发展，使我们从中得到不少有益的启示和经验。第一章 古代物质观1.1古希腊

8、原子论 古希腊是西方文明的发源地，最早关于世界本原说法的也是古希腊哲学家米利都学派的创始人泰勒斯在公元前585年提出，他认为万物由水组成，皆生于水而复归于水，水是永恒不变的本体。他也注意到植物和农作物的种子皆是潮湿的，水是潮湿的根源，种子在水的滋养下成长，而希腊在地理位置上毗邻地中海，岛屿众多，认为世界浮于水面上，是世界的载体，泰勒斯的学生阿那克西曼德随后提出了“无限者”是万物的本原，“无限者”是一种没有固定性质和形态，不生不灭，无穷无尽，之后，同样作为阿那克西曼德的学生阿那克西美尼在受到泰勒斯的理论影响提出了万物的本原是气。气的凝聚变化形成万物，气在水之先，它是无限的并无所不在，是一切物体的

9、最单纯的本原。另外，古希腊先哲赫拉克利特在泰勒斯的基础上提出了更深入更系统的物质本原论：万物皆由火组成。在他的著作中这样写道：“这个世界的过去、现在以及未来永远是一团永恒的活火。”他认为万物是借浓厚化和稀薄化从火产生而又重新分解为火，火创造了万物并毁灭了自身，而火的毁灭就是万物创造的表现，体现了唯物主义和辩证法的思想，也揭示了物质的运动和变化的规律，在众多古希腊的世界本源原论中具有里程碑的意义。除了上述提到以水、气、火的单一本原论外，恩培多勒提出了多本原说，他认为万物由火、水、土、气四种元素构成，在形形色色的事物中四元素的构成比例是各不相同的。随之在四素说基础上阿纳克萨克拉在他的世界本原论中形

10、成了种子说，认为万物都可以被无限的分割，提出了一种无限小的概念，“种子”是物质微粒，体积小，数目无限多，它具有各种不同的性质，是构成事物的“最初的元素”，并且已经包含了物质守恒的思想。人们在早期的关于物质本源的探讨中，只是阐明了物质的组成成分及基本元素，没有涉及物质构成的单元内部结构，这些哲学的假设并没有形成科学思想，或许是自然科学的萌芽。哲学家更像是集百家于一身的大成者，在文明启蒙阶段，这种物质本源思想在今天看来充满理论和实践上的漏洞的，但并不意味着能用今天的标准来否定这些朴素的物质观猜想。我们所熟知的原子论，早在古希腊时期就已有了雏形，这也是我们不得不为古哲人的伟大智慧而折服的地方。古希腊

11、原子论是众多物质本原理论中最出色、影响最深远的理论。原子论首先由哲学家留伯基提出，之后由他的学生德谟克利特继承和发扬了原子论学说，认为万物是由不可分的原子微小的实心原子组成。原子本身在性质上没有差别，而在于形状、次序和位置的区别，原子由于运动就应该需要空间，而空间就是所谓的虚空，虚空与原子是紧密联系在一起的，德谟克利特曾说：“惯常认为，甜就是甜，苦就是苦，热就是热，冷就是冷，颜色就是颜色，但实际上只有原子和虚空。人们惯常把感觉的看作是真实的。”原子不能创造，也不能毁灭。原子在无限的虚空中作涡旋运动，才形成了现在的世界万物。原子论在物质的构造中解释了物质本原。德谟克利特表述了两个重要思想，一个是

12、世界的可生可灭性, 另一个是自然界存在固有的运行规律和法则，后者表明德谟克利特奉行的是严格决定论的自然观。德谟克利特还用原子论解释人的认识活动，提出了著名的“影像说”，这种理论对近代西方哲学的经验论产生了较大的影响。德漠克利特的原子论是古希腊最辉煌的成就之一, 它不仅具有深远的哲学意义和伟大的科学意义, 而且在人类的认识论上也具有十分重要的意义。古希腊原子论开辟了解释自然界万物变化的可能性，也奠定了人们对物质结构探索的基础，其中也包含了现代宇宙学建立的萌芽。在德谟克利特的一百年后，古希腊另一位先哲伊壁鸠鲁把对世界本源的认识提高到一个新的高度，对德谟克利特并没有说清楚的原子运动的原因, 伊壁鸠鲁

13、补充说是重量使原子产生了向下运动, 但他认为重的原子并不比轻的原子运动得更快。这可能是最早与亚里士多德的“重的东西比轻的东西下落快”观点不同的见解。在继承留伯基和德谟克利特理论上，深化和发展了原子论：（1）原子重量是基本属性之一（2）原子重量跟原子运动有关（3）原子运动的三种形式 尽管这种说法自产生之日起就饱受攻击, 但马克思在其博士论文德谟克利特的自然哲学与伊壁鸠鲁的自然哲学的差别中给予了较高的评价, 认为它承认了原子唯物主义的体系中偶然性的存在. 在人类文明的初级阶段, 古希腊自然哲学家天才的直觉和猜想性思辨是对物质世界的一种朦胧的认识, 运用猜测、类比、思辩、推理等手段去阐释的物质存在的

14、方式是科学研究方法逻辑起始。在之后的几百年间，原子论不断得到补充和完善，发展成为一个完整、系统的理论，是西方先哲对物质结构和组成做出的伟大贡献。古希腊的物质本源论之所以能取得这么伟大的成就跟当时的历史背景和地理政治环境有关，当时的古希腊社会政治氛围宽松，崇尚知识和真理，作为公民享有极高的自由权利，在民主政治中不受封建胶条的禁锢。古希腊也有悠久的海洋文明，无数的港湾、岛屿，在经济文化上与周边的国家联系密切，促使各种文化和知识的交流传播，古希腊原子论的提出开辟了人们研究物质构成的新视角和新方向, 成为人类关于物质结构理论的原始萌芽。1.2古代中国物质论 中国古代对物质本源的说法能追溯带殷周之际，公

15、元前773年史伯就谈到了世界本源和物质结构的有关问题，在国语里写道：“古先王以土与金木水火杂以成万物。”在易经里，选取了天、地、雷、风、水、火、山、泽这八样自然物对应着八个基本卦象，试图用它作为世界万物的本原在春秋时期还产生了物质为“气”所构成的说法，管子明确指出：“精也者，气之精者也。”“凡物之精，此则为生。下生五谷，上为列星；流于天之间，谓之鬼神；藏于胸中，谓之圣人；其故名气。果乎如登于天，杏乎如入于渊，桌乎入在于海，卒乎如在于琦，是故此气也不可止以力，而不安以德；不可呼以声，而可近以意。敬守勿失，是谓成德，德成而智出，万物果得。”这里说到气是万物的本源了，并且将气同人事联系在一起，以比较

16、抽象的物质性的“气” 作为宇宙万物的本原，为物质世界的复杂性和多样性提出了比较合理的解释，之后，旬况进一步发展了气的学说，把气看成是组成万物的最基本的要素。在五行说和气说的产生同时，还产生了阴阳当做是自然界的两种对立势力的说法，用以解释一些自然现象.在公元前780年西周泾、渭、洛三川地震，周大夫伯阳说这是：“阳付而不能出，阴返而不能蒸，乃阴阳失序所致。”战国时期人们已比较普遍地接受了阴阳是自然界两种对立力量的思想，并且与气结合起来。老子认为，万物内涵着阴阳两种对立力量，他们统一在看不见的气中。在五行说、阴阳说、气说产生伊始就出现了将这几种理论结合起来以说明世界万物生成和变化发展的观点，奠定了中

17、国古代元气论自然观的基础。到了东汉，王充身体力行，发展五行说，气说，阴阳说，提出了元气论，明确世界本源，对后世影响非常广泛，王充的观点在当时就是唯物主义论，认为天与万物都是客观存在的实体，否定天有意识的观念。唐代的柳宗元和刘禹锡把元气论自然观发展到了一个新的高度，他们已用元气论发展了有关宇宙的形成、发展、演化的理论。宋代的张载和明代的王夫之在继承前人成就的基础上，利用当时自然科学和哲学思想成果，在前所未有的深度和广度对元气论作了系统的研究，把元气论推进到发展的最高峰。 古代物质观究竟是古人对大自然规律探讨所得出的主管臆测，无论对古希腊的原子论还是古代中国的元气论诠释的多么完整，这些理论支持者的

18、证据都是间接经验，理论方案应遵循实事原则，方案只能是事物的简化模型，就好比筹码并不是钱，只是钱的代表。在物质观上持不同观点的学者们，在就根据对自己有利的论据和更合理的论点来取舍对理论的观点，公说公有理，婆说婆有理，在当时他们对理论的理解和表述都是比较模糊的，理论的逻辑结构也松散，对有关问题的解释含糊不清的，这是主观的决定，缺乏实际内容。总之，即要充分合理的评价古先哲的思想萌芽，亦不宜过分拔高、牵强附会的说他们等同于近代科学里的基本概念。第二章 近代物质观2.1近代机械原子论 西方的知识体系在很长的一段时期主要以亚里士多德的理论和基督教圣经的权威为基础的，自然科学臣属于宗教神学，科学在成为相对独

19、立的系统进程中发展十分缓慢，古希腊的原子论在当时是对上帝创世说的亵渎而被当做异教学说被长期的打压，在13世纪到17世纪的文艺复兴运动，欧洲大陆也结束了几世纪的阴霾黑暗时期，带来了古希腊哲学思想的回归热潮，迎来了新的科学发展高潮，人们的思想不再受到封建专制和教会的禁锢，古代的原子理论学说再次登上历史舞台，再一次被人们纳入到了自然哲学的讨论中，随后，法国科学家伽桑狄在伊庇鲁斯的原子论基础上提出了用原子的形状和大小来说明物质的各种性质和属性。他认为热是微小和圆形原子引起的； 冷是带有锋利棱角的锥形原子引起的； 固体是由带钩的原子相互联结在一起。伽桑狄的这种感觉论在认识物质的本质上具有许多的弊端，这种

20、解释虽很肤浅，但生动形象、简单明了，比起炼金术士或医药学家的种种神秘说法来更易于被人接受，他全面地复兴了古代原子论哲学，最终“把伊庇鲁斯从禁书里拯救出来”。原子论在近代西方得到如此重视, 一个重要原因在于, 原子论“ 以量说明质” 的方法。对于当时各个领域中揭开自然界的奥秘具有极其重要的作用。因此很受科学家的欢迎。科学家们“ 假定一切物质是统一的。物体所表现的多种多样的形式。是由于组成它的质点具有极平常而简单的亲合力所造成的。”科学家们普遍认为,各种物质现象归根结底都要归结于原子运动。物体发热, 是由于“热素”在运动,物体燃烧,是因为燃烧时,“热素” 逸出, 吉尔伯特把磁性物体的吸引看作“热素

21、”的功能,刻卜勒断定,太阳使行星运动, 是通过“ 以太” 实现的,哈维认为, 太阳的热力是通过“以太”为媒介而传给动物的内脏与血液的。十七世纪中期，波义耳在古希腊原子论的基础上提出了新的原子学说，认为宇宙中普遍存在的物质都是由大小和形状不同的微小粒子组成，他希望自己的微粒哲学能开辟化学的新局面，力图把物质的性质归因于微粒的大小、形状、排列次序和运动。牛顿则更深入的提出气体也由微粒组成，气体粒子间的相互作用力非常弱，但因它们间的距离不断缩短而逐渐增强，在一定的距离粒子间会发生化学变化，牛顿对光现象的推测也是如此：光是一种粒子运动,光产生反射、折射和弯曲、以至相互作用, 都是一些小质点所起的超距作

22、用，从而形成牛顿的“微粒说”，但是与当时科学的发展相对照, 科学实验还没有得到充分发展, 理论研究的对象、目的和方法等一系列重大问题尚未解决。科学家家面对数量巨大、庞杂零乱、各具特征的物质和化学反应，在那时还不可能用原子学说提供满意的解释。波义耳、牛顿都盼望炼金术能取得成功，以证实他们的微粒学说，但在当时的科学技术条件下，是过于奢望了,不可能实现。原子论哲学在这阶段只能是思想上的复兴还不能发展, 是由当时的自然科学发展水平所决定的。因为在这时, 科学的进展主要表现在数学和力学中, 以研究物质内部结构和性质等为特点的化学和物理学还没有真正独立发展起来, 解剖微观物质的精确实验还没有引起人们的极大

23、兴趣, 所以, 这时期的“原子论”都还属于一种猜测, 并没有什么精确的实验为根据, 这和古代原子论的观点在本质上并没有多大差别，但这时期使得原子论得到了迅速的发展和广泛的传播，无疑为19 世纪初科学原子论的创立打下了牢固的思想基础。2.2近代科学原子论 18世纪末，瓦特发明了蒸汽机，将人类带入了工业文明时代，社会生产力得到了极大地提高，科学的发展也逐渐影响到生产技术的改变和应用，让科学进入了飞速发展的阶段。科学实验大大推动了近代物理和化学的发展, 科学家们运用理论思维方法确认了原子的存在, 用科学抽象的方法发现了隐藏在现象背后的原子本质, 从而促进了理论思维方法的应用, 充实了方法论的内容。原

24、子论在西方能够得到普遍承认，并最终成为现实的物质结构理论, 还与近代化学的发展密切相关。近代化学起源于炼金术。在中世纪欧洲,曾经在一段很长的时间内,化学都处在它的原始状态，即以炼金术的形式出现。西方的炼金术士为了寻求黄金，接触了许多化学反应。他们的理论根据是亚里土多德的“原性” 和“ 四元素”说，因为“四元素”是由“原性”作用而成,万物又是由“四元素”组合而成, 因此只要改变“原性”的作用方式就可以得到物体变换的结果。后来他们又增加了三种“原性”，即汞的金属性、硫的可燃性、盐的溶性。这样就有七种“原性”，一切物质的可变化皆取决于上述七种“原性” 的变化。可见, 抛弃“四元素”说，恢复原子论,

25、与化学能否从炼金术土手里解放出来是紧密相关的。十七世纪，波义耳在他的怀疑的化学家一书中提出，元素并不是如同亚里土多德所说的土、水、气、火，而是不能用化学再分解的最简单的物质粒子。这种观点当即得到大多数科学家和哲学家的支持。真正把化学从炼金术士手中解放出来的是十八世纪的燃素说。德国化学家兼医生柏策和司太尔认为，一切可燃物体都含有燃素，当物体燃烧时，燃素就逸出。这就是著名的燃素说。1774年法国化学家拉瓦锡在实验中发现了氧，并提出来定比定律，他也否定了当时流行的燃素说，提出了氧素说，建立了科学的燃烧学说，也让单质、化合物的概念第一次清晰的展现在人们眼前。拉瓦锡的发现对建立科学的原子论具有深远的意义

26、，而在此之前，化学家波义耳提出了一个新概念“元素”，给元素下了一个简明科学可以通过实验检验的定义，他认为元素是某些不有任何其他物质所构成的原始的和简单的物质，说明了简单物质与化合物的区别，使人们有可能对原子的种类获得崭新的认识，拉瓦锡的实验却印证了波义耳的观点，为近代科学原子论的建立铺平了道路。19世纪初，道尔顿提出新的原子论学说，世界上第一个原子理论模型，是近代“原子论”的开端，完成了从哲学思辨的原子论向科学原子论的转变。他借鉴了古代朴素的原子论思想和当时的物质微粒说，并在实验中发现两种不同物质在化合成另一种物质时，它们之间的质量成整数比，提出了倍比定律。道尔顿利用充分的实验数据中，认为原子

27、时组成物质的基本单元，并根据拉瓦锡的元素学说, 把元素和原子两个基本概念联系起来，指出同一种元素的原子在形状、质量等都相同，不同元素的原子则互不相同，并引入了相对原子量的概念，使得原子自身在质上和量上的规则性得到确立，这样不仅使人们对元素概念的认识提高到一个新的阶段, 而且使他的原子概念更加明确和具体，道尔顿的原子模型主要有以下三个观点： （1）原子是基本粒子不能再分。 （2）同钟元素的原子在性质和质量上都相同。 （3）原子是微小坚硬的实心小球。道尔顿的原子理论在理论上得到了确立，体现了科学理论的预见性和统一性，完成了化学领域内一次伟大的辨证综合，是近代原子论学说的奠基人，在化学和物理史上具有

28、里程碑的意义，但他却认为原子是组成物质的最小基元，原子仍是不可分的，没有从本质上克服关于原子的逻辑可分性的问题，因此，道尔顿的原子论仍然具有明显的局限性，但道尔顿的原子论第一次剥去了自古以来笼罩在原子学说身上的哲学外衣, 把模糊的推测变成了明确的、可经得起科学实验检验的科学理论, 并且对以后整个实验科学的发展起着导向的作用。近代化学理论的发展奠定了科学原子论的建立，原子是化学科学中基本的理论概念，现代著名化学家鲍林说过：“在所有化学理论中，最为主要的就是原子学说。”俄国化学家门捷列夫在道尔顿的新原子论基础上，把各种元素按照原子量的顺序排列起来，发现它们的化学性质呈现出一定的规律。并于1869年

29、发表了元素周期表，确定了元素的性质是跟原子量有关的。门捷列夫根据元素周期表中的空位预言了当时没有被发现的元素，如钪、锗等，后来的实验证实了他的预言。元素周期表具有如此强的周期性，这跟元素的构成究竟有怎样的联系？原子是否真的不可再分？直到后来人们得知原子是具有内部结构时，才把这些疑问解决，这也是后话。2.2.1电子的发现 早在1820年，安培根据电流磁效应提出了分子电流假说磁体的分子内部存在电流，推广到原子应由更微小的亚原子粒子组成，但凭空臆想的观点是不被人接受的。原子不可分的观点在当时就是一条真理，以至物理学家们认为世界本源问题已经解决，对于其他关于持怀疑观点的学说都当做茶余饭后消遣的话题。1

30、834年，法拉第在关于电解现象的研究中，认识到原子或者分子都携带者一定量的电荷，在原子电荷的得失应是一个基本单元电量的整数倍，1mol的任何原子的单价离子带有相同的电量。从而得出电解定律，并推导出法拉第常数F，但法拉第当时并没有做出更深入的研究。直到1881年，亥姆霍兹根据法拉第的电解定律和化合价理论，认为1mol一价离子所携带的电量应满足法拉第常数在此之前，爱尔兰物理学家斯通尼于1874年根据法拉第的公式估算出e的数值，并于1881年发表他的结论，在1891年将这种电荷的基本单元命名为“电子”（electron），但他并没有将电子作为物质的粒子而是电荷的单元。在关于原子和分子的带电机制探讨中

31、，物理学家们把目光聚焦在阴极射线上，法拉第早年在探究辉光放电时发现，在低压管的阴极的部分区域呈现不发光现象，后来被称为“法拉第暗区”，但当时的实验条件有限，他的研究工作没有取得实质性的成果。1858年德国物理学家普吕克尔在利用低压气体放电管（辉光放电）研究气体放电时发现阴极的壁管上有绿色的荧光放出，1876年，物理学家戈尔茨坦认为这是一种从阴极发出的某种射线，将其命名为“阴极射线”（cathde ray）。随后，克鲁克斯于1879年对阴极射线做了一系列的实验，并改进了实验装置，提高了实验管的真空度，认定阴极射线应由带电的粒子组成，但是他把这些粒子看作是放电管内残余的气体分子因接触了阴极从而带上

32、负电荷。阴极射线究竟为何物？当时物理学家们对此争论不休，有的认为是“以太”在空间中产生的激荡，也有认为是一种没有被发现的新型辐射，争论直到1897年汤姆逊在实验中证实电子的存在才停止，这也是后话。1897年，汤姆孙在卡文迪许实验室对阴极射线进行了大量的实验研究，认为阴极射线应由比原子小得多的粒子组成，它在磁场中的偏转与管内残存的气体分子并没有关系。在对比了塞曼的光谱效应中估算的荷质比，汤姆孙从阴极射线中发现的粒子荷质比两者的数量级是相同的。之后，他在测定了紫外线在云室中的基本电荷值为esu进而得出这种电荷粒子的质量为g。汤姆孙在他的文章中写道：“起电本质上涉及原子分裂，原子质量的一部分从原来的

33、原子量脱离出来获得自由了。”并用“电子”来命名这种带电微粒，电子的发现在当时的物理界犹如晴天霹雳，对传统的原子观是致命的一击。第三章 现代原子论3.1现代原子论雏形 在电子、X射线和放射性这三大发现使原子不可分的事实终究在人们心中动摇了，20世纪初期，卢瑟福早年在剑桥大学师从汤姆孙，前期研究X射线在气体中产生的电离等效应。在1902年卢瑟福和索迪合作发表了放射性的原因和本质。就放射性元素的衰变和转化成新物质的现象进行了论证，放射性现象是一种原子变成为新原子的过程，这是深入到原子内部的物质结构探索的开始，也揭开了现在科学革命的序幕，打破了原子不能再分的传统物质观念，不仅证明了原子内部结构的复杂性

34、，并建立了原子结构的动态模型，从而促使现代的原子论的建立现代原子学说比近代科学原子论更具有辩证色彩，近代原子论把事物千差万别、千变万化，归结为不变的原子间的简单排列组合和数量的差别, 还原为原子的基元性和单一性。而现代科学原子论依靠先进的科学技术手段, 不仅证明了原子的可分性和可转化性, 而且日益倾向于物质结构具有无限层次的关节点的思想, 分子、原子、基本粒子只不过是物质在无限分割过程中的不同的层次而已。物理学家们在实验和理论的基础上提出了许多关于原子结构的假说、模型和理论，1871年德国物理学家韦伯在安培的分子电流假说前提下提出物质都由带电离子构成，质量大的带负电的粒子被质量较小的带正电的粒

35、子环绕着，而这些带点粒子处于不同的稳定位置。1897年，英国物理学家汤姆逊通过实验发现了电子，1867年英国著名物理学家开尔文提出了“涡旋原子”的模型，认为空间不存在虚无，空间被一种绝对无摩擦的不可压缩的流体构成，流体以环状运动的形式存在，形成无数的涡旋管形的闭合而稳定的环（原子），而所有被我们所感知的物质都是由它们所产生的，这种模型并不是不可分割。1901年，当电子被发现，开尔文以此为根据完善了他的“涡旋原子”论，提出电子镶嵌在均匀分布的或以同心环分布的正电体原子模型。1903年日本物理学家长岗半太郎结合麦克斯韦的土星环运动的研究臆测出原子的结构也应该具有类似的内部结构，在他的模型里，处在原

36、子中间的是一个带正电的球体，在它周围环绕着一个个运动的电子，并尝试利用电子在环绕轨道上的振动来说明原子光谱的现象，行星模型本身具有缺陷，因为电子间的库仑力使得他们极具不稳定，但是在长岗的模型中可以看到他提到的“中心有一大质量的质点”这为以后建立的核式模型提供了线索。在根据大量的实验数据基础上，汤姆逊在1904年以开尔文的新原子模型和迈尔的用漂浮磁铁来模拟原子内部作用的实验为依据提出了著名的“葡萄干布丁模型”（西瓜模型）：元素的原子封闭在一个均匀正电球体中的大量带负电的粒子构成。电子以一定的角速度在一系列的同心环上运动，在库伦力的作用下电子在轨道上的平衡位置保持稳定的环绕状态。汤姆逊并提出原子的

37、性质跟电子处在环上的位置和环的结构稳定性有关，这也就向人们解释了门捷列夫的元素周期表为何具有如此强烈的周期性的原因。汤姆逊为了解决行星模型的结构不稳定性，认为正电荷均匀的分布在整个原子空间，电子按一定的距离分布在正电球的圆环上，在解释原子的稳定性时，汤姆逊认为在处在同一个环上的电子产生的静电力可以使单个电子对外的能量辐射被阻止，从而让整个原子系统处于稳定的状态。但这明显具有人为性质，自圆其说，对于严谨的科学这并不足以让人信服，首先必须要有实验依据，汤姆逊当然知道自己的理论存在瑕疵，但汤姆逊的理论成果在原子模型建立史上仍具有举足轻重的意义。就在汤姆逊为自己的模型寻找着更加理想的结构时，他的学生，

38、著名的物理实验大师卢瑟福也对汤姆逊的原子模型结构进行大量的研究，在卢瑟福的指导下，盖革和马斯登进行了粒子轰击金属箔的实验，发现越有 1/8000的粒子的碰撞偏角大于90，有的甚至接近于180，出现“反向散射”的现象，而绝大对数的粒子就跟汤姆逊模型的设想结果一样，在通过金属箔后偏转的角度很小都在2到3之间，当卢瑟福得知这个结果非常惊讶的说：“就像你发射一枚15英寸的炮弹，打在一张纸上，又被反弹回来击中自己一样，简直令人难以置信！”基于实验给出的答案，卢瑟福不得不否定他导师的原子模型，但卢瑟福并不是没有理论依据的臆测。根据汤姆逊的模型，粒子在穿过原子时，在原子表面受到的库仑力是最大，则粒子在原子表

39、面的掠射能获得最大的散射角。卢瑟福根据当时的实验数据计算出阿尔法最大散射角为：粒子在穿过金属箔是会与多个原子碰撞，最后获得的散射角并不是固定值，而是随机分布的，卢瑟福根据统计规律和理论依据，得出产生大于90的偏角的概率为，这是根本不可能发生的事。于是在1911年卢瑟福提出了著名的原子模型“原子结构核式模型”。他认为，原子内部存在一个几乎集中了原子全部质量的原子核，而电子则围绕着原子核旋转。这与之前提到的行星模型大同小异，在卢瑟福的原子理论中并没有说明原子核的性质和属性也没有把电子的运动形式做具体阐述，并且卢瑟福的有核模型也遇到了来自力学和电动力学的考验，因为围绕原子核运动的电子是要向外辐射能量

40、产生连续的光谱，随着能量的衰减，电子最终会被原子核捕获，卢瑟福也意识到他的理论存在严重的缺陷，他也说过关于原子的稳定性问题不是此阶段要考虑的。卢瑟福的原子核模型在当时存在着诸多问题：（1）正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求，即无法解释电子是如何稳定地 待在核外。（2）原子辐射光谱的分立特点不能解释。（3）原子核外电子塌陷问题。当时科学界对于卢瑟福的原子核模型并没有抱有太大的期待，毕竟存在理论上的瑕疵，但是这并不能否定卢瑟福对于原子模型建立所做的贡献，他为我们指明了原子物理的研究方向。如何解决电子绕原子核运动所带来的“诡异”现象，卢瑟福曾大胆说过：“原子结构理论没有问题，而是电磁辐射理论出

41、了毛病”，卢瑟福这样说并不是脑子发热，当时实验已经测得原子的线度在m数量级，如果电子落在原子上，则原子的线度就应在m数量级，电子并没有被原子核捕获，这也就不难解释为什么原子光谱都是分离的线状谱而不是连续的，显然物理的经典理论不清楚的解释在原子级别中所表现的物理问题，我们现在都明白，微观粒子的散射问题应该用量子力学来解决，传统的经典力学里提到的电子轨道概念并不存在，在后来量子力学得出的库伦散射截面的精确解和截面的低能近似的结果都与卢瑟福的公式完全一样，卢瑟福用错误的方法得出正确的结论，只能说是一个完美的巧合，卢瑟福的模型在原子结构发展史上起了一个启蒙作用, 他的模型有一定的合理部分, 对揭示原子

42、的构造起着积极的作用。3.2量子力学与原子标准模型建立 随着德国物理学家普朗克的一篇关于热物体的辐射热能在各波长上的分布问题论文的发表，量子理论在1900年蹒跚起步了。1905年，量子假说受到爱因斯坦的支持，他成功地说明了光电效应。到20年代中期，一个新的力学体系“量子力学”由薛定谔和海森伯独立地发展起来了。它很快地帮助科学家们说明了原子结构问题。量子理论是人类认识史上一次巨大的飞跃，它发现了宏观低速领域内所不曾发现的物质运动规律，揭示了时间、空间、物质、运动之间的有机联系，揭示了波动性和粒子性、连续性和间断性、必然性和偶然性之间的辩证关系，而这一切都是在人们冲破了经典理论的枷锁、结束了机械论

43、自然观的束缚后取得的丰硕成果。卢瑟福原子模型存在着众多问题，主要还是因为经典力学理论并不适用于微观世界，而首先意识到了这里面的种种矛盾是当时年轻的丹麦物理学家波尔，科学家在作出重要的贡献时，他的物理直觉和深刻洞察力往往是关键性的主导因素,但是他的学术素养和基本训练通常也会表现为不容忽视的保证因素。他把当时普朗克和爱因斯坦的光的量子理论于卢瑟福的原子模型进行分析，认为微观世界的粒子运动规律必须遵循新的量子力学的法则，同年1913年波尔发表了著名的“波尔原子三部曲”的论文，提出了玻尔模型动态原子模型，这个模型包括了两个重要的假设和一个导出的角动量量子化条件：（1）定态假设，原子核外电子处在一系列的

44、定态轨道上，在一些具有分立能量值的电子轨道是稳定的。（2）频率法则，电子从一个定态跃迁到另一个定态时，会吸收或者释放能量，能量差为：释放或吸收能量的频率满足：（为普朗克常量）（3）角动量量子化，根据以上2个假设波尔把离散能量和量子化轨道之间的关系联系起来，得出角动量量子化条件： （1,2,3，）波尔随后提出了电子轨道的“量子化条件”得出：为波尔半径，规定了电子运动的轨道半径。玻尔成功的用他的理论解释了氢原子的内部结构问题, 也说明了原子结构稳定性, 并解释了氢可见光的五条谱线产生的原因，他的学说很快得到各国科学家的认可。但波尔的理论也存在着瑕疵，在量子物理学的发展中只能说是唯象半量子论，具有很

45、大的局限性。比如，波尔理论对于原子光谱的精细结构不能完美的解释，对于多电子原子的结构不能合理的解释其规律，不能处理束缚态问题，他的理论并没有同经典力学划分界限，缺乏系统和一致的概念基础，波尔的理论或许是一个过渡理论，随着量子力学的建立和发展，在原子结构理论的探讨中也越来越完善，波尔的原子模型为我们提供了一个历史上最清晰的结构图，具有非常深远的意义。德国物理学家索末菲在玻尔的原子理论基础上提出了椭圆轨道理论，并引入了轨道的空间量子化概念，在1914年举办了关于波尔理论的讲座，在塞满效应和光谱线中探讨了波尔理论的推广，届时也在他的椭圆轨道理论中进行了相对论修正问题的讨论。，提出了Bohr-Somm

46、erfeld模型，亦即原子椭圆轨道模型，原子中的电子在一系列分离的空间取向量子化的定态椭圆轨道上饶核运动。索末菲将相对论用于电子环绕原子核的周期运动，证明电子在库仑力的作用下将作玫瑰花环形的运动，或者作近日点缓慢进动和以原子核为集点之一的椭圆运动。处于二维空间平面椭圆轨道具有两个自由度，所以需要两个量子化的条件，空间椭圆轨道则需要3个量子化条件 ，在讨论二维的椭圆运动中电子所处的具体位置，在平面极坐标和中对应着角动量和径向动量满足椭圆轨道的量子化条件为： 和 ，（为角量子数 =1.2.3.，为径量子数 =1.2.3.）索末菲的椭圆轨道模型成功地解释了氢原子光谱和重元素 X 射线谱的精细结构以及

47、正常塞曼效应，不过索末菲理论类似于波尔的理论属于前期唯象量子论，其中仍保留了对电子运动轨道的概念，存在着局限性。1896年荷兰物理学家塞曼在实验中发现，在用光栅观察磁场中的钠的光谱时，钠的D谱线明显的加宽了，出现了谱线分裂，在导师洛伦茨认为原子中运动的电子的旋转存在轨道磁矩，根据量子理论电子在空间的磁矩方向具有量子化，在磁场的作用下能级出现了分裂导致谱线的加宽。在索末菲的理论中还应该加入另一个量子数来描述电子的运动形式，称为磁量子数，用m来表示，反映了轨道平面与磁场方向间的角度。1921年奥地利物理学家泡利提出了著名的泡利不相容原理：原子中不能容纳运动状态完全相同的电子。后来根据塞曼效应认为，

48、描述电子运动的量子数应该有四个，所以一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数。在爱因斯坦的关于”光的波粒二相性”的基础上，1924年法国物理学家德布罗意（L.Debroglie）发表了关于波和量子的三篇论文，提出实物粒子也具有波粒二象性， 空间中一个能量为E，动量为P的自由粒子与频率和波长有德布罗意关系：德布罗意的物质波理论在当时引起了很大的反响，1927年，美国物理学家戴伟孙和革末在贝尔实验室通过电子在镍单晶上的衍射实验，证实了电子的波动性和德布罗意关系式，同年汤姆孙在实验中也得到了电子的同心圆环状的衍射图样。随着科学家的不断研究，在实验室中也证实了中子、质子、原子和分子也具