|
|
- 中文名
- 原子理论
- 外文名
- Atomic theory
简介
原子起初是
自然哲学
中的概念。西方对于原子的称呼来自于
古希腊语
的
ατομος
（意为“不可分割的”）。而中文中，原子早前的译名“莫破”也来源于此 。原子这一概念由于与基督教教义抵触一度被弃置，直到近代才被重拾。
18世纪末，在化学领域里，人们发现物质在化学变化过程中一系列可确切描述的规律。这为原子理论成为一个科学理论提供了实验依据。19世纪初，
道尔顿
提出了他的原子理论来解释化学中的现象。而有关原子是否真实存在的争论，直到20世纪初
爱因斯坦
从
分子运动论
角度解释
布朗运动
，并得到实验验证后，才真正得到肯定答案。
19世纪末至20世纪初，物理学家通过一系列与
电磁学
和
放射性
有关的实验发现，原本认为“不可分割”的原子实际上是由一系列的
亚原子粒子
（主要有
电子
、
质子
和
中子
）构成的，而这些粒子可以各自独立存在。由于原子被发现是可分的，物理学家随即引入了一个新术语“
基本粒子
”以描述原子各个组分。20世纪上半叶，伴随着对于原子结构认识的深入以及物理学界的量子革命，现代原子理论模型被逐步建立起来。
[1]
哲学中的原子论
自然哲学
中的原子论在许多文化中都有记述。中国的
墨子
曾提出物质分割到一定程度就不能再分割下去了。而在西方，关于原子的哲学概念可以追溯至古希腊的哲学家，如
德谟克利特
、
留基伯
、
伊壁鸠鲁
。古印度也存在原子论者，如
耆那教
开创者大雄。而古希腊的和古印度的原子论之间的关系，是各自独立出现还是彼此间有影响，仍存在争议。
原子论者认为世界是由两个基本部分，原子和虚空，组成。原子是不可破坏并且不会变化的，并且存在有无数种具有不同形状和大小的原子。它们在虚空中运动，互相碰撞。有时多个原子可能会形成一个集群，而宏观世界物质的多样性来源于集群内部原子的种类及排列方式不同。
古希腊哲学中的原子概念由于其与基督教中认为上帝是肉体和灵魂的创造者的理念相抵而被弃置数个世纪。期间偶有恢复原子论的尝试，但都在教会的高压下失败。15世纪初，古希腊原子论著作残片被发现，被意大利学者带回意大利传抄，于15世纪下半叶出版，并于17世纪被译成法语、英语广为流传。“原子”作为一个自然哲学概念，在
皮埃尔·伽桑狄
、弗朗西斯·培根、
罗伯特·波义耳
、
伽利略·伽利莱
等人的努力下得以重拾。
艾萨克·牛顿
是一个原子论者，并将原子这一概念引入他的科学研究。他对于质量给出定义，提出了物质组成粒子说、光的微粒说以及质点和质点系等理论模型，这都与他对于原子论的信仰有关。牛顿将原子论运用于科学研究，这也是后世科学研究中对于原子论利用的发端。
18世纪，
罗杰·博什科维奇
基于牛顿的粒子说和力的概念以及
莱布尼茨
的
单子论
提出了他的原子论。他提出了原子间的相互作用力与它们间距离的波动关系，并提出了相互作用力的数学模型。博斯科维克的原子论被后世广泛运用，例如对于构成化合物的粒子为何能被分开的解释。
[1]
近代原子理论
- 1.
- 2.
这两条规律为原子理论成为一个科学理论提供了实验依据。
约翰·道尔顿
基于牛顿的原子论在他1808年发表的《化学哲学的新体系》中提出了他的原子理论：
-
1.
所有的化学元素都是由一种非常小的粒子组成，即原子，这些粒子无法借由化学方法进一步的分割。
-
2.
同种元素的原子具有相同的大小，质量和性质。不同元素的原子是不同的，即元素性质由组成它们的原子决定。
- 3.
道尔顿根据他的原子理论，依据元素在化合物中质量比，以氢元素的质量为基准，来估计它们的
原子量
。但他存在一些与现今公认事实不相符的概念：1.将元素的单质视为由元素的原子构成。2.两种元素间形成的最简单的化合物分子是由每种元素的一个原子构成（所以他认为水的分子式是HO，而非H
2
O）。另外，他进行实验所使用的仪器很粗陋。这些因素造成他所得到的测量结果与现在的公认值有一定的偏差。例如，1803年，他认为氧原子的质量是氢原子的5.5倍，因为他对于水做测量发现每得到1g的氢会得到5.5g的氧，并坚信水的分子式是HO。1806年，他又将氧的原子量修正为7。而如果依据水现在公认的分子式，氧原子和氢原子的质量比则为16:1。
1811年，
阿莫迪欧·阿伏伽德罗
从原理上对于道尔顿的理论进行了修正。阿伏伽德罗提出分子是决定物质性质的最小微元，分子是由原子构成的。阿伏伽德罗所做出的修正划清了分子和原子概念间的区别，并与道尔顿的原子理论形成了解释物质微观构成的原子—分子学说。
1821年，
约翰·赫帕斯
提出了气体的
内能
与气体分子的动能有关系。随后，
奥古斯特·卡尔·克罗尼格
、
鲁道夫·克劳修斯
、
詹姆斯·克拉克·麦克斯韦
、
路德维希·玻尔兹曼
等人发展了
分子运动论
。这一理论从假设气体是由不断碰撞彼此或器壁的原子构成的出发，解释了气体的宏观性质，如
压强
、
比热
、
粘性
。而分子运动论为支持
原子
真实存在提供了理论支持。
1827年，英国植物学家
罗伯特·布朗
观察到飘浮在水中花粉迸出之微粒(并非花粉本身)会不停地做表面上无规则的运动，即
布朗运动
。1905年5月，
阿尔伯特·爱因斯坦
发表了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》，从分子运动论的角度，将布朗运动归因于水分子对于花粉迸出之微粒不停的撞击，并构造了一个数学假想模型去描述它。这个数学模型于1908年得到了法国物理学家
让·佩兰
的实验验证，使有关原子是否真正存在的争论结束。而对于原子理论的实验验证也是让·佩兰1926年获得
诺贝尔物理学奖
原因之一。
[1]
现代原子理论模型
克鲁克斯管
是内部装有两个由真空隔开的电极的密封
玻璃容器
，当在电极间加上
电压
时，会产生阴极射线。这种射线会在打在玻璃管另一端时形成一个光点。汤姆孙通过实验发现这种射线除了在
磁场
中会发生偏折（这一点当时已知），在
电场
中同样会发生偏折。通过这一点，他得出这种射线不是一种光，而是一种带有负电的、非常轻的的粒子构成的粒子流。他将这种粒子称为“微粒”（"corpuscles"）。这种粒子后来被科学家通常称为“
电子
”。
汤姆森提出原子是可分的，而微粒是其组分。为了解释原子整体的电中性，他提出了
葡萄干布丁模型
，即“微粒”像布丁中的葡萄干一样嵌在原子中（尽管在汤姆孙的模型中它们并非静止的），而正电荷在原子中均匀分布。
1909年，
约瑟夫·汤姆孙
的学生，
欧内斯特·卢瑟福
对于葡萄干布丁模型提出了反对意见。他发现一个原子的正电荷和绝大部分的质量都集中于其整体体积中一个极小的部分，而他猜想，集中的位置是原子的正中心。
在
金箔实验
中，
汉斯·盖革
和
欧内斯特·马斯登
在卢瑟福指导下利用
α粒子
轰击一片
金箔
，并用
荧光
屏观测它们运动轨迹的偏折情况。如果电子质量非常小，α粒子
动量
非常大，而正电荷在原子中像葡萄干布丁模型中假定的那样均匀分布，那么在实验中，所有的α粒子在通过金箔时运动轨迹都不会产生明显的偏折。而令他们惊讶的是，少数α粒子的运动轨迹发生了大角度偏折。因而，可以证实原子的绝大部分质量都集中在其中一个微元中（即“原子核”）。但还不能对这一个微元的电性做出定论，其可以是电中性的，也可以不是。通过库仑定律可以得到，当α粒子经过电中性的质点附近时，运动轨迹并不会发生偏折；但如果这个质点带正电的话，就会发生偏折。而卢瑟福分析，实验的结果证明后者是正确的。
卢瑟福基于试验的结果提出了原子的
行星模型
。在这一模型中，电子像“行星”那样环绕在一个体积极小的、集中原子所有正电的原子核周围，因为只有正电荷集中分布才足以产生导致α粒子运动轨迹发生大角度偏折的电场。
1913年，
放射化学
家
弗雷德里克·索迪
在对
放射性衰变
产物进行实验研究时，发现在
元素周期表
的同一个格内可能包含有不止一个元素。随后
玛格丽特·托德
创造了“同位素”这一术语来称呼具有这样关系的元素。
同年，
约瑟夫·汤姆孙
进行了一个实验。实验中他令氖
离子
流传过电磁场，最终打在一个感光板上。在感光版上有两个光斑，而这意味着存在两种不同的偏转轨迹。汤姆孙将其归结为氖离子流中包含有不同质量的氖离子。而不同氖离子间会存在质量差异这一现象在1932年
中子
被发现后得到了解释。
[1]
1917年，
卢瑟福
用
α粒子
轰击
氮
气，并观察到气体中放射出
氢
核（卢瑟福会注意到这一点，是因为此前他在用α粒子轰击氢气时在产物中也发现了氢核）。卢瑟福提出放出的氢核来自于氮核（实际上，他分裂了氮核）。
而从他自己及他的学生玻尔和
亨利·莫塞莱
的研究工作中，他得知任何一种原子内部的总正电荷总是氢核所带电荷的整数倍。同时，当时测定的许多元素的
原子量
依据
普劳特假定
都近似等于氢的原子量整数倍。由此可以看出氢原子是最轻的原子。由此，他总结道，氢核是一种单一粒子并且是所有原子核的一种基本组分。他将这种粒子命名为
质子
。而通过进一步的实验，卢瑟福发现绝大多数的原子的质量要比其中包含的质子的总质量大得多，他推测多出的质量来源于当时尚未发现的一种电中性的粒子，并将其暂称为“
中子
”。
1928年，
瓦尔特·博特
在用α粒子轰击
铍
时，发现产生了一种具有高穿透性，且电中性的射线。随后发现这种射线照射
石蜡
时，可以放射出质子。起初，它被认为是高能
γ射线
，因为γ射线可以类似地将金属中电子轰出。但
詹姆斯·查德威克
发现，如果它是一种电磁辐射，那么在至少满足能量和动量守恒条件下，它的
电离
作用过于强劲。1932年，
查德威克
用这种射线照射几种元素的单质，如氢气、氮气，通过测量反冲的带电粒子所带能量，他推断这种射线实际上是由一种电中性的粒子构成；这种粒子并不像γ射线那样
静质量
为零，而是具有与质子相似的质量。由此，他提出这种粒子就是卢瑟福所预测存在的“中子”。而由于发现了中子，1935年，他获得了
诺贝尔物理学奖
。
原子的行星模型有两个明显缺陷：
- 1.
- 2.
20世纪初，
量子论
引起物理学的一场革命。“
量子
”这一概念最早由
马克斯·普朗克
引入，用以解释
黑体辐射
；他提出，能量并非像经典力学中那样连续变化，而是以一个个各自离散的单元，即能量的量子形式发射或吸收。1905年，
阿尔伯特·爱因斯坦
将这一概念引入到光学，成功解释了
光电效应
。1913年，
尼尔斯·玻尔
引用这一概念建立了原子的
玻尔模型
。在玻尔模型中，电子只能在一系列特定的的轨道上运动，其
能量
以及
角动量
也具有一系列特定的、离散的数值，而其轨道半径与它具有的能量成比例。这模型禁止电子发生螺旋式靠近原子核的情形，因为它不能连续性地失去或获得能量，只能在不同
能级
间做瞬时
跃迁
。在发生跃迁时，会发射或吸收具有对应能量的
光子
。同时，这个模型也为
氢原子光谱
提供了理论解释。
玻尔模型存在一定的理论缺陷：它只能解释氢原子的
光谱
，对于多电子原子的光谱的解释并不成功。随着
分光成象技术
进一步完善，氢光谱亦出现了玻尔模型所不能解释的谱线。1916年，
阿诺·索末菲
将玻尔模型中电子的圆轨道推广为椭圆轨道来解释氢光谱新出现的谱线，但这令模型变得复杂、难以应用，并且仍不能用在多电子原子的情形中。
1924年，
路易·德布罗意
提出所有运动的粒子（特别是像电子这样的亚原子粒子）在一定程度上具有
波
的特征。受到这一想法的启发，
埃尔温·薛定谔
开始探究电子的运动行为：以波的形式去表述，是否会比以粒子的形式表述更为贴切。而在1926年所发表的
薛定谔方程
里，他将电子以
波函数
的方式去描述，而不再将其表述为点粒子。这种表述方法解释了许多玻尔模型所不能解释的现象。尽管波函数的概念在数学上非常简洁，但是它的物理图像是难以想象的，因而在当时遭遇到一些反对意见。
马克斯·玻恩
提出波函数描述的不是电子自身的状态，而是它所有可能的状态，因而可用于计算电子在核周围某一位置出现的概率。这调和了两种对立的描述电子方式，将它描述为波还是将它描述为粒子，并由此引入了
波粒二象性
理论。这一理论提出电子既具有波的属性，比如它可以发生
衍射
；又具有粒子的属性，比如它有质量。
