模型建構(gòu)、解釋及預測系列（2）：原子模型的變遷

在物質(zhì)科學領(lǐng)域（包括科學、物理、化學）中有大量的模型，幫助我們更好地了解科學現(xiàn)象或原理，如原子模型、光的傳播模型、受力模型、化學反應(yīng)模型等。

一、原子模型的變遷

在前面跨學科概念系列文章中已經(jīng)介紹過，早期哲學家提出了原子的概念，認為原子是不可再分割的微粒；1803年道爾頓（Dalton）提出原子的實心小球模型（如圖1），把原子從哲學概念引入化學研究之中。

1.電子的引入

1897年，湯姆森（Thomson）發(fā)現(xiàn)了電子，從而否定了實心小球的原子模型。1904年，湯姆森提出了原子的葡萄干蛋糕模型（如圖2）。葡萄干蛋糕模型可以解釋原子內(nèi)部有電子，以及原子電中性問題。

2.α粒子實驗現(xiàn)象

1911年，盧瑟福（Rutherford）進行α粒子轟擊金箔實驗時，又發(fā)現(xiàn)了新現(xiàn)象：大部分粒子穿過了金箔；而根據(jù)原子的葡萄干蛋糕模型，原子實心部分應(yīng)該把大部分粒子反彈回去（如圖3）。理論與實際現(xiàn)象不符，說明該原子模型存在問題。于是，盧瑟福提出新的類似太陽系的原子模型（如圖4）：原子核類似太陽在中心，電子類似行星繞中心運動。由于原子核特別小，就可以解釋在α粒子轟擊金箔實驗中，大部分α粒子直接穿過了金箔。

3.原子模型的細化

更詳細的研究表明，原子模型中的電子不能像行星圍繞太陽一樣運動，因為根據(jù)麥克斯韋（Maxwell）的電磁學，電子這樣運動會對外輻射電磁波，損失能量，最終撞到原子核上。

同時，科學家發(fā)現(xiàn)氫原子線狀光譜不連續(xù)。1913年，玻爾（Bohr）根據(jù)這一事實，在原子的行星模型基礎(chǔ)上提出了核外電子分層排布的原子結(jié)構(gòu)模型（如圖5）。其核心是：電子不是隨意占據(jù)在原子核的周圍，而是在固定的層面上運動，當電子從一個層面躍遷到另一個層面時，原子便吸收或釋放能量。

玻爾的原子結(jié)構(gòu)模型可以解釋光譜不連續(xù)的現(xiàn)象，也解釋了電子在確定半徑軌道上運動不輻射能量。

根據(jù)量子力學的深入研究，每一層電子軌道的數(shù)量有限制。核外電子排布遵循泡利（Pauli）不相容原理、能量最低原理和洪特（Hund）規(guī)則。洪特規(guī)則表明電子處于全滿、全空、半滿時穩(wěn)定。第1層為最外層時，電子最多2個（He原子），最少1個（H原子）；第2～7層為最外層時，電子最多8個，最少1個，次外層最多18個。如果沒有外界能量輸入，電子會盡可能降低自身能量。能量低的電子在離核較近的區(qū)域運動，能量高的電子在離核較遠的區(qū)域運動。

1916年，愛因斯坦（Einstein）發(fā)表了《關(guān)于輻射的量子理論》一文，首次提出了原子受激輻射的概念，為激光的產(chǎn)生奠定了理論基礎(chǔ)。1960年，在大量科學家的探究研究基礎(chǔ)上，科學家梅曼（Maiman）成功地制造了世界上第一臺激光器。而愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的質(zhì)能方程E=mc2，也為原子能的利用奠定了基礎(chǔ)。

近代的觀點又有了變化，科學家發(fā)現(xiàn)了微觀粒子（包括電子）有波粒二象性，它不像宏觀物體那樣有確定的運動軌道，因此畫不出它的運動軌跡。于是出現(xiàn)了近代的電子云模型，即電子繞核運動形成一個帶負電荷的云團（如圖6），以往原子行星模型中的電子及軌道，可以認為是電子云團的平均統(tǒng)計結(jié)果。

電子云是近代對電子在核外空間分布方式的形象描繪，它表明電子運動并不存在類似行星運動的軌道。我們不能預言它在某一時刻究竟出現(xiàn)在核外空間的哪個地方，只能知道它在某處出現(xiàn)的機會有多少。為此用小點的疏密來表示電子出現(xiàn)的概率：小點密處表示電子出現(xiàn)的概率密度大，小點疏處概率密度小，看上去好像一片帶負電的云狀物籠罩在原子核周圍，因此叫電子云。

這一模型符合物理學家海森堡（Heisenberg）和薛定諤（Schr？dinger）在1926年提出的測不準原理。

二、利用原子模型解釋水的三態(tài)變化

有了原子模型后，就可以解釋不同物質(zhì)是由某些原子組合形成的。例如，水分子就是由一個氧原子（O）與兩個氫原子（H）通過化學鍵（共價鍵）組成的（如圖7）。

水的三態(tài)變化是重要概念。水是自然界重要的物質(zhì)，也是生命存在的必要物質(zhì)。水的三態(tài)變化，屬于物理變化。從微觀層面看，水蒸氣、水和冰中的單個水分子都是相同的。當水分子聚集在一起時，水分子之間產(chǎn)生氫鍵（如圖8，水分子之間的虛線表示氫鍵）。氫鍵是氫原子與電負性大的原子之間特殊的相互作用，比分子間作用力稍強，比共價鍵和離子鍵弱。水的三態(tài)變化從能量角度看是氫鍵的形成或拆開。

水分子之間氫鍵數(shù)量的多少，決定了水蒸氣、水和冰的不同（如圖9）。在冰中，典型的結(jié)構(gòu)單元是四面體結(jié)構(gòu)，各水分子相互間的位置受到氫鍵的約束，從而形成固體；在水中，典型的結(jié)構(gòu)單元是水分子組（由氫鍵結(jié)合在一起的若干水分子），相互之間距離比較近，但還有相對運動的余地；在水蒸氣中，典型的結(jié)構(gòu)單元是水分子，相互之間距離較遠，基本沒有形成氫鍵。

從冰加熱到水再到水蒸氣的過程，是拆開氫鍵的過程：冰（水分子四面體，存在大量氫鍵）加熱拆開部分氫鍵，形成水（水分子組，存在少量氫鍵），繼續(xù)加熱拆開剩余部分氫鍵，形成水蒸氣（分散的水分子，基本不存在氫鍵）。從水蒸氣到水再到冰的過程，則是放熱的過程。

因此，水的三態(tài)變化，從物質(zhì)與能量的角度看，沒有新的物質(zhì)產(chǎn)生，只是水分子之間距離的不同，氫鍵的形成和拆開導致能量發(fā)生變化。

三、利用原子模型解釋化學變化

原子中外圍電子的能量相對較小，化學反應(yīng)本質(zhì)就是不同原子交換、重組外圍電子，產(chǎn)生新物質(zhì)，同時達到能量更穩(wěn)定的狀態(tài)。

從電子分布和能量的角度，就容易理解元素周期表中元素的性質(zhì)。按列來看，第1列元素外圍只有1個電子，很活躍，其中氫比較特殊，雖然只有1個電子，但根據(jù)洪特規(guī)則屬于半滿狀態(tài)，比較穩(wěn)定。最后1列元素外圍有2或8個電子，屬于全滿狀態(tài)，穩(wěn)定，該列元素被稱為惰性氣體。

1.化學反應(yīng)的實質(zhì)

由此容易理解，化學反應(yīng)的實質(zhì)是原子外圍電子的交換重組，以達到更穩(wěn)定的狀態(tài)。例如，通常最外層有8個電子屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，因此鈉（外圍1個電子）與氯（外圍7個電子）都不穩(wěn)定（宏觀上表現(xiàn)為化學性質(zhì)活潑，容易發(fā)生反應(yīng)），鈉與氯反應(yīng)形成離子鍵后，鈉離子與氯離子兩者外圍都是8個電子，就穩(wěn)定了（如圖10）。

2.化學反應(yīng)的符號體系模型

模型可以是實物，也可以是對系統(tǒng)的抽象，關(guān)鍵是反映系統(tǒng)本質(zhì)或特征，集中體現(xiàn)系統(tǒng)主要因素之間的關(guān)系。可以想象，類似圖9表示的化學反應(yīng)示意圖很直觀，但是畫起來很費時間，因此用更簡單的表示方法也是必要的。

愛因斯坦認為，科學的產(chǎn)生必須要滿足兩個必要條件，一個是形式邏輯體系，再一個是系統(tǒng)性實驗。形式邏輯就與符號和推理有關(guān)。1690年，哲學家洛克（Locke）在《人類理解論》中開宗明義指出，他的目的就是探討人類知識的起源、確定性和范圍，以及信念、意見和同意的各種根據(jù)和程度。他將所有學科分為三類（觀念、概念、知識），其中就涉及符號。萊布尼茨（Leibniz）曾經(jīng)主張用符號語言代替自然語言，建立有規(guī)則的符號系統(tǒng)。

在化學反應(yīng)中，以前面的鈉與氯的反應(yīng)為例，既可以用形象的圖形表示化學反應(yīng)（如圖10），也可以用更抽象的符號表示化學反應(yīng)。

其中Na表示鈉，這里有一個歷史背景：鈉的元素名Sodium來自碳酸鈉，即蘇打（Soda），因為第一次得到鈉是通過電解熔融的氫氧化鈉，而鈉的元素符號Na（Natrium）源自一個古老的拉丁文詞匯Nitre（也有說更早是源自希臘語的Nitron），原意也是碳酸鈉；Cl表示氯，Cl2表示是2個氯原子組成的氯氣分子。可以看出，采用符號體系表示化學反應(yīng)更為方便。

注意，上述反應(yīng)方程也是模型，是鈉與氯實際化學反應(yīng)的簡化表示。化學反應(yīng)是系統(tǒng)中各種成分的相互作用，化學反應(yīng)方程式是這種作用的模型。各種物質(zhì)及反應(yīng)本身是一個系統(tǒng)，包括反應(yīng)的條件、參與反應(yīng)的元素種類、反應(yīng)的生成物，以及質(zhì)量、能量等變化關(guān)系。這一系統(tǒng)可以利用化學反應(yīng)方程式來統(tǒng)一表示，是一種抽象的模型。抽象性是認識進入更高層次時的特點之一。利用符號體系表征系統(tǒng)、抽象模型的理解不直觀，但是便于后續(xù)進行演繹推理。

化學反應(yīng)方程式反映了化學反應(yīng)的客觀事實，其中涉及了符號體系、數(shù)量關(guān)系、物質(zhì)守恒等要素，是人類思維對化學反應(yīng)認識的反映。

（作者：清華大學航天航空學院教授，義務(wù)教育科學課程標準修訂組成員，“天宮課堂”策劃人）