《魅力科学》课程论文
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专业:计算机科学与技术
班级:一班
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学号: 201315016
魅力科学论文——原子结构
摘要:生命过程本质上是化学过程,认识生命现象的内在本质必然
要求
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进一步在微观层次上学习和认识原子结构的基本理论和变化规律,这也是从事现代生命科学研究的必要知识基础。所有物质都是由不同元素的原子组合而成,要认识物质的本质和变化规律,就必须了解原子的结构组成及性质变化的内在结构规律。【关键字】原子模型波函数量子数薛定谔方程能级交错元素周期表原子结构是化学概论的基础,在申泮文院士的火箭模型中,化学概论又处于顶端,因此,对于原子结构的学习和理解是深入化学世界的知识前提。笔者作为文科生,无法对其中理论做出深刻分析理解,只将《魅力科学》视频中车云霞教授讲解的原子结构知识归纳概括,以期成为一篇小小的科普文章。
一、早期原子模型概述
人们对物质组成和结构的认识经历了由浅入深,有感性至理性,由片面到整体的发展过程。原子学说早在古希腊时期就被提出,在此,笔者只针对19世纪末以后的原子学说加以描述。
19世纪末,经典物理学已经发展得相当完善,原子学说和元素周期律的提出和广泛流行也促成了量子理论的发展和现代物理学的进步。物理学家和化学家逐步揭示了原子内部组成和结构的秘密以及与元素化学性质紧密相关的原子核外电子排布和变化规律,并构建了一个崭新的以量子理论为基础的微观世界。早期原子模型正是在这个时期得以相继提出。
1、Rutherford原子模型
1897年,英国物理学家J.J.Thomson通过研究阴极射线的性质发现了电子,确认带负电荷的电子是原子的组成部分。1909年,美国物理学家R.A.Millikan 通过测定油滴的电荷,确定了电子的电荷数,并据此计算出电子的质量大约只占氢原子质量的二千分之一。那么原子中的质量是如何分布的呢?电荷的正负如何平衡呢?Rutherford的α粒子散射实验给出了问题的可能
答案
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。 1910年, Rutherford用快速α粒子流轰击一张约4x10-7m厚的金箔,发现尽管绝大部分的粒子都毫无阻碍地通过了金箔,但有极少数α粒子发生了较大角度的散射,极个别的α粒子甚至被反弹回来。这使他认识到:极个别的α粒子被反弹回来,
必定是因为他们和金箔原子中某种极小体积的坚硬密实的核心发生了碰撞,这个核心应该是带正电,而且集中了原子的大部分质量。这便是著名的原子结构“行星模型”,该模型认为:原子由居于原子中心体积极小但占原子大部分质量的带正电的原子核和核外绕核高速运动的电子组成,就像行星沿着一定的轨道绕太阳运行。
2、Bohr原子模型
Rutherford的行星模型虽然解释了α粒子散射现象,却无法解释为什么原子能够稳定的存在。1913年丹麦的Bohr在Rutherford的行星模型基础上,借鉴M.Planck的量子论和A.Einstein的光子学说的思想,提出了著名的氢原子结构模型假设,成功解释了氢原子结构和氢原子光谱,即Bohr理论。其要点如下:
1.电子在一些特定的可能轨道上绕核作圆周运动,离核愈远能量愈高;
2.可能的轨道由电子的角动量必须是 h/2π的整数倍决定;
3.当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量,只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量,而且发射或吸收的辐射是单频的,辐射的频率和能量之间关系由 E=hν给出。
3、现代原子模型理论
1923年法国的L.de.Broglie提出电子等微观粒子也具有波粒二象性的假说,这成为了探究核外电子运动的崭新阶段。接着1926年奥地利的E.Schrodinger 建立了电子波动方程,运用波动力学建立了全新的模型:除原子核近似看成不动外,核外电子的运动并不是绕着原子核旋转,而是遵守不确定原理和统计学规律。电子在核外不同区域出现的概率大小不同,可以用“电子云”形象地描述。这个原子结构模型被认为是相对完整、科学的原子结构理论。
二、原子内粒子的运动与分布
原子内粒子的运动依据量子力学和统计学规律,主要反映在波粒二象性和不确定原理。粒子(核外电子)的分布以电子云形式存在,有角度分布和径向分布。各层电子还存在着能级交错、屏蔽效应和钻穿效应。
三、元素周期表与原子结构的关系
化学元素的性质随着核电荷数的递增呈现的周期性变化的规律称为元素周期律,它是化学元素原子核外电子层结构周期性变化的外在反映,其表现形式通常汇总为元素周期表。
元素周期表:把元素按原子序数递增的顺序依次排列,每个元素分占一格,电子一次填入的顺序遵从Pauling近似能级图并根据其能级组的划分排成7个横
行,并将外层电子组态类似的对齐成一列,就得到了元素周期表。
四、我的总结和学习后的感想
对于微观世界的了解和研究,经过无数科学家们的不懈努力和奋斗,变得逐渐深入。对于今天物理和化学的发展,毋庸置疑,我们心存羡慕和惊叹。但是回顾历史,我们会发现,曾经轰动一时的重大理论,在后续理论未被阐述前,都具有不可反驳的创新性和突破性。而对于后续的理论,又多少暴露了其局限性。
没有哪个物理学家或者化学家是最伟大的,也没有哪个物理学家或者化学家是次要的,因为在物理和化学的发展进程中,每一个成就和理论的得出都是借鉴了前人的经验和教训。这就像是一个建房子的过程,每个人都参与其中,罗瑟福、波尔、德布罗意、薛定谔、海森堡、普朗克、波林、洪德?最后终将建成最宏伟的建筑!
原子结构的揭秘过程,我认为最重要的是科学家们敢于大胆假设、敢于类比借鉴。在科技水平较为低下的时期,科学家无法通过实验验证一些原子结构的问题,这时敢于大胆假设并进行严密论证就显得格外重要。大量的原子理论正是在合理的假设下最终得以验证。同样,善于类比借鉴也是科学家取得进步的重要因素。例如:微观粒子的波粒二象性就是类比借鉴了光的波粒二象性而得出的。
物理和化学的发展史是最激动人心的历史,也是一个永无止境的过程。科学家们正在前赴后继,为的是解开世界留给我们的一个又一个的谜。毫无夸张地说,现在人们享受的所有科技成果都是建立在原子结构得以相当发展的基础之上。学完《魅力科学》之后,我确实被科学的魅力征服了。在一个文科生眼中,我也总结了学习好物理化学需要的一些基本素质:
1、掌握基本理论知识。
2、特别研究某一方向。
3、把握物理化学史发展脉络。
4、将抽象形象化和形象抽象化。
5、专注执著不怕苦不放弃。
6、敢于大胆假设异想天开。
7、善于类比借鉴。
8、激情。
参考文献:
1、《原子结构、碰撞与光谱理论》方泉玉、颜君著.——北京:国防工业出版社.2006.1
2、《原子结构》E.U.康登、H.奥达巴西著.——北京:科学出版社.1989.10
3、《基础化学》第二版张欣荣、阎芳著.——北京:高等教育出版社.2011.6
4、百度百科
5、维基百科
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