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1、第一节 原子结构模型光 谱每种原子只能发出具有本身特征的某些波长的光,因此明线光谱的谱线又叫做原子的特征谱线。特征谱线为光谱分析技术的应用、研究和发展,提供了可靠的基础和保障。光谱分析就是使用分光镜、分光仪、单色仪、摄谱仪、投影仪、记录仪和计算机等光谱仪器和分析仪器,通过对各类光谱的产生、拍摄、观察、记录等手段对物质进行定性或定量的检测、分析与研究。它在我国国民经济中,特别是地质、矿产部门有着广泛的应用,在现代航天事业和对外星球的探测中,光谱分析有着更广阔的发展前景。物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。其中炽热的固体、液体和高压气体的发射光谱是连续光谱;而稀薄气体或金属蒸气的发射光谱是一些不连
2、续的亮线,叫做明线光谱。明线光谱是由游离态的原子发射的,所以也叫原子光谱。还有一些物质的发射光谱呈带状,是由该元素的原子团或分子发射的,叫做带状光谱或分子光谱。吸收光谱是指高温物体发出的白光(其中包含连续分布的一切波长的光),通过物质时,某些波长的光波物质吸收后产生的光谱。所以吸收光谱是以连续光谱为背景的若干条暗线。各种原子的吸收光谱中的每条暗线,都跟该种原子的发射光谱中的一条明线相对应。光谱是用来鉴别物质、发现新元素和确定它的化学组成的重要依据。光谱分为发射光谱和吸收光谱两大类。PDP(Plasma Display Panel)等离子显示屏近年来高速发展的PDP(Plasma Display
3、 Panel)等离子显示屏,可以制造出大屏幕壁挂彩色电视机,使未来的电视屏幕尺寸更大,图像更清晰,色彩更鲜艳,而本身的厚度只有8 cm左右,可挂在墙壁上。等离子显示屏PDP是一种利用等离子管作为发光元件,大量的等离子管排列在一起构成的屏幕。每个等离子管都是由透明玻璃制成的,管内充有低压的氖、氙气体,两端各有一个电极,在两个电极间加上高压后,封在管内的气体产生某种肉眼看不见的光谱,激发平板显示屏上的红绿蓝三基色荧光粉发出可见光,每个等离子管作为一个像素,由这些像素的明暗和颜色变化组合使之产生各种灰度和色彩的图像。等离子管发光的微观机理是通过高压使低压氖、氙气体原子的外层电子受到激发而发光. 玻尔
4、原子模型的提出玻尔,丹麦物理学家。1885年10月7日生于哥本哈根。7岁入小学后成绩一贯优异,敢开公开指出教材或老师讲课中的差错。从小爱好足球,身体很好,也擅长手工,他说过:“我是像一个哲学家和一个工匠那样地对物理学发生兴趣的。”由于对卢瑟福的仰慕,于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工作了4个月,当时正值卢瑟福提出了他的原子核模型,人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系,但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾,这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论。玻尔早在大学作硕士论文和博士论文时,就考察了金属中的电子运动,并明确意识到经典理论在阐明微观现象方面的严重缺陷,赞赏普朗克和爱
5、因斯坦在电磁理论方面引入的量子学说,在他研究原子结构问题时,就创造性地把普朗克的量子学说和卢瑟福的原子核概念结合了起来,1913年初,有朋友建议他研究原子结构,应很好地联系和应用当时已有的丰富而精确的光谱学资料,这使他思路大开,通过对光谱学资料的考察,玻尔的思维和理论有了巨大的飞跃,使他写出了“论原子构造和分子构造”的长篇论著,提出了量子不连续性,成功地解释了氢原子和类氢原子的结构和性质。1922年玻尔获诺贝尔物理学奖。揭开内葛的卢瑟福卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊,毕业于新西兰大学和剑桥大学。1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教授,达9年之久,这期间他在放射性方面的研究,贡
6、献极多。1907年,任曼彻斯特大学物理学教授。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授,并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。 在19世纪末,物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”:1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线,同一年,法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射性; 1897年,英国物理学家汤姆逊1859一1940)发现了电子。这些伟大发现激励了卢瑟福,使他决心对原子结构进行深入研究。 1899年,卢瑟福用强磁场作用于镭发出的射线,他发现,射线可以被分成三个组成部分。他把偏转幅度小的带正电的部分叫a 射线,把偏转幅
7、度大的带负电的部分叫b 射线,第三部分在磁场中不偏转,且穿透力很强,他称之为r射线。 1903年,卢瑟福证实a 射线是与元素氦质量相同的正离子流(氦核),b 射线则是带负电的电子流。卢瑟福把a 射线也称为a 粒子,他进一步用实验证明,a 射线打击到涂有硫化锌的荧光屏上,就会发出闪光。因此,他利用这一现象制成了可以观测澈粒于的闪烁镜。 卢瑟福进一步对口射线的穿透力进行研究,他发现,大部分a粒子都可以穿透薄的金属箔,这些粒子在金属箔中“如入无人之境”,可以大摇大摆地通过。这一现象说明,固体中原子间并不是密不可人的,排列并不紧密,内部有许多空隙,所以a粒子可以穿过金属箔而不改变方向。 实验发现,也有
8、少数a粒子穿过金属箔时,好象被什么东西挤了一下,因而行动轨迹发生了一定角度的偏转。还有个别的以粒子,好象正面打在坚硬的东西上,完全反弹回来。根据以上a粒子穿过金属箔的实验现象(这个实验被称为a粒子散射实验),卢瑟福设想,原子内部一定有一个带正电的坚硬的核,a粒子碰到核上就会被反弹回来,碰偏了就会改变方向,发生一定角度的偏转,而原子的核占据的空间很小,所以大部分a粒子还是能穿过去。他根据这一假定计算出,原子核半径约为310-12厘米,而原子的半径为1.6l0-8厘米。 1911年,卢瑟福受“大宇宙与小宇宙相似”的启发,把太阳系和原子结构进行类比,提出了一个原子模型。他认为,原子象一个小太阳系,每
9、个原子都有一个极小的核,核的直径在10-12厘米左右,这个核几乎集中了原子的全部质量,并带有之单位个正电荷,原子核外有之个电子绕核旋转,所以一般情况下,原子显中性。卢瑟福发现了原子核以后,进一步用各种金属做“粒子散射实验,发现不同的金属对”粒子的散射能力不同,散射能力越强,证明核带的正电荷越多,因而斥力也就越大。 1913年,卢瑟福的学生和助手莫斯莱,在卢瑟福指导下,证明各种不同元素原子核所带的电荷数,正好等于它们的原子序数。卢瑟福的原子模型,成功地解释了许多物理化学现象,但后来的研究发现,它有很大的局限性。他的学生、丹麦物理学家尼尔森玻尔,综合了普郎克的量子论、爱因斯但的光子论,在卢瑟福原子
10、模型的基础上,提出了原子的玻尔模型,这个模型比卢瑟福模型有很大改进,但它是经典力学与量子论相结合的产物,故随着科学的发展,出现了很多不符合实际的情况,所以后来被量子力学模型所取代。 卢瑟福在核化学方面做出过杰出的贡献。他用a粒子散射研究原子核时,发现对于轻元素来说,往往出现反常现象。他当时认为,可能是因为轻核的核电荷少斥力小,高速a粒子有可能克服斥力,打到轻核里面去,因而出现反常。后来他就按着这个想法深入进行研究。卢瑟福首先选用最强的放射源,当时叫镭C,实际上是204Po,对轻元素进行轰击。1919年,他在用a粒子轰击氮时,发现产生出一种新的、射程很长、质量更小的粒子,经研究证明,这种粒子是氢
11、的原子核。卢瑟福把他发现的这种粒子命名为“质子”。在这一实验中,他不仅发现了质子,还实现了人类历史上第一个核反应: 14N+4He17O+1H 接着他又发现,硼、氟、钠、铝、磷等元素都能发生核反应,在核反应时,一种元素可以变成另一种元素。1920年,卢瑟福又提出了中子假说,他认为原子核中,质子可能与电子紧密地结合,形成一种不带电的粒子,即中子。他推测,因为中子周围不形成电场,所以当它通过气体时,应不产生离子。它不受电场作用力的影响,所以,穿透力会很强,只有当它与原子核发生正面碰撞时,才会转折。而被碰撞的核,因为得到一定的动能,可能以一定的速度射出。 卢瑟福关于中子的预言,在1932年,被查德威
12、克所证实,他用a粒子轰击铰元素而得到中子: 9Be+4He12C+1n 卢瑟福对放射性的研究,最终指明了原子擅变的可能性,实现了中世纪以前炼金术士的梦想。此外,卢瑟福还对天然核裂变现象做了理论上的探讨。他认为,天然放射性是基本原子的爆炸分裂造成的,在以天文数字计算的原子中,某处会突然发生爆裂,放出各种射线,而所留下来的部分就成了另外的原子。如果爆裂时射出的是一个a质点,则这种新元素的原子量比爆裂前将减少一个氦原子的原子量。在卢瑟福时代,只知道重原子的裂变,还不知道轻原子可以聚变,无论是裂变还是聚变部能放出能量。 卢瑟福为人正直,尽瘁科学,不阿权贵,他还是一个伟大的教育家,为人类培养了许多第一流的专家,如玻尔、莫斯莱等。池逝世以后,每年人们都在10月19日为他进行悼念活动。