—— 原子世界与纳米技术 · II

1. 原子世界探秘 ——原子世界与纳米技术·II

2. 目录 • 一、原子世界探秘 • 1. 古代原子论（留基伯与德谟克里特） • 2. 近代原子论（道耳顿） • 3. 现代原子论 • 4. 打开原子世界大门 • 4.1 电子的发现 • 4.2 原子结构模型探索 • 4.2.1 葡萄干蛋糕模型 • 4.2.2 原子有核模型 • 4.2.3 玻尔模型 • 4.2.4 原子结构模型探索的再深入（电子云）

3. “原子”一词，来自希腊语，它的原义是“不可分割的东西”，即是指构成世界万物的最终单元。“原子”一词，来自希腊语，它的原义是“不可分割的东西”，即是指构成世界万物的最终单元。 • 但是，时至今日，已没有人再认为原子不能再分割了。科学的进展使人们不得不背离它的原义把它看作是可分的东西了。

4. 一、原子世界探秘

5. 人们探索微观世界的途径： • 描述简单现象，理解现象的内在规律； • 在总结个别方面特征的基础上，形成初步的定量规律，并上升为初步的统一理论； • 重复发现新现象、搜集基本材料，为揭示更深刻的原理奠定基础。

6. 原子论的发展历史 • 从古希腊原子概念的提出，到今天形成科学的原子分子理论，原子分子科学构成了整个自然科学的基础，其科学概念已经深入到日常生活的各个方面，并发挥着举足轻重的作用。 • 广义地说，原子论是用固定不变的粒子或单元组成的集合体来解释各种复杂现象，其在自然科学中的应用大获成功。 • 原子论的发展历史大致为： • 哲学时期 • 科学时期 • 十七到十九世纪是上述两个时期的过渡时期。

7. 古希腊的德谟克里特和中国春秋时代的墨子等人，先后提出了朴素的原子论。但影响最深远地是留基伯和德谟克里特的原子论。古希腊的德谟克里特和中国春秋时代的墨子等人，先后提出了朴素的原子论。但影响最深远地是留基伯和德谟克里特的原子论。 德谟克里特认为存在着无限多个不可见的原子，原子不可分割，原子之间仅在大小、形状和运动方面有着量的不同。物质性质的变化只是由于原子组合的改变造成的。原子本身的性质则永不变化。 此观点通过罗马诗人卢克莱修的长诗《物性论》传播到拉丁语国家，并流传于世。 1. 古代原子论

8. 留基伯与德谟克里特 留基伯 德谟克里特

9. 科学原子论的诞生道耳顿——“科学原子论之父”道耳顿将拉瓦锡、玻意耳的研究成果同原子论的观点结合起来，形成科学理论。科学原子论的诞生道耳顿——“科学原子论之父”道耳顿将拉瓦锡、玻意耳的研究成果同原子论的观点结合起来，形成科学理论。 道尔顿认为： 有多少种不同的化学元素就有多少种不同的原子； 同一种元素的原子在质量、形态等方面完全相同； 查清原子的相对重量以及组成一个化合物“原子”的基本原子的数目极为重要。 道尔顿在1803年10月下旬发表了他的第一张包括十四种元素在内的原子相对质量表。 2. 近代原子论

10. 道耳顿(John Dalton) • 道耳顿（John Dalton，1766～1844）英国化学家和物理学家。1793～1799年在曼彻斯特新学院任数学和自然哲学教授。1794年任曼彻斯特文学和哲学学会会员，1800年任学会秘书，1817～1818年任会长。1835～1836年任英国学术协会化学分会副会长。1816年当选为法国科学院通讯院士。1822年当选为英国皇家学会会员。

11. 科学原子论确立后，定量化学的发展导致了一系列元素的发现。科学原子论确立后，定量化学的发展导致了一系列元素的发现。 1869年，门捷列夫在研究元素特性的规律中发现了元素周期表。根据周期性，可以对元素的特性进行判断、预测新元素的存在等等。此后对微观世界中原子的研究进入了科学的轨道。 3. 现代原子论

12. 重要的发现 • 天然放射性的发现（ 1896年贝克勒尔）——暗示出原子也存在内部结构 • 电子的发现（1897年汤姆孙）——明确地揭示了原子是可分割的

13. 20世纪对原子结构的研究揭示出原子是可变的、可分割的，原子由质子、中子、电子组成，而质子、中子则由更小的粒子组成。20世纪对原子结构的研究揭示出原子是可变的、可分割的，原子由质子、中子、电子组成，而质子、中子则由更小的粒子组成。 • 基本粒子的性质不同而且能相互结合组成比较稳定的原子结构，原子之间能够通过交换一定的组分——如电子，而形成分子。所有这些过程都受着已知的力学和电磁定律的支配。 • 在现代原子论中，基本粒子可以转化为辐射，反之亦然。在组成更大的单元时，基本粒子也不一定保持自身不变。

14. 原子论在物质结构的研究中获得巨大的成功，并推广到其他的领域的研究中。原子论在物质结构的研究中获得巨大的成功，并推广到其他的领域的研究中。 • 电学现象 • 黑体辐射 • 光电效应 • “引力”量和“时间” 量的研究

15. 4.1 电子的发现 4.2 原子结构模型探索 4. 打开原子世界大门

16. J.J.汤姆孙 (1856-1940)英国剑桥大学实验物理学家1906年诺贝尔物理学奖 1897年4月30日，汤姆孙在英国皇家学会演讲时宣布发现了电子。 1899年汤姆生正式把这种微粒叫做“电子”。电子的发现被科学界称为十九和二十世纪之交的三大发现之一，汤姆生被誉为“电子之父”。 发现电子的意义是：1. 肯定了阴极射线是带负电的粒子；2. 揭示出原子内部含有带正电的部分和带负电的部分； 4.1 电子的发现

17. 4.2 原子结构模型探索 • 葡萄干蛋糕模型 • 原子有核模型 • 玻尔模型 • 原子结构模型探索的再深入

18. “电子浸浮于均匀连续正电球体中”模型（ 1904 ） 原子是一个小球体，内部充满均匀分布的带正电的流体，球内液体中掺杂有若干电子，这些电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，并以一定的角速度作圆周运动而发出电磁辐射。原子光谱反映的即是这些电子的辐射频率。电子的总电量与液体的总电量等值反号，原子对外显电中性。 4.2.1 葡萄干蛋糕模型 汤姆孙的原子结构模型

19. 模型成功之处 • 解释了原子电中性； • 解释了原子为什么会发光； • 据此模型可以估计原子的大小为10-8cm • 可以得出原子中电子的数目等于周期表中原子序数的结论 • 讨论了电子在原子内的分布 • 模型缺陷所在 • 关于正电荷在原子内的分布情况的猜测

20. 此模型建立在粒子散射实验基础上 原子内部并非是充满的，它的大部分空间是空虚的，它的中间有一个体积很小质量较大的带正电的核，原子的全部正电荷以及它99%以上的质量都集中在这个核上，带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。 4.2.2 原子有核模型 卢瑟福模型（ 1911 ） 视频：原子模型

21. 模型成功之处 • 解释了粒子散射实验； • 揭示了带正电的原子核的存在； • 模型缺陷所在 • 无法解释原子的稳定性 • 无法解释原子的线状光谱 • 对电子位置、核外电子云之谜所引起的佯谬束手无策

22. 4.2.3 玻尔模型 • N-玻尔（Niels Bohr 1885～1962） • 丹麦物理学家 • 因发展量子理论并用于原子结构、原子辐射研究的成果获1922年获诺贝尔物理学奖

23. 1913年玻尔建立在原子有核模型基础上 核外电子只能在原子内一些特定的稳定轨道上运行，并且在这些轨道上运行时，电子不辐射能量，一个轨道对应一个能量值，所以电子在原子内不能具有任意能量，只能具有特定能量。原子的能量是不连续的，这些分立的能量称之为能级。并且在离核较近的轨道上电子的能量较低。 电子从能量为E1的较高能级跃迁到能量为E2的较低能级，它将会放出能量为h的光子；反之，电子若吸收一能量为h的光子，则将从能级E2跃迁到E1能级，且h = E1 - E2。 4.2.3 玻尔模型

24. 玻尔模型成功之处与缺陷所在 • 模型成功之处：解释了原子的稳定性；说明了原子的线性光谱；在玻尔假设的基础上人们从理论上推出原子线状光谱的经验公式，并且该假说在不久之后被弗兰克-赫兹实验所证实。 • 模型缺陷所在：不能说明多电子原子的光谱和氢光谱的精细结构。对能级的描述很能粗略，只有一个量子数。不能解释原子核形成分子化学键的本质。 • 玻尔理论虽引入了量子概念，但没有摆脱经典物理学的束缚，是经典理论加上量子条件的混合物。

25. 索末菲的修正（1916年） 电子轨道是椭圆形而不是圆形的，核位于这个椭圆的一个焦点上； 电子运动的轨道不应当在同一平面上，应推广到三维空间； 提出空间量子化的概念。 波粒二象性与电子云 玻尔理论提出十年后，人们认识到原子里面的电子就其运动的基本特征来讲，完全不同于绕着太阳旋转的行星——电子同其他微观粒子一样具有波粒二象性。 微观粒子的运动轨道我们不可能确切地知道，只能知道它们在核外某区域出现的可能性（即概率），电子像“云”一样地存在于核外的空间中形成“电子云”，根本没有“轨道”的概念。 4.2.4 原子结构模型探索的再深入

26. 电子云 Electron Cloud

27. 电子云 1

28. 电子云 2

29. 电子云 3

30. 电子云 4

31. 电子云 5

32. 思考题 • 电子是怎样被发现的？这一发现的意义是什么？ • 简述关于原子结构的三种模型及其成功之处和缺陷所在。