原子模型發(fā)展概述-在線瀏覽
2024-08-06 08:26本頁(yè)面
【正文】 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—莫雷（）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。然而，自1885年巴爾未提出氫原子光譜線系公式和1889年里德伯提出起原子光譜線系公式以來，許多科學(xué)家都不斷致力于原子光譜的研究。為了解釋氫原子光譜的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，1913年丹麥玻爾（）綜合普朗克和愛因斯坦的量子學(xué)說和盧瑟福的原子模型，提出了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（rn=n2,?=,n=…）或一定能量（En=）分立的圓形軌道繞轉(zhuǎn)（在一定軌道上繞轉(zhuǎn)的電子被稱為穩(wěn)定狀態(tài)，簡(jiǎn)稱定態(tài)，其中能量最低的態(tài)稱為基態(tài)，其余的稱為激發(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hν=EnEm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=n?,n稱為主量子數(shù),?=稱為狄拉克的普朗克常數(shù)。 原子的 BohrSommerfeld（橢圓軌道模型）在玻爾圓形軌道理論發(fā)表后的不久，索末菲（）便于1916年對(duì)玻爾理論作了兩項(xiàng)修正：其一是把玻爾的一維的圓形軌道推廣為二維的橢圓軌道；其二是引入為相對(duì)論修正。索末菲認(rèn)為電子繞原子核在某一平面上作橢圓軌道運(yùn)動(dòng)，這是一個(gè)二維運(yùn)動(dòng)，描述橢圓運(yùn)動(dòng)中電子的位置，可用平面極坐標(biāo)Φ和r，而與這兩個(gè)坐標(biāo)對(duì)應(yīng)的廣義動(dòng)量是角動(dòng)量L和徑向動(dòng)量P。根據(jù)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可得橢圓軌道的長(zhǎng)、短半軸a和b的關(guān)系為=，而a=n2，又得能量的表述式為En=,μ=為原子核與電子的折合質(zhì)量，按照相對(duì)論原理，索末菲考慮了橢圓軌道運(yùn)動(dòng)電子的相對(duì)論效應(yīng)，經(jīng)繁復(fù)的數(shù)學(xué)運(yùn)算，得到體系的能量表述式為E=m(ca)2，由此得光譜項(xiàng)的表述式為T(n,nф)=，兩式中的a=稱為精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)。巴爾末線系中的七條Ha譜線和鈉的黃色D雙線等著名實(shí)驗(yàn)表明：造成能級(jí)分裂的原因，除了電子與核子間具有靜電相互作用外，還必定存在磁相互作用。正如主量子數(shù)決定體系的能量、角量子數(shù)決定軌道的形狀那樣，它們的量子化條件具有∮Pidqi=ni?形式。如此，對(duì)于每一固定的l,m有2l+，而m稱為磁量子數(shù)。1921年，史特恩（）和蓋拉赫（）等進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：氫原子在磁場(chǎng)中只有兩個(gè)取向。然而史特恩蓋拉赫實(shí)驗(yàn)?zāi)艹霈F(xiàn)偶數(shù)分裂的事實(shí)啟示：要使2l+1為偶數(shù)，只有l(wèi)取半整數(shù)，而泡利（）仔細(xì)分析了原子光譜和強(qiáng)磁場(chǎng)中的塞曼效應(yīng)后曾建議：為了完整描述電子，除了已有的三個(gè)量子數(shù)外，還要有第四個(gè)量子數(shù)，而這個(gè)量子數(shù)應(yīng)該是雙值的，在經(jīng)典上不可描述的。然而，此時(shí)還不到25歲的兩位荷蘭學(xué)生烏龍貝克（）和古茲米特（）則根據(jù)一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)，大膽提出了電子自旋假設(shè)：①電子不是點(diǎn)電荷，它除了軌道角動(dòng)量外，還有固有的自旋角動(dòng)量S=而自旋角動(dòng)量在z方向的分量只有兩個(gè)Ls,z=ms?,ms=稱為自旋角量子數(shù)。為了更準(zhǔn)確地反映原子中電子的軌道角動(dòng)量和自旋角動(dòng)量，朗德（）引入g因子，使得磁矩μj=分量μi,x=mjgjμB，當(dāng)j=l時(shí)，gl=gi=l,mi=ml。[9]至此，描述原子中電子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的量子數(shù)就增加到四個(gè)（n,l,ml,ms）或（n,l,j,m），而泡利不相容原理用四個(gè)量子數(shù)描述則可敘述為：在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或者兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)（n,l,ml,ms）。為建立一套嚴(yán)密的理論體系，必須有新的思想和新的舉措，這就是圍繞“物質(zhì)粒子的波粒二象性”所產(chǎn)生的量子力學(xué)及至更高級(jí)的理論。但1923年康普頓散射實(shí)驗(yàn)有力證明了1917年愛因斯坦所提出“光的波粒二象性”的正確性后，1924年法國(guó)人德布羅意（）把“光的波粒二象性”推廣到“所有的物質(zhì)粒子都具有波粒二象性”，這一創(chuàng)造性、革命性的思想和理論立刻被得以應(yīng)用。矩陣力學(xué)、波動(dòng)力學(xué)和德國(guó)人玻恩（）對(duì)德布羅意波函數(shù)的幾率解釋及海森堡的不確定關(guān)系，一起構(gòu)成了非相對(duì)論量子力學(xué)。在量子力學(xué)的兩種等價(jià)但不同的表述中，薛定諤波動(dòng)力學(xué)通俗易懂更為人們普遍接受。電子出現(xiàn)幾率大的地方，“云”濃密一些；幾率密度小的地方，“云”稀疏一些。SchrodingerBorn模型的提出，不僅在圖像上用新量子語(yǔ)言形象地描述了不同原子中電子的運(yùn)動(dòng)情況，而且更
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