原子模型与科学假说

第六节　原子模型与科学假说

科学假说是根据一定的科学事实和科学理论，对研究中的问题所提出的假定，看法和说明。任何一项科学研究，都有预见的目的。因此，在人们要了解自然现象之前，人们的头脑对这种自然现象有一个初步的设想、推测或猜想，这就是提出假说。因为假说的形成是建立在真实的事实材料的基础上，所以它与迷信、瞎说有本质的区别。在科学研究活动中，假说是必不可少的，正如牛顿所说：“没有大胆的猜测，就做不出伟大的发现。”恩格斯认为，假说是自然科学的发展形式。

一个假说，最开始时可能很粗糙，很不完善，甚至可能是错误的。没关系，根据这个假说，人们通过实验进行深入研究，不断验证假说、修正假说，或否定旧假设、建立新假说，一步一步逼近真理。假说方法的作用和意义在不断修正的原子结构模型的建立过程中，得到了很好的体现。

汤姆逊模型

电子的发现使汤姆逊想到，原子也有结构，原子由电子和另一带正电的部分所组成。他设想原子中带正电的部分以均匀的电荷体密度分布在一个大小等于整个原子的球内，而电子则一个一个地分布在球内的不同位置上。由于电子很轻，所以原子的质量将集中在带正电的部分上。

1908年，卢瑟福做出了α粒子对金属箔散射的实验。实验在真空中进行。放射性元素镭放出一束高速α粒子，垂直射到金属箔上。α粒子与金属箔的原子发生作用后沿不同的散射角φ射出。实验发现，大多数α粒子经过金属箔后与原来的入射方向偏差不多，即散射角较小。少数α粒子的散射角却很大，有的甚至接近180°。

汤姆逊原子模型在α粒子散射实验面前不能解释。

在他的原子模型中。原子的正电荷均匀地分布在整个原子中，正电荷的体密度必然不大，α粒子受到的电场斥力较弱，高速运动的α粒子能够克服电场斥力，通过原子中均匀分布的正电荷，因而这种模型无法解释α粒子的大角散射。所以，汤姆逊原子模型被否定了。

卢瑟福模型

为什么α粒子有大角散射呢？卢瑟福认为带正电的α粒子一定是受到极强的电场斥力作用，才会发生大角散射，只有正电荷集中才有这种现象。

1911年卢瑟福根据α粒子散射的科学事实，提出了有核原子模型：原子中心是一个很小、很重的带正电的原子核，电子绕着核而旋转，好像行星绕着太阳运转样。卢瑟福用这类似太阳系的模型解释了α粒子散射实验，同时正式提出了原子核的概念。

玻尔模型

卢瑟福原子模型虽然能解释α粒子的散射实验，但是模型过于粗糙，没有说明外围电子的分布及运动规律。

原子光谱的研究，特别是氢原子光谱的研究，对原子模型的演变过程起一重要的作用。

用摄谱仪拍摄氢原子光谱，可以看出氢原子光谱是由彼此分立的平行亮线所组成，这种光谱称为线光谱。

其中每条亮线代表一种波长的光，称为谱线。分析线光谱，可以发现谱线按照一定规则分列。不仅是氢原子，各种元素的原子都发出自己特有的线光谱。线光谱是原子的特征之一。氢原子不仅在可见光部分有光谱线，在光谱的紫外区、红外区及远红外区也发现了氢原子的光谱线。

氢原子内有一个电子绕核旋转。根据经典电磁理论，电子绕核的加速运动应该引起电磁波的发射，而所发射的电磁波的频率就等于电子绕核旋转的频率。随着能量的辐射，轨道半径应逐渐减小，从而旋转频率也将不断增大。这样所发射的电磁波应当有一较宽的频率范围，即连续的光谱带。显然，经典的电磁理论不能解释由实验观察到的氢原子的线光谱，卢瑟福的原子模型遇到了困难。为了解决这一困难，丹麦物理学家玻尔提出了玻尔假说。玻尔假说有三点：

（1）电子在绕核运动时，只有电子的角动量L等于的整数倍的那些轨道才是稳定的。即，2，3，…

式中，h为普朗克常数；n称为量子数；

（2）电子在上述假设许可的任一轨道上运动时，原子具有一定的能量E_n，不辐射也不吸收能量，这称为定态：

（3）原子从一个能量E_n的定态跃迁到能量级的另一个定态时，辐射或吸收具有一定频率的光子，光子的频率是

根据玻尔假说所提出的玻尔原子模型，电子绕核旋转有许多分立的轨道，电子轨道半径，电子绕核旋转速度、原子能量不可以取任意值，只能取一系列不连续的值，即它们量子化。原子从能级E_n跃迁到能级E_k，放出单色光的频率。玻尔假说很好地解释了氢原子的线光谱的规律。

由玻尔假设所建立的玻尔原子模型完善了卢瑟福的原子模型，人们称玻尔模型为定态跃迁原子模型。

玻尔—索末菲模型

索末菲对玻尔的原子理论作了发展。索末菲认为，电子绕核旋转的轨道为椭圆轨道，轨道平面在空间取向方位不连续，只能存在一些不连续的方位，即空间的量子化。

玻尔—索末菲的原子模型在一定程度上反映了原子内部运动的客观规律。但是，由于仍然应用了经典力学去研究电子轨道运动，尽管加上量子条件，还是没有跳出经典理论的范畴，没有摆脱轨道这一概念。所以，长时期里人们描述原子结构时总离不开轨道。

电子云模型

由于德布罗意的波粒二象性假设，证明了微观粒子具有波动性，才对原子、电子等微观粒子的本质有了进一步的认识。

电子的波动性使原子的电子轨道概念失去了意义，而只能说在离开原子核周围空间某处发现电子的概率是多少。把概率密度的分布称为电子云。为了形象地描述电子云，把电子在原子核周围空间可能出现的地方画小黑点，黑点越密，概率密度就越大，犹如一层带负电的电子云。玻尔模型中所说的电子轨道，只不过是电子出现概率最大的区域而已。

从汤姆逊模型、卢瑟福模型、玻尔模型、玻尔一索末菲模型、电子云模型的不断递进的科学事实，说明了假说方法的作用。虽然假说只是一种猜测，而且它包含着不确切、不可靠的成分，但是在自然科学发展史上，它是人们认识向客观真理接近的方式。

这是因为，第一，假说是对自然现象有根据的推测，假说的不断修正、补充和更新，通过逐步逼近，会更多地、更正确地反映客观现实的某些方面。所以，它是人们的认识向客观真理接近的方式。第二，假说是思维的发展形式，因为科学不能“等待訇成定律的材料纯粹化起来”以后，再进行思维，在此以前，“如果把运用思维的研究停下来，而定律也就永远不会出现”，科学也就无从发展。