原子模型怎么做图(原子模型怎么做视频)
近期不少网友都在问：原子模型怎么做图(原子模型怎么做视频)，小编也是查阅很多资料，整理了一些相关方面的答案，大家可以参考一下。
【温馨提示】本文共有11220个字，预计阅读完需要29分钟，请仔细阅读哦！
目录：
宇宙是如何创造出原子的？
我们在地球、太阳系甚至宇宙中所看到的一切，它们全部都由相同的东西组成——原子。电子和原子核相互作用并连接，形成单个原子，原子接着形成或简单、或复杂的分子，分子然后产生今天整个宇宙的宏观结构（同时还产生了生命）。
宇宙太热创造不出原子
今天的宇宙结构，确实令我们感到震撼。但是从大爆炸发生的那一刻起，整个宇宙中，经过了几十万年，都没有一个原子出现。为了创造它们，宇宙耗费了很长的时间，并且经过了复杂的演变。
宇宙诞生四分钟后，原子核就已经出现了。这时没有自由的中子，因为它们都已经合并到了较重的核中。这些较重的核是：氦-4（两个质子和两个中子），氘（一个质子和一个中子），氦-3（两个质子和一个中子）和氢-3（一个质子和两个中子），锂-7（三个质子和四个中子）和铍-7（四个质子和三个中子）。
这时，宇宙中也存在着许多自由电子，它们的数量和质子数相当，从而使得我们的宇宙能够保持中性（不带电）。此时的宇宙实在太热、能量太大了，光子源源不断地从原子核和电子中散射出来，以至于任何东西都无法形成。
原因很简单：这些原子核没有足够的能量相互融合在一起形成更重的组合，而电子却因为能量过多无法被束缚到原子核上，因而无法形成原子。
实际上，对于稳定创造出中性原子来说，当时宇宙的能量过多了——到宇宙诞生几分钟时，温度仍然是几亿度。为了使创造出的中性原子是稳定的，温度必须降到几千度以下才行。
宇宙降温为原子产生创造条件
当然，宇宙正在膨胀，这意味着身处其中的光的波长在被拉伸而不断冷却。但是要拉伸到大约10万倍才可以，这将需要很多时间。
随着时间的流逝，宇宙一直在膨胀和冷却。这时，铍-7开始产生放射性衰变。通过捕获电子，它缓慢地转变为锂-7。经过一两年后，铍-7几乎完全消失了（全部转变为锂-7）。时间继续流逝，氢-3也开始产生放射性衰变（通过发射电子），最后成为氦-3。
所有这些转型，耗费了大约100年的时间。
然而，宇宙仍然太热而无法形成稳定的原子。因此，宇宙继续膨胀，冷却且密度在降低。
时间又经过数百年，光子的红移变得越来越厉害——超过其他粒子的10亿倍，直到它们几乎失去了所有能量。
几万年后，辐射密度下降到物质密度以下，这时，宇宙由被光速运动的辐射所控制转变为被慢速运动的物质所支配。基于这种变化，万有引力开始将暗物质拉成团块，这些团块越来越大，从而吸引了更多的物质。没有辐射可以分解、破坏这些团块，所以宇宙开始形成结构——我们的宇宙结构的雏形就在那时出现了。
但是那时宇宙还是太热而无法形成中性原子。每次电子成功与原子核结合时，都会出现两种情况：一是发出紫外线光子，因为原子会自然跃迁到较低能状态（自发辐射）；二是受到其他粒子的轰炸，其中之一是光子（宇宙中每个电子周围都存在十亿个左右的光子）。即使大爆炸后过了数万年，依然有足够的光子具有足够的能量，一旦电子与原子核（无论是自由质子还是较重的原子核）结合，它会立即把它们炸开。
当大爆炸过后约30万年时，情况才开始发生变化。大爆炸中留下的背景光子开始变凉，以致于能量不足以立即将电子从其核中踢出。这时，具有极高能量的光子变得很少，比宇宙中的电子要少很多，只有不到十亿分之一的光子可以使中性原子产生电离。
这意味着中性原子从这时起可以开始形成了，但是它们形成后要如何保留下来是个问题。
双光子跃迁
使宇宙获得中性原子
当形成稳定的中性原子时，它本身会发射出紫外线光子。这些光子会以直线继续前进，直到遇到另一个中性原子，然后将其电离。所以，即使我们可以制造少量的中性原子，但它们无法保持这种状态，因为很快就会遭到破坏。
您也许会认为，如果这些紫外线光子在太空中传播足够长的时间，并不再与中性原子发生相互作用（没有机会碰到下一个中性原子），那么它们将发生红移（能量变小），这样就不能够再激发中性原子、使其电离了。
的确，这是一种可能的情况，但这仅仅是对宇宙中最初形成的百分之几的中性原子来说是如此。此外，还有以下这种情况——
通常，在氢原子中，当电子处在第一个激发态时，它会简单地下降到最低能量态，并发射一个特定能量的紫外线光子——莱曼α光子。但是，在一亿次跃迁中，会有一次的下降是通过不同的路径发生，即发射两个能量较低的光子。这被称为双光子衰变，或双光子跃迁。它是导致宇宙变为中性的主要原因——当一个正在形成的中性原子发射两个光子时，第一个光子撞击并电离附近的另一个中性原子后，第二个光子会将电离后的原子核和电子重新结合起来，产生新的中性原子，这时宇宙得到了一个额外的中性原子。
这就是宇宙如何创造出中性原子的故事。中性原子的产生这个过程很长，需要10多万年的时间，但这就是宇宙要做的事情。这种双光子跃迁虽然很少见，但却是首先形成中性原子的过程。它使我们的宇宙，从充满等离子，变为充满100％的中性原子。
尽管我们说宇宙是在大爆炸之后38万年开始形成这些原子的，但实际上，原子的形成是一个缓慢的、渐进的过程，该过程花费了大约10万年的时间。
一旦原子是中性的，大爆炸的光就不会散开，这就是“宇宙微波背景辐射”的起源。科学家从1964年开始首次探测到这种光，进一步证实了“大爆炸”理论的正确，并进入了现代宇宙学时代。在地球上的实验室中已经证实了双光子跃迁，我们观察到的现象代表了我们的理论预测与宇宙遥远的过去实际所发生的惊人的一致。宇宙花了50万年左右最终创造出中性原子，然后，万有引力开始将宇宙凝聚成团，最终，我们的宇宙故事已经准备好继续下一阶段。
原子模型的发展
20世纪初，围绕“原子是否存在”这个话题仍有大量争论。那些怀疑原子存在的人引用了一个简单的事实，即它们不能被直接观察到。而那些支持原子假说的人则提到了气体动力学理论的非凡成功，该理论能够通过假设气体由数以万亿计的随机运动的微小原子组成来解释气体的宏观性质。然而，争论是短暂的，随后一系列非凡的实验观察只能用原子理论来解释。
1897年，汤姆孙通过实验证明，可以从带正电的离子中提取称为电子的微小带负电粒子。很明显原子并不是不可继续再分的，1904年汤姆孙提出了一个原子模型，他认为原子是由均匀分布在整个原子中的一些带正电的物质形成的，而带负电的电子则像葡萄干布丁一样嵌入在原子内部。
然而，该模型并非没有问题。虽然可以推导出嵌入在带正电介质中的静止电子的一些稳定配置，但他怀疑是原子内部电子的运动决定了磁性材料的特性，然而他的模型没有能力解释原子内电子的运动。
最终，对葡萄干布丁模型造成致命打击的实验是1909年汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登著名的α散射实验。该实验向金箔发射一束α粒子流，然后测量它们的偏转角。如果根据Thompson的模型进行计算，那么你会发现几乎没有α粒子被金反射。但是当他们进行散射实验时，他们发现大约每8000个α粒子中的一个会偏转回源头，这与汤姆孙模型相违背。
1911年3月，为了解释盖革和马斯登的实验结果，欧内斯特·卢瑟福提出了一个激进的新模型。根据卢瑟福的模型，原子由一个微小的带正电的原子核组成，该原子核被一些微小的带负电的电子所包围。这些电子占据了原子核周围的广阔空间区域，这解释了为什么大多数α粒子会直接穿过金箔，因为它们只是穿过金原子内部的广阔空间区域。此外，在如此多粒子的情况下，金箔内的原子核有一定概率与α粒子正面碰撞，让其原路返回。
尽管卢瑟福的模型比汤姆孙的模型有显着改进，但如果认为电子存在，它就会受到自身问题的困扰：在原子核周围的空间中，它们到底在做什么？它们不能只是静止不动，因为带正电的原子核和带负电的电子之间的静电吸引力肯定会导致电子被拉入原子核。
这个问题的明显解决方案提出，电子实际上绕着带正电的原子核运行，就像地球绕着太阳运行一样，正是轨道运动阻止了电子落入原子核。然而，根据麦克斯韦的电磁理论，该理论也存在问题。电子的加速度会引起电磁辐射，因此它会慢慢失去能量，最终会减速并螺旋进入原子核。电磁理论预测，这将在不到万亿分之一秒内发生，所以看起来电子不能静止不动，也不能像行星绕太阳一样绕原子核运行。
所以电子到底处于一个什么样的状态？回答这个问题需要将旧的经典电磁学思想与新发展的能量量子化思想结合起来。玻尔认真对待了这一想法，并假设为了使原子稳定，必须存在围绕中心核运行的电子的稳定构型，并且这些稳定的轨道应该总体上取决于普朗克常数。此外，他建议这些稳定状态之间的跃迁将导致离散能量光子的发射。
玻尔的开创性工作集中在最简单的原子氢上，将量子引入原子不仅有助于稳定原子，而且也有助于解释氢原子的发射光谱。但不仅仅是氢原子可以使用玻尔模型来解释，能级和电子跃迁的基本概念最终将解释元素周期表中所有已知元素的发射光谱。玻尔也因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。
正如物理学中经常发生的那样，对一组问题的解决自然会引发一组新的问题，1913年卢瑟福提出了一些棘手的问题。在玻尔的模型中，一个高能轨道上的电子需要事先知道最终目的地的能量，才能发射恰到好处的辐射。这个简单陈述中的正确波长对新量子理论的影响提出了警告：我们对因果关系的理解。
玻尔模型的成功当然是非常惊人的，但模型所基于的假设“角动量量子化”条件从何而来？以及能级之间电子跃迁背后的机制是什么？这些问题的答案将不得不等待1920年代初薛定谔、海森堡、狄拉克等人的开创性工作。
原子结构发展过程简介
1903年，汤姆逊提出他的原子结构模型。他指出：原子是一个小球体，正电荷均匀分布在球体内部，带负电的电子镶嵌在球体上，这些电子在平衡位置做简谐振动。这就是著名的汤姆逊原子结构模型。
1911年，为了解释当时的α 粒子散射实验，卢瑟福提出了他的原子结构模型。他指出，原子中带正电的原子核体积非常小，但占原子质量的绝大部分，电子绕着原子核旋转，所占空间比较大，这被称为原子核式结构模型。
这种模型类似于行星绕太阳旋转，它成功的解释了α 粒子散射实验，一度被认为是非常成功的原子结构模型。直到现在，中学教材中也是以这种模型为主。
随着量子力学的发展，人们逐渐发现卢瑟福原子结构模型也有许多解释不了的现象。
1913年，玻尔提出了著名的玻尔原子模型。玻尔将量子概念应用到了卢瑟福原子模型中。他指出，电子只能在一些固定的轨道上运动，越外层的电子能级越高，只有在电子从一个能级跃迁到另一个能级时，才会辐射。
玻尔的成功，在于他接受了量子力学观点，提出了原子结构的量子化观点。指出电子轨道是量子化的，电子自旋角动量是量子化的。
由此可见，原子结构是在解释当时实验现象的假设中一步一步进化而来的，每一个结论在当时来说当时巨大的进步。科学也是在这样的探索中一步步前进的。
量子史话（七）汤姆逊、长冈、卢瑟福构建原子模型
上个视频我们说了，人们是怎样一步一步地确认原子的存在，虽然我们看不到原子本身，但19世纪末的物理学家在实验室看到了原子产生的一系列变化。其中包括元素的放射性、元素的嬗变、电子的发现。
尤其是在1905年，爱因斯坦从理论的角度，也确认了原子的存在，就是我们熟知的布朗运动。
既然已经知道了原子的真实性，那么接下来的工作就是要构建原子模型。
最先提出原子模型的人是电子的发现者——约翰·汤姆逊。
汤姆逊出生在曼彻斯特，父亲的出版社经常给大学印刷教材，家庭条件相当不错，而且能够经常接触到大学教授，以及各类的书籍。
耳濡目染，以及良好的教育使得汤姆逊，在14岁就考上了曼彻斯特大学，1876年，21岁的汤姆逊就被保送到了剑桥大学，1880年获得博士学位，并留校任教。
1884年剑桥大学的卡文迪许实验室主任瑞丽勋爵，在5年任期到了以后直接甩手不干了，瑞丽这个名字我们很熟悉，在解释黑体辐射分布的时候，说到过瑞丽公式，还有我们在解释天空为什么是蓝色的时候，也经常提到瑞丽散射。
瑞丽勋爵是第二任卡文迪许实验室的主任，第一任是麦克斯韦，瑞丽辞职以后，剑桥大学就开始物色新的物理系主任，先后找了开尔文勋爵，和德国的赫尔姆霍兹，这两位加起来已经快一百三十岁的人了，功成名就，所以都直接拒绝了邀请。
不过对于年轻人来说，这个职位做梦都不敢想。不过在剑桥大学的汤姆逊看到了人生翻转的机会，斗胆向学校提出申请，既然没人干，那要不先让我试一下，在瑞丽的支持下，28岁的汤姆逊成为了卡文迪许实验室的第三任掌门人。
事实证明，汤姆逊是一个很好的领导者，在他的手下出了9位诺奖获得者，其中就包括欧纳斯特·卢瑟福。
这位比他的老师更牛，在他的手下出了11位诺奖诺奖获得者，堪称诺贝尔奖幼儿园。后面我们还会提到卢瑟福，他也是我们今天的主角。
1897年汤姆逊发现阴极射线其实就是电子，这一发现让他获得了1906年的诺贝尔奖，在发现电子以后，汤姆逊认为电子是原子的组成部分，且原子成电中性，那么原子中肯定有带正电的部分。
在没有实验证据的情况下，1903年汤姆逊纯靠想象提出了自己的原子模型，史称“葡萄干布丁”模型。
他勾勒出了这样一个图景，原子呈球形，电子以同心圆的方式镶嵌在正电荷云里，整个结构看起来就像一块布丁里面镶嵌着葡萄干一样。
而且汤姆逊也说不清楚，一种元素的原子里，有多少个电子，只是给出了一个大致的数量范围。
比如原子重量为1的氢原子，可能只有一个电子，原子重量为4的氦原子，电子数量可能是两个，也可能是3个或者4个，说不清楚。
主要原因是，这时人们并不知道元素周期表的元素顺序，其实是按照原子核的正电荷数来排列的，当然也不知原子核里面的正电荷数是多少，所以汤姆逊并不清楚一个原子里应该有几个电子。
当时人们对元素顺序的排列依靠的指标是原子的重量，也就是原子量。
比如氢原子的原子量是1，它排在了第一位，接下来原子量最小的元素是氦，它的原子量是4，排在了第二位，第三位原子量是6，也就是锂元素，排在了第三位。
可以看出，当时人们对元素周期表的认识有很大的局限性，并没有弄清楚最基本的排列规律，尤其是1907年的时候，人们发现了同位素以后，以原子量排列的元素周期表变的混乱不堪。
这个问题要到1910年的时候，波尔才第一次给出了正确的答案。我们在讲到波尔的时候，会详细说，这里就暂时略过。
很明显汤姆逊提出的原子模型，跟实际的情况偏差很大，不过当时也没有人知道原子的结构，既然汤姆逊提出了模型，那么我们就做实验验证一下。
做这个实验的人正是汤姆逊的学生卢瑟福。
卢瑟福1871年生于新西兰的一个乡村，比爱因斯坦大了8岁，比波尔大了14岁，父亲是亚麻纺织厂的工人，母亲是小学教师，家里有12个孩子，卢瑟福排行老四，一家人挤在一个简陋的木屋中，生活非常艰辛。
卢瑟福的求学生涯一路走来，靠的都是奖学金，1895年卢瑟福来到了剑桥大学，在卡文迪许实验室给汤姆逊打下手。
正巧这一年伦琴发现了X射线，引起了巨大的轰动，喜欢研究原子现象的汤姆逊就对这种鬼气阴森X射线产生了极大的兴趣。
他给卢瑟福的研究课题是测量X射线通过气体时产生的效应，确认了X射线可以电离气体，在接下来的两年中，卢瑟福发表了4篇关于X射线的论文，获得了博士学位，也让卢瑟福在科学界崭露头角。
上个视频我们还提到过，卢瑟福通过研究各种射线的穿透性，将贝克勒尔射线分为了α射线和β射线，将杰拉德·施密特发现的放射性辐射命名为γ射线。
后来人们也证实了，X射线、伽马射线就是电磁波，β射线是电子，α射线是氦原子核。
有了这些成就以后，卢瑟福已经成为了当时放射性研究的先锋人物，继续给汤姆逊当助手就有点太屈才了，卢瑟福已经具备了独立开展科研工作的能力。
1898年4月，加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学正在招聘全职教授，汤姆逊为卢瑟福写了一封热情洋溢的推荐信，9月底，27岁的卢瑟福抵达蒙特利尔，在这里待了九年的时间。
1901年卢瑟福和25岁的化学家索迪发现了元素的嬗变，这一成就让他获得了1908年的诺贝尔化学奖。
1905年，在蒙特利尔的时候，卢瑟福就用α粒子轰击过云母薄片，发现了α粒子的轨迹发生了偏移，虽然没有深入的研究，但卢瑟福把这一现象一直记在心里。
1907年5月，卢瑟福来到曼彻斯特大学担任全职教授，首要的研究课题就是α粒子的散射现象。
卢瑟福设计了一个简单的实验，用α粒子轰击金箔，观察α粒子通过金箔以后的轨迹变化，这种实验需要在全黑的环境下进行，才能看到α粒子穿过金箔以后，在屏幕上留下的微弱闪光。
而且需要在几个小时内不断地用α粒子轰击金箔，卢瑟福把这项艰苦的任务交给了新的助手汉斯·盖革；
后来又来了一位研究生马斯登，也参与到了这项研究中，他们发现大部分的α粒子可以沿着直线轨迹穿过金箔，有一部分α粒子会发生小角度的偏转，有一小部分的α粒子会发生大角度的偏转，有极个别的α粒子会直接被反弹回来。
1909年6月，盖革和马斯登把这一实验过程和结果发表了出来，卢瑟福在论文中没有对实验结果做任何评论。
因为这样的结果，让卢瑟福大惑不解，在卢瑟福看来，α粒子直接被反弹回来，就像是用一颗38厘米的炮弹，轰击一张纸，炮弹却返回来打到了自己，简直不可思议。
按照他的老师汤姆逊提出的原子模型，只要有一个α粒子能够顺利地穿过金箔，那么所有的α粒子都应该能够穿过，不存在直接被反弹回来的情况。
卢瑟福大胆地放弃了汤姆逊的原子模型，在1910年12月提出了自己的原子模型，史称“行星原子模型”。
他构想出了这样一个图景：卢瑟福相信在原子的中心，有一个承载了原子全部质量、且带正电的原子核，但原子核的大小只有原子的1/10万，一般来说原子的尺寸在10^-8厘米，原子核的尺寸在10^-13厘米，
比方说，如果原子核的大小是一个针尖，那么电子就在100米开外像行星绕太阳一样，绕着原子核运行。这样的原子模型符合α粒子的散射实验，那些极个别被反弹回来的α粒子是因为一头撞在了原子核上。
卢瑟福本人是一个非常典型的实验物理学家，他不喜欢没有依据的猜测，当然他也不喜欢理论物理学家的研究风格，开局靠假设，过程全靠猜。
所以卢瑟福并没有急于发表自己的原子模型，而是提出了一个数学公式，这个数学公式可以于预测在特定的偏转角度上，有多少α粒子会被偏转出来。
盖革通过实验发现，α粒子被散射后的分布情况和卢瑟福预测的完全一致。
这时卢瑟福才放心大胆地在1911年宣布了他的原子模型。相信大家可以看出来，卢瑟福的原子模型相比于汤姆逊的原子模型有了很大的进步，更加接近真实情况，但同样的问题是，卢瑟福也说不清楚原子中电子的数量，也说不清电子在核外是怎样分布的。
而且卢瑟福原子模型还面临了一个非常严重的问题，电子像行星一样在核外绕着原子核运行，牛顿力学告诉我们圆周运动是加速运动，麦克斯韦电磁理论告诉我们，加速运动的电子会释放出电磁辐射，不断地损耗能量。
这样一来，电子就会在极短的时间内掉入原子核，整个原子会彻底崩溃，而客观世界的存在，就强有力地说明了，卢瑟福原子模型存在不稳定的问题。
这个问题是在1913年，被波尔解决的，这时的波尔还是卢瑟福的学生。接下来的几个视频，我会详细地讲波尔是如何构建量子化的原子模型。
下面我们在简单地说下，不为大家熟悉的长冈模型，在卢瑟福公布了自己的原子模型以后，他收到了来自日本的一封信，写这封信的人是长冈半太郎。
信中说，在5年前，我已经提出了和你的原子模型相像的原子模型，我的叫土星模型。卢瑟福承认，他的原子模型和长冈半太郎的有相似的地方，但是有本质的区别。
在长冈半太郎的土星模型中，原子核像土星一样巨大，占据了原子绝大部分的空间，电子像土星的卫星一样，绕着土星运行。
很明显，长冈半太郎的模型很可能是猜出来，如果他跟卢瑟福一样做了α粒子的散射实验，就不会提出原子核像土星一样巨大。
所以一般情况下，我们很少会提到长冈模型。
好了，今天的视频就到这里，下个视频的主人公就要轮到波尔登场了，他和普朗克、爱因斯坦被称为旧量子论的三大巨头，在波尔的手里旧量子论也将达到顶峰，接下来将是年轻小伙们的天下。
《着迷化学》-- 原子结构第一话
原子是咋被发现的？
原子是咋被发现的？
延伸阅读
猜你喜欢：
