以發(fā)展為主線講述原子結(jié)構(gòu)理論

舒玉波

(西南醫(yī)科大學(xué) 基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院，四川 瀘州 646000)

作為大學(xué)化學(xué)課程開篇章的原子結(jié)構(gòu)理論，無論是從“教”還是從“學(xué)”的角度，都應(yīng)成為被細(xì)細(xì)品讀的一章。學(xué)建筑的學(xué)生頭腦里會有建筑結(jié)構(gòu)模型，學(xué)醫(yī)的學(xué)生頭腦里會有器官結(jié)構(gòu)模型，這些結(jié)構(gòu)模型都是能看得到摸得著的宏觀物體，而在微觀世界，某一個原子的結(jié)構(gòu)是人類使用任何技術(shù)都無法看到的，原子結(jié)構(gòu)模型也許永遠(yuǎn)會是一個想象中的畫面。因此，原子結(jié)構(gòu)理論的發(fā)展肯定會經(jīng)歷從模型建立到被推翻再到重建的一波波永無止境的浪潮。

1 原子概念的由來

原子這個概念最早是由古希臘哲學(xué)家在關(guān)于世界本源的探討中創(chuàng)造，原子(atom)這個詞來自希臘的“atomos”，意思是不可分割的。關(guān)于世界本源的古代學(xué)說主要有原子學(xué)說和元素學(xué)說。原子學(xué)說認(rèn)為世界萬物由原子構(gòu)成，原子是不可再分的物質(zhì)微粒。元素學(xué)說認(rèn)為世界萬物是由少數(shù)幾種基本物質(zhì)(即元素)構(gòu)成，古代中國哲學(xué)家認(rèn)為萬物統(tǒng)一于“五行”(金、木、水、火、土)，古希臘哲學(xué)家認(rèn)為萬物統(tǒng)一于“四元素”(水、氣、火、土)。1789年，法國化學(xué)家拉瓦錫建立了近代科學(xué)元素學(xué)說，確定了Au、Ag、Cu、Fe、Sn、O、H、S、P、C等33種化學(xué)元素。1803年，英國化學(xué)家道爾頓在拉瓦錫科學(xué)元素學(xué)說基礎(chǔ)上建立了近代科學(xué)原子學(xué)說，提出某一種元素是由某一類不可再分的實心球式的原子組成，并認(rèn)為同一種元素原子的質(zhì)量和性質(zhì)都相同，不同元素原子的質(zhì)量和性質(zhì)則各不相同[1]。道爾頓原子學(xué)說之所以是科學(xué)學(xué)說在于道爾頓通過化學(xué)實驗求算出了原子的相對質(zhì)量，如可以通過測定鎂與硫酸反應(yīng)置換出的氫氣的體積來計算出鎂的相對原子質(zhì)量。因此，道爾頓是原子這個科學(xué)概念的最終確立者。

2 電子的發(fā)現(xiàn)和湯姆遜原子模型

1858年，德國物理學(xué)家普呂克爾在利用低壓氣體放電管研究氣體放電時發(fā)現(xiàn)陰極射線。1897年，英國物理學(xué)家湯姆遜確定陰極射線是一種電荷量與氫離子相同而荷質(zhì)比約為氫離子1/1800的負(fù)電粒子，稱為電子，推翻了原子不能再分割的思想，拉開了對原子結(jié)構(gòu)探索的歷史大幕[2]。1904年，湯姆遜提出了葡萄干面包原子模型，認(rèn)為原子的正電部分就像面包，帶負(fù)電的電子如葡萄干那樣鑲嵌其中。

3 盧瑟福有核原子模型

1898年，英國物理學(xué)家盧瑟福在做放射性吸收實驗時發(fā)現(xiàn)了帶正電的α射線。1906年，盧瑟福用一束平行的α粒子穿過極薄的金箔時，發(fā)現(xiàn)有一部分α粒子改變了原來的直線射程而發(fā)生不同程度的偏轉(zhuǎn)(說明受到斥力)，還有極少部分α粒子好像遇到某種堅實的不能穿透的東西而被折回。在做了大量實驗和理論計算后，1911年，盧瑟福決定推翻他老師湯姆遜的葡萄干面包原子模型，提出了有核原子模型(或稱行星模型)，認(rèn)為原子內(nèi)部存在著一個小而重、帶正電荷的原子核，帶負(fù)電的電子(如行星)繞核(如太陽)旋轉(zhuǎn)[3]。原子核的確認(rèn)將人類對原子結(jié)構(gòu)的研究引向了正確的道路上，然而盧瑟福對電子運動狀態(tài)的預(yù)言卻與經(jīng)典電磁理論相矛盾，也與氫原子線狀光譜實驗現(xiàn)象不符。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，當(dāng)帶電粒子做周期性運動時，它的電磁場就周期性變化，而周期性變化的電磁場會向外發(fā)射電磁波，電子的能量就要逐漸減少，在發(fā)出一系列連續(xù)變化的電磁波以后，電子最終會落到原子核上。

4 玻爾氫原子模型

1900年，德國物理學(xué)家普朗克提出量子概念，認(rèn)為黑體輻射中的輻射能量是不連續(xù)的，只能取能量基本單位的整數(shù)倍，即E=nhv。丹麥物理學(xué)家玻爾引入了普朗克的量子概念，改進(jìn)了他老師盧瑟福的行星模型，于1913年提出了波爾氫原子模型，認(rèn)為原子中的電子處在一系列分立的定態(tài)上，原子由某一定態(tài)躍遷到另一定態(tài)時，吸收或者放出一定頻率的光[4]。波爾氫原子理論由庫侖定律計算出了氫原子軌道半徑和定態(tài)能量，成功解釋了氫原子光譜現(xiàn)象，使原子學(xué)說從定性跨越到定量，然而仍然沒有擺脫大宇宙與小宇宙相似這個時代局限的天才觀念。

5 微觀粒子的波粒二象性

早在1655年，意大利數(shù)學(xué)教授格里馬第就第一次提出了“光的衍射”這一概念，最早揭示了光的波動性。1887年，德國物理學(xué)家赫茲發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)，即光照激發(fā)出電子產(chǎn)生電流現(xiàn)象。愛因斯坦認(rèn)為光子應(yīng)該跟電子一樣具有粒子性，于1905年提出了光量子理論，將普朗克的E=hv與自己的質(zhì)能方程E=mc2聯(lián)系在一起，求得光子的質(zhì)量為m=hv/c2，確立了光的粒子性。受愛因斯坦類比研究法的啟發(fā)，1923年，法國物理學(xué)家德布羅意提出了德布羅意物質(zhì)波理論，認(rèn)為二象性并非光所獨有，一切運動著的實物粒子也應(yīng)具有波粒二象性[5]。1927年，美國物理學(xué)家戴維森的電子衍射實驗證實了電子這一特性——波粒二象性。同在1927年，德國物理學(xué)家海森堡提出測不準(zhǔn)原理，指出不可能同時準(zhǔn)確地測定微觀粒子的坐標(biāo)和相應(yīng)的動量分量，說明具有波動性的粒子沒有確定的軌道[6]。電子具有波動性這一事實讓人類跳出了大宇宙與小宇宙相似這一思維禁錮，原子學(xué)說的發(fā)展由近代進(jìn)入現(xiàn)代。

6 波函數(shù)與現(xiàn)代原子軌道

德布羅意提出物質(zhì)波理論后，1926年，奧地利理論物理學(xué)家薛定諤提出了一個描述三維勢場中物質(zhì)波連續(xù)時空演化的二階偏微分方程，即薛定諤方程，建立了原子結(jié)構(gòu)的波動力學(xué)模型[7]。在薛定諤方程中，體系的狀態(tài)不能用力學(xué)量(如x)的值來確定，而是要用力學(xué)量的函數(shù)ψ(x)，即波函數(shù)來確定。通過求解簡單系統(tǒng)(如氫原子)的薛定諤方程，可以得到三點結(jié)論：(1) 波函數(shù)是三維坐標(biāo)的函數(shù)ψ(x,y,z)，也可以變換為球坐標(biāo)的函數(shù)ψ(r,θ,φ)；(2) 薛定諤方程的解為系列解，且每個解ψ(r,θ,φ)都受到三個常數(shù)n、l、m(稱為量子數(shù))的規(guī)定；(3) 每個解ψ(r,θ,φ)可表示成兩部分函數(shù)的乘積，即ψ(r,θ,φ)=Rn, l(r)·Yl, m(θ,φ)，Rn, l(r)僅與r有關(guān)，由n、l規(guī)定，稱為徑向分布函數(shù)，Yl, m(θ,φ)僅與θ、φ有關(guān)，由l、m規(guī)定，稱為角度分布函數(shù)。于是，波函數(shù)的空間圖形就能反映出核外空間電子的分布，仍然沿用“軌道”這個詞，波函數(shù)就是原子軌道。根據(jù)電子的衍射現(xiàn)象，亮條紋表明電子出現(xiàn)的概率大，暗條紋表明電子出現(xiàn)的概率小。因此，所謂現(xiàn)代原子軌道，即是在波函數(shù)界定下電子在原子核勢場中有較大概率出現(xiàn)的區(qū)域。聯(lián)想到地球表面大氣層中的氣體分子，只要給它們足夠長的時間，它們可以出現(xiàn)在地球表面的任何一個位置，但逃脫不出地球引力這個勢場，大宇宙與小宇宙相似這個觀念又何曾錯誤呢？

7 總結(jié)

對客觀世界的認(rèn)識層次決定一個人的思想層次。由古至今，從望天猜想到埋頭實驗，人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識層次不斷深入。對每一個人來講，隨著認(rèn)知的不斷增多，思維能力的不斷提高，對世界的認(rèn)識層次也是逐漸深入的。以發(fā)展為主線講述原子結(jié)構(gòu)理論這一章在使學(xué)生掌握現(xiàn)代原子結(jié)構(gòu)學(xué)說的同時更有助于啟迪學(xué)生心智成長。