以发展为主线讲述原子结构理论

舒玉波

(西南医科大学 基础医学院，四川 泸州 646000)

作为大学化学课程开篇章的原子结构理论，无论是从“教”还是从“学”的角度，都应成为被细细品读的一章。学建筑的学生头脑里会有建筑结构模型，学医的学生头脑里会有器官结构模型，这些结构模型都是能看得到摸得着的宏观物体，而在微观世界，某一个原子的结构是人类使用任何技术都无法看到的，原子结构模型也许永远会是一个想象中的画面。因此，原子结构理论的发展肯定会经历从模型建立到被推翻再到重建的一波波永无止境的浪潮。

1 原子概念的由来

原子这个概念最早是由古希腊哲学家在关于世界本源的探讨中创造，原子(atom)这个词来自希腊的“atomos”，意思是不可分割的。关于世界本源的古代学说主要有原子学说和元素学说。原子学说认为世界万物由原子构成，原子是不可再分的物质微粒。元素学说认为世界万物是由少数几种基本物质(即元素)构成，古代中国哲学家认为万物统一于“五行”(金、木、水、火、土)，古希腊哲学家认为万物统一于“四元素”(水、气、火、土)。1789年，法国化学家拉瓦锡建立了近代科学元素学说，确定了Au、Ag、Cu、Fe、Sn、O、H、S、P、C等33种化学元素。1803年，英国化学家道尔顿在拉瓦锡科学元素学说基础上建立了近代科学原子学说，提出某一种元素是由某一类不可再分的实心球式的原子组成，并认为同一种元素原子的质量和性质都相同，不同元素原子的质量和性质则各不相同[1]。道尔顿原子学说之所以是科学学说在于道尔顿通过化学实验求算出了原子的相对质量，如可以通过测定镁与硫酸反应置换出的氢气的体积来计算出镁的相对原子质量。因此，道尔顿是原子这个科学概念的最终确立者。

2 电子的发现和汤姆逊原子模型

1858年，德国物理学家普吕克尔在利用低压气体放电管研究气体放电时发现阴极射线。1897年，英国物理学家汤姆逊确定阴极射线是一种电荷量与氢离子相同而荷质比约为氢离子1/1800的负电粒子，称为电子，推翻了原子不能再分割的思想，拉开了对原子结构探索的历史大幕[2]。1904年，汤姆逊提出了葡萄干面包原子模型，认为原子的正电部分就像面包，带负电的电子如葡萄干那样镶嵌其中。

3 卢瑟福有核原子模型

1898年，英国物理学家卢瑟福在做放射性吸收实验时发现了带正电的α射线。1906年，卢瑟福用一束平行的α粒子穿过极薄的金箔时，发现有一部分α粒子改变了原来的直线射程而发生不同程度的偏转(说明受到斥力)，还有极少部分α粒子好像遇到某种坚实的不能穿透的东西而被折回。在做了大量实验和理论计算后，1911年，卢瑟福决定推翻他老师汤姆逊的葡萄干面包原子模型，提出了有核原子模型(或称行星模型)，认为原子内部存在着一个小而重、带正电荷的原子核，带负电的电子(如行星)绕核(如太阳)旋转[3]。原子核的确认将人类对原子结构的研究引向了正确的道路上，然而卢瑟福对电子运动状态的预言却与经典电磁理论相矛盾，也与氢原子线状光谱实验现象不符。根据经典电磁理论，当带电粒子做周期性运动时，它的电磁场就周期性变化，而周期性变化的电磁场会向外发射电磁波，电子的能量就要逐渐减少，在发出一系列连续变化的电磁波以后，电子最终会落到原子核上。

4 玻尔氢原子模型

1900年，德国物理学家普朗克提出量子概念，认为黑体辐射中的辐射能量是不连续的，只能取能量基本单位的整数倍，即E=nhv。丹麦物理学家玻尔引入了普朗克的量子概念，改进了他老师卢瑟福的行星模型，于1913年提出了波尔氢原子模型，认为原子中的电子处在一系列分立的定态上，原子由某一定态跃迁到另一定态时，吸收或者放出一定频率的光[4]。波尔氢原子理论由库仑定律计算出了氢原子轨道半径和定态能量，成功解释了氢原子光谱现象，使原子学说从定性跨越到定量，然而仍然没有摆脱大宇宙与小宇宙相似这个时代局限的天才观念。

5 微观粒子的波粒二象性

早在1655年，意大利数学教授格里马第就第一次提出了“光的衍射”这一概念，最早揭示了光的波动性。1887年，德国物理学家赫兹发现了光电效应，即光照激发出电子产生电流现象。爱因斯坦认为光子应该跟电子一样具有粒子性，于1905年提出了光量子理论，将普朗克的E=hv与自己的质能方程E=mc2联系在一起，求得光子的质量为m=hv/c2，确立了光的粒子性。受爱因斯坦类比研究法的启发，1923年，法国物理学家德布罗意提出了德布罗意物质波理论，认为二象性并非光所独有，一切运动着的实物粒子也应具有波粒二象性[5]。1927年，美国物理学家戴维森的电子衍射实验证实了电子这一特性——波粒二象性。同在1927年，德国物理学家海森堡提出测不准原理，指出不可能同时准确地测定微观粒子的坐标和相应的动量分量，说明具有波动性的粒子没有确定的轨道[6]。电子具有波动性这一事实让人类跳出了大宇宙与小宇宙相似这一思维禁锢，原子学说的发展由近代进入现代。

6 波函数与现代原子轨道

德布罗意提出物质波理论后，1926年，奥地利理论物理学家薛定谔提出了一个描述三维势场中物质波连续时空演化的二阶偏微分方程，即薛定谔方程，建立了原子结构的波动力学模型[7]。在薛定谔方程中，体系的状态不能用力学量(如x)的值来确定，而是要用力学量的函数ψ(x)，即波函数来确定。通过求解简单系统(如氢原子)的薛定谔方程，可以得到三点结论：(1) 波函数是三维坐标的函数ψ(x,y,z)，也可以变换为球坐标的函数ψ(r,θ,φ)；(2) 薛定谔方程的解为系列解，且每个解ψ(r,θ,φ)都受到三个常数n、l、m(称为量子数)的规定；(3) 每个解ψ(r,θ,φ)可表示成两部分函数的乘积，即ψ(r,θ,φ)=Rn, l(r)·Yl, m(θ,φ)，Rn, l(r)仅与r有关，由n、l规定，称为径向分布函数，Yl, m(θ,φ)仅与θ、φ有关，由l、m规定，称为角度分布函数。于是，波函数的空间图形就能反映出核外空间电子的分布，仍然沿用“轨道”这个词，波函数就是原子轨道。根据电子的衍射现象，亮条纹表明电子出现的概率大，暗条纹表明电子出现的概率小。因此，所谓现代原子轨道，即是在波函数界定下电子在原子核势场中有较大概率出现的区域。联想到地球表面大气层中的气体分子，只要给它们足够长的时间，它们可以出现在地球表面的任何一个位置，但逃脱不出地球引力这个势场，大宇宙与小宇宙相似这个观念又何曾错误呢？

7 总结

对客观世界的认识层次决定一个人的思想层次。由古至今，从望天猜想到埋头实验，人类对原子结构的认识层次不断深入。对每一个人来讲，随着认知的不断增多，思维能力的不断提高，对世界的认识层次也是逐渐深入的。以发展为主线讲述原子结构理论这一章在使学生掌握现代原子结构学说的同时更有助于启迪学生心智成长。