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原子模型

量子力学的伟大贡献之一是对当时科学已知的最小尺度上的现象的最佳解释,即原子。设法对原子进行定量解释的物理学家是丹麦人 Niels Bohr,但要了解他对原子结构的贡献,让我们回顾一下为他之前的原子所做的一些模型。

约翰道尔顿 (1766 - 1844):

约翰道尔顿说:

 

- 自然界的一切都是由原子组成的 

- 不能创建或销毁原子。这意味着任何化学元素的原子数自其起源以来在宇宙中都应保持不变。

- 相等的原子具有相同的性质,不同的原子具有不同的性质。给定元素的原子以其质量为特征。 (未来证明,原子的特征是原子序数而不是质量)。

- 原子可以相互结合和重组,形成更稳定的结构,称为分子,构成所有物质的基本结构。

JJ 汤普森 (1856-1940):

 汤普森能够确定阴极射线的荷质关系,通过实验证明“射线”是带电粒子。这被认为是电子的正式发现。电子这个名字来自希腊语elektron,意思是琥珀,是古人用动物皮摩擦的植物树脂,开始获得吸引轻物体的能力。汤普森的陈述是对物质电学性质的第一次实验观察。物质的另一部分由正质量组成,它中和了电子的电荷,使原子呈电中性。

  汤普森在 1898 年制定了他的原子模型,其中原子是一个正质量,其中嵌入了负电子。这个模型被洗礼为“葡萄干布丁”。

 

 

因此,汤普森的原子模型提出了与道尔顿原子有关的两项基本创新:  

- 原子具有电特性。

- 原子是可分解的,这与古希腊思想家和约翰道尔顿本人的想象相反。

卢瑟福 (1871-1937):

  卢瑟福与科学家盖革和马斯登一起利用钋原子的排放,进行了一项最重要的实验,试图发现原子的正确行为。

  该实验由 α 粒子 (α) 发射器组成,例如钋,这些粒子束发射到非常细的金片上。当这些粒子撞击刀片时,粒子会发生一种偏转,很少会偏转,但击中刀片的极少数会以相反的方向返回。如果“李子布丁”模型是正确的,卢瑟福和团队其他成员的预期是所有粒子 (α) 穿过金板,只有轻微的偏差,因为根据汤普森的理论,无论是负粒子还是正云都没有足够的质量密度或电荷来反射粒子 (α)。

   

 

有了这个卢瑟福想象原子的区域比原子本身的大小要小得多,几乎所有的质量都集中在它的中心。原子将是一个很大的空白空间,电子远离原子核,质量几乎可以忽略不计。卢瑟福的原子模型如下图所示。

现代原子:(XX - XXI):

  其他更现代的原子模型,包括波力学和量子力学,成功并解释了卢瑟福模型中的一些缺陷。尼尔斯·玻尔是为原子表现出稳定而优雅的形状的科学家之一。  

  卢瑟福的模型在解释电子运动方面存在一些严重的矛盾。根据经典力学,运动的电粒子应该不断地发射电磁波。这将导致电子在与原子核碰撞之前失去能量,也就是说,根据经典力学,卢瑟福原子将是不稳定的。

  尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)在 1903 年对解释受激原子发射光感兴趣,设法制定了一个新的原子模型。众所周知,可见光的来源基本上取决于电子的运动。原子中的电子可以通过各种方法(例如热或电流)从它们的最低能态提升到最高能态。当电子最终返回到它们的最低水平时,它们会发出可能在光谱的可见区域内的辐射。见下文玻尔提出的模型。

 

  玻尔得出结论,只要电子保持在同一轨道上,它就不会发射辐射,它只是在从较高能级移动到较低能级时才发射辐射。

  量子理论让他更精确地提出了一个概念:轨道不会位于离原子核任何距离的地方,相反,只有少数轨道是可能的,每个轨道对应于电子的特定能级。电子进入轨道必须通过跳跃进行,电子不会穿过这些层之间的空间,因为当吸收能量时,电子会跳到更外部的轨道(一个称为量子跳跃的概念)和,当发射时,它会移动到更内部的一个(称为光子的概念)。这些发射中的每一个都在光谱中显示为位置良好的发光线。

 

  有了上面提到的所有这些理论,如黑体辐射、光电效应和玻尔的新原子理论,量子力学在概念和理论方面都有很好的基础。在这些发现之后,科学走向了一个新的方向,科学家们意识到,在处理原子等最小尺度或比它更小的尺度时,支配这个微观宇宙的规律是量子力学的规律,当它出现时,它是完全不同的规律。到日常的宏观宇宙,我们将更详细地了解这个理论是如何延续的,以及它适用于哪些分支。

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