其示意图如图1.1所示。 电子 Q O: ⊙ 正电荷 图1、1汤姆逊崸子模开 这个模型由于同一些实验结果,例如卢瑟福(E.Ru ther ford)做的a粒子在金属箔上的散射实验结果相矛盾, 所以很快就被放弃了。 1911年卢瑟福根据实验结果提出了原子的核式模型 c 309 =90° 图1.2卢瑟福散射实验
a粒子是从某些放射性核素中发射出来的高速带电粒 子,它的质量比电子的质量大7300多倍,它带两个单位的 正电荷。卢瑟福用a粒子去轰击金属箔时,穿过金属箔的a 粒子由于受金属原子内正电荷的作用而偏离了原来的运动方 向,即发生了散射。卢瑟福散射实验如图1.2 a源为发射a粒子的放射源,发射出来的a粒子经一细 的孔道后,近似成一乎行束,然后打在金属箔F上。S为用 硫化锌制成的荧光屏,a粒子打在上面时它可以发生闪光, 用闪光显微镜M观察闪光,M及S可以在圆弧上移动,从 而实现对向各个方向散射的a粒子的观察。 重原子 薄箔 图13a粒子在金属箔上被原子核散射示意图 ①-a粒子通过金属笔时未发生偏转或小角度偏转(大多数 α粒子偏转情况如此); ②,③,⑤,⑥一a粒子比较接近原子核时,受到不同程度的偏 ④-a粒子几乎与金属箔中原子核发生对头碰撞时被反向散射 回来
卢瑟福发现;大多数a粒子经过金属箔F后散射角0不 大,平均为2°-3°。但有少数a粒子的散射角8>90°,个别 a粒子的散射角甚至接近180°,即a粒子从相反方向被弹回 来。由于a粒子质最比电子的大7300多倍,它与金属原子 中电子碰撞时不可能产生大角度偏转而在汤姆逊原子模型 中,正电荷均勾地分布在原子中,当a粒子通过原子时,与a 粒子作用的有效电荷很少,所以也不可能使a粒子产生大角 散射。因此,从a粒子散射实验得出的结论是:原子内的正 电荷应当集中在一起,构成一个核心即原子核。当a粒子射 向这种几乎是点电荷的原子核时,才有可能产生大角散射, 这种散射过程如图1.3所示。 根据这一实验结果,卢瑟福提出了原子的核式模型。他 在核式模型中提出:原子中央是带正电的原子核,电子在核 外围绕核运动由于电子质量很小(m=9.10953×10kg), 所以原子的质量基本上集中于原子核。1913年盖革(H Geiger)和马斯顿(E. Marsden)进一步指出,某元素原 子核的正电荷数等于门捷列夫周期表中该元素的原子序数。 2.玻尔假设与原子能级 卢瑟福所提出的原子的核式模型,虽然肯定了核的存在, 对原子物理学的发展起了重大作用,但这个模型仍然是粗糙 的,没有说明原子核外边的电子情况,而且与经典电动力学 理论相矛盾。按照经典电动力学理论,围绕原子核运动的电 子必定要有加速度,因此它应自动地、不断地放出辐射,从 而能量逐渐减少,电子逐渐接近原子核,最后落在核上,这 样导致原子是一个不稳定系统。另一方面,电子发射出来的 辐射,其频率应等于电子围绕核运动的频率,由于电子能量
逐渐减少,因而辐射的频率也将逐渐地改变,故原子发射的 光谱应当是连续光谱。以上这弱个结论都与实验事实不符。 事实上原子是一个稳定体系,它发射的光谱是线状光谱已为 许多实验所证实。这说明由研究宏观现象所建立起来的经典 理论,不能完全应用于微观领城。1913年玻尔(N.Bohr) 基于原子的核式模型并结合原子光谱的经验规律和普朗克 M. Planck)的量子概念,提出了关于原子结构的新假 设。玻尔假设: 原子只能较长久地停留在一些不连续的稳定状态,与这 些稳定状态相应的能量分别为E1、E2、E3…。处于这些 稳定状态的电子虽然有加速度,但不会放出辐射。一切原子 能量的改变,都是由于吸收或放出辐射或者由于碰撞的结果, 使原子从一个稳定状态跃迁到另一个稳定状态,而不能任意 连续地跃迁。 原子从能量为En的稳定状态跃迁到能是为Em的稳定 状态时,它放出(或吸收)单色的辐射,其辐射频率为yn,m 1nm由下列关系式决定x hPm=E,-E (1.1) 式中,h一普朗克常数。 h=6.626×10-34J·s(焦·秒) 1.1)式又称为玻尔频率条件。 根据玻尔理论,原子的能量具有-系列不连续的值,原 子只能处于这一系列间断的能量状态中。原子能量的这些不 连续值称为原子的能级。图1,4绘出了氢原子的能级图。 图中每一条横线代表一个能级,横线间的距离表示能级 的间隔,亦即能量差别。每个能级与电子一定运动轨道相对
日 2 帕邢系 巴尔系 3 5 5 -3.53 赖曼系 图1.4氢原子能级 应,这种对应关系以量子数n表示。从图1,4中我们可以看 到E,所处的位置最低,它对应于#=1,这种能态称为氢原 子的基态。原子若受到外界作用,如适当频率的光照射,它 因吸收光子而使电子从某一轨道跳到另一轨道,这时则说原 子发生了跃迁比基态高的能态,它们的量子数n=2、3…… 这些能态统称为激发态。图1.4中用连接两个能级的箭头表