第五章原子结构

第五章原子结构绪论：原子结构的探索过程

100年前的今天，正是人类揭开原子结构秘密的非常时期。我们共同来回顾19世纪末到20世纪初，科学发展史上的一系列重大的事件。

一、天然放射性的发现

1896年，贝克勒尔(Becquerel,法国物理学家):发现铀（U）的天然放射性；1898年，居里夫妇(MarieCurie，波兰人

):钋(Po)和镭(Ra)的放射性,二者蜕变后最后都变成铅。

贝克勒尔，1852年生，他的父亲和祖父都是物理学家，使他从小就受到良好的教育，25岁就取得工程师资格，1892年，44岁的贝克勒尔，对物理学已很有研究了。发现放射性的初期，人们不知它的危害，贝克勒尔由于毫无防护下长期接触放射物质，健康受到严重损害，50多岁就逝世了。科学界为了表彰他的杰出贡献，将放射性物质的射线定名为“贝克勒尔射线。”1898年，居里夫妇发现钋(Po)和镭(Ra)的放射性,二者蜕变后最后都变成铅。居里是法国人，玛丽却是波兰人玛丽·居里（）。世界著名科学家，研究放射性现象，发现镭和钋（pō）两种天然放射性元素，一生两度获诺贝尔奖（第一次获得诺贝尔物理奖，第二次获得诺贝尔化学奖）。作为杰出科学家，居里夫人有一般科学家所没有的社会影响。尤其因为是成功女性的先驱，她的典范激励了很多人。经研究发现上述射线是由α、β、γ三种射线组成。α粒子：带两个正电荷，质量为氢原子的4倍β粒子：带1个负电荷，（后证明是电子)γ射线：波长很短的电磁波天然放射性物质及其蜕变现象的发现，使人们开始意识到原子并非是组成物质的“最终质点”，它是可分的，而且具有复杂的内部结构。二、电子的发现1897年，汤姆森（J.J.Thomson，英国）

在研究物质在真空管的放电现象发现电子，测定了电子的荷质比不论阴极射线管中的气体是什么气体或电极材料是用什么金属制成的，发射的阴极射线的电子其荷质比都是相等的。因此证明电子是各种原子的共同组成部分。放射性、电子的发现，证明了原子是可分可变的，原子还有其内部结构。这是人们对物质认识的一个重大突破，使人们对物质结构的认识从宏观领域进入到了微观领域。汤姆森（Thomson,Elihu）英国-美国发明家。1853年3月29日生于英格兰；1937年3月13日卒于美国。

汤姆森五岁上随全家来到美国，1870年毕业于一所尖子学校。他是一位有才华的发明家，一生共取得近七百项发明的专利权，主要是电学和应用辐射学上的发明。交流电机的成功正是汤姆森的发明成果。1890年，他设计出了一种高频发电机。他还成立了一家公司，它后来于1892年和爱迪生的公司共同组建成通用电气公司。三、核电荷的确定1913年，英国物理学家莫斯莱Moseley，系统地研究了用各种元素分别制成阴极所得到的X射线的波长，发现不同元素各有其特征的X射线谱线，得出原子序数与其X射线波长的关系，而原子序数在数值上正好等于该原子的核电荷。这样通过测定元素的特征X射线光谱，就可以确定其核电荷数。莫斯迈莱(妹He驾nr乏y忽Gw定ys墓J够ef纺fr度ey狸s痒Mo依se扫le扮y，算18亦87暂—1匆91逃5)泛，英国桐物理作学家嘴。对迈化学害元素种周期座律及羞周期犁表的来实质性内突容的证研究钟颇有充贡献塘。他利骗用X菠射线兼去研扭究元有素，跪为化转学、害核物叼理学爽和原屡子化学万的发茄展做故出了匠卓越叫的贡痰献并左奠定国了基阿础。第一罗次世孟界大还战期豆间应傻征入原伍，胸年仅窜28打岁的息、极庭有成就惩的莫矩斯莱缴在加略利波膀利的正苏维冻拉湾粪战斗粗中阵鬼亡,幻玉一颗科眠学新丽星从踪蝶此陨桶落。四、呆质子茅的发银现19柿19年，卢瑟妖福Ru购th尝er贩fo直rd用α粒子枝轰击孩氮，彩发现墨氮原劈燕子可捞以放发出一劫个带昨正电枣荷的飞粒子茎，其蛋电量女与电积子相焦等。只由于糊任何霸中性棚原子刊都可议以失拍去一拦个或惜多个租电子捉而成营为带工正电截荷离斜子，雄这就易说明乖每一牙个原葱子的向原子晕核中抖都含盖有一酱个或变多个路正电冬性单袜元—质子简。质子久的发添现，拘还不堵能解猪释除H核以摔外的粗其它抗原子干核的夺问题撕。例伟如：He原子分核内咽含有轨两个振质子兵，而视它的宁质量鲁却是H原子井的4倍。殖这多干出来廉的2倍质坑量又凡是哪例里来维的呢脾？为受此，废卢瑟闹福预招言，垒在原弯子核谦中必金定还距存在乖着一腰种电赠中性剥的粒许子。18逼71径年8淹月3秀0日达生于薪新西连兰纳尔铃逊的膜一个缠手工棋业工债人家庭活。23筐岁时冲获得能了三瞎个学列位（文桌学学句士、炼文学津硕士耻、理学字学士据）。18休95晌年在脸新西迁兰大沙学毕疾业后冬，获得泥英国剑桥视大学的奖文学金调进入卡文织迪许隆实验匠室，成为姐汤姆晓生的帐研究框生。答提出恋了原欲子结根构的能行星躺模型乎，为原遥子结胡构的核研究喇做出尊很大胜的贡除献。科学纳成就穿：1、贩他关长于放到射性枣的研艘究确旷立了误放射趋性是榆发自双原子内部搏的变疯化。布放射从性能圈使一与种原抗子改团变成窗另一艘种原子，很而这巨是一辫般物侮理和升化学凡变化穿所达摊不到完的；士这一扒发现打榜破了珍元素题不会或变化辣的传刘统观疤念，鉴使人春们对漂物质稠结构的目研究扣进入斗到原帆子内今部这郑一新佩的层宫次，沃为开确辟一镰个新的枝科学螺领域方——原子冠物理惹学，做缎了开摧创性砌的工值作。2、斜19迷11闷年，债卢瑟朽福根网据α粒绢子散泥射实寒验现象按提出庙原子核继式结版构模灿型。兵该实洪验被评为淋“物遥理最咏美实摸验”宜之一隆。α粒颂子散夕射实给验3、斤人工财核反瘦应的挨实现爪是卢它瑟福瓜的另放一项临重大田贡献愉。自从漆元素兰的放泥射性冤衰变遗被确萍证以经后，庭人们翠一直斧试图用各照种手嫂段，翁如用显电弧眨放电滔来实然现元尾素的跑人工延衰变，融而只裹有卢骗瑟福消找到岗了实甘现这洞种衰锣变的戏正确丢途径。哲这种爸用粒预子或涛γ射浓线轰馋击原芬子核捉来引辉起核牙反应的方麻法，泄很快跪就成负为人设们研途究原插子核亿和应柱用核姿技术的重愧要手申段。遣在卢单瑟福丑的晚以年，舰他已暮能在摇实验坐室中用人略工加切速的即粒子助来引雀起核倒反应挠。诺贝滴尔奖稠章桃李诱满天顾下：19勒21宵年，诊卢瑟检福的弟助手法索迪获伤诺贝可尔化殊学奖导；19视22锦年，的卢瑟展福的宅学生阿斯堂顿获鬼诺贝风尔化众学奖废；19绩22伴年，腔卢瑟队福的初学生刮玻尔获诺乞贝尔绒物理随奖；19烦27溪年，抓卢瑟册福的何助手默威尔么逊获暂诺贝再尔物调理奖呈；19矿35当年，舟卢瑟屋福的若学生怒查德俱威克电获诺盗贝尔爆物理趁奖；19费48现年，狭卢瑟煤福的惜助手颠布莱影克特幅获诺剪贝尔驳物理处奖；19钉51材年，累卢瑟滥福的浙学生付科克醉拉夫利特和禁瓦耳光顿，共同袋获得耳诺贝委尔物矩理奖乓；19药78饶年，役卢瑟摸福的喊学生痛卡皮穗茨获烤诺贝里尔物罪理奖击。有人宵说，众如果芽世界徐上设蔽立培皱养人坟才的售诺贝珍尔奖金的深话，高那么干卢瑟兵福是黄第一渔号候唱选人隶。五、垫中子能的发弦现19脆23年，卢瑟泛福的之学生艘、美万国物怠理学还家查屋德威盏克Ch驰ad启wi从ck用高孤速α粒子留轰击Be时，偷发现磁了这灰种不着带电铃的粒椒子。衡它的贤质量吹比质镇子的瓶质量尿略大失。中子党的发读现，直上述阶原子火核的亡质量元问题任就解陵决了乎。He核的泻质量何之所地以为H原子紧的两挥倍，抗是因晒为核槽中除龟含有2个质迫子外虫，还序含有2个中庆子的迈缘故片。由于秆上述栗一系腔列的左重大卡发现拐和研荐究，盼人们狮基本谷弄清则了原拍子的桶主要榆组成溉。原富子是绣由电鹅子、攀质子乖和中祖子三愤种基休本粒类子所买组成日。其坐中质耕子和董中子梨靠核指力组伪成原换子核氧，核剪靠静广电引哈力而侦将电愿子束耐缚在脸核外被的一洁定空团间运外动。5.状1傍核及外电迟子运孟动状汤态氢光吨谱和庆玻尔蛙理论低压胁氢气霉放电棍管，统通高碎压电赢流氢任原子驴受激戴发后相发光胃，可询见光错区有述四条寄线状英光谱孕：红橙黄绿青蓝

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波尔以波的微粒性（即能量量子化概念）为基础建立了氢原子模型。

薛定谔等则以微粒波动性为基础建立起原子的波动力学模型。5.粪1.狐3魔波函恨数和拜原子晴轨道1、你波函菜数和馆薛定奋谔方汤程圆周佩运动逝：有标相应攀的数尤学方劣程式世来描储述。两维蔑绳波碧：Y=匙As欢in动θθ秒0绸π士2绞π翻3州π稳4并πY=慰2s供in意θ屑0顿2佣0评-2桂0电子驱运动删：薛敬定谔闭方程洒—表逢示原扒子核潮外空慰间某云点电等子出现湖的几钥率。薛定苗谔(牙E.桌Sc概hrÖdi倍ng酬er姓)方辩程—客—求渔解2、贤波函悄数与膊电子毁云（他原子傻轨道困（函叼））槐图形电子菌并不慨象宏骗观物系体一烈样沿则着一欺定的肝轨道远运动顺，而令是高荡速做塘“毫无扁规律”的婶运动征。照个相：怎么挠办？舌找规变律。浙电炕子云电子磨的几戚率分旧布规荷律：5.仿1.逐4特概率代密度霞和电级子云几率漆分布寒规律批:每个探电子荒的落蹦点是段不确帝定的催，但膛大量盐统计响的结超果是艘确定倾的。算比如赌扔硬接币，谁比如崭容器骑内气嚼体分把子对惊器壁净的碰域撞和长压力稿。表瞒明微薪观粒匠子的徒运动挎是随股机的层，不淋确定蹄的，首但符蒸合几禁率分石布规窝律。原子净中的揉电子否，无瓜法知嫁道他恰的运冻动轨趋道，师无法抱知道据某电兵子某抹时刻惭在什售么地疲方出裕现，劣但可遭以知目道他针在原句子核袋外什射么区脚域出慈现的阶几率汪较大蒸、什垂么区犹域出仰现的攀几率敲较小虹。电子跃云。5.妹1.刮5毁波函隐数的海空间症图象薛定薯谔方孤程→肆解薛馅定谔希方程歪→Ψ=f脆(x求、y甚、z户)Ψ：撕波函限数，抓表示殊电子阅出现超的几馒率，叨对于甩（虚x1、y1、z1），阔相应态的Ψ1值表锅示原坡子核彼外一符点（浑x1、y1、z1）处还电子朋出现贷的几充率大哲小。险但无朽法做韵直观管的的莲图象锦。Ψ禾=f砌(x少、y羽、z亦)→和Ψ统=f草`乒(Υ曾、θ鞠、φ伴)→Ψ=R值（甚Υ销）Y另（件θ、如φ筒）Ψ郑=R签（模Υ眯）Y阁（生θ、晕φ且）Y（觉θ拾、φ典）寸：角烘向分瓶布函技数。R（注Υ虫）鲜：径盾向分户布函坟数。角向矮分布基函数印的图席象即谎是原扩子轨永道（泉函）S、偷P、辈d原迁子轨疫道的从图象5.呜1.魂6叠四个社量子扮数解薛屡定谔旅方程兴必须摧引入察三个孤常数炕，才置有确状定的解。夹例如周Y觉=a役X+替b,矿表示罪一组蔬直线孝，没示有确滴定的摩解或雹图线筑。1.辱主量伐子数宾n（尿表示骑主层良）描述化电子疑层能拦量高动低车和离妹核远相近,昆n越慢大，毙离核越远赌，能棚量越熄高。将同跪一主自量子滩数的互各轨挽道并睛为一颠个电场子层鼻。取值斤：主量押子数仪n碌1冒2工3膊4磨5电子膜层代唉号沿K招L造M屈N伙P由于秤n只矩能取两正整跃数，震所以贤电子糠的能漂量是零分立的槐、不留连续薄的，胁或者奋说能隶量是蛙量子费化的沉。2.废副（鼻角）朗量子骆数L表示劫亚层典，描冈述电矮子的裙运动防状态酱和能蠢量，惩亚层堤确定稼时，朋对应蕉于确仍定形拆状的乓原子农轨道炉，其健取值徒受n柜的制彼约。副（粥角）贫量子屡数L记0吐1瘦2堤3特4兆…格（n凝-1滩）亚层表（原伤子轨荷道符蓝号）晕S凡P波d植f习惯帮上常仰把n相同蹦，L不同怜的状会态称遵为电发子亚会层。一个昨电子烟层可有以分兽为几傅个亚谱层。n值不朋同而L值相短同的瓦原子耽轨道疤和电留子云教的形贝状相同复，只茫是大薪小不叉同而半已，n越大蓄能量秒越高筹；n值相同而L不同寸，则L越大核，能榆量越朋高。n1234（亚层0000s111p22d3f)nL1234（亚层0000s111p22d3f)S枣原子伙轨道晴角度疲分布卫图p原棍子轨般道角社度分例布图d原居子轨迷道丝式角度基分布里图3.将磁量恳子数欺m描述凯原子饥轨道刘的空掉间伸逗展方誓向。愉在通杂常状贞况下距，m相房诚同的平电子抓能量委相同坛。其粉取值摔受L客的制勿约。对同在一亚灶层，慌可以区有几雕个伸辞展方孙向。船如p浆轨道啦，在空间鼓有三慎个伸梅展方牙向，管它们森能量伶相同坛，称焦为等设价轨道吃。对于池一定巡寿的L壳，m析取值粱的个盾数表册示这滚种形蠢状轨道的欺数目帮：0辈±笔1过±2四±3而……爸±LL

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