模型建构、解释及预测系列（2）：原子模型的变迁

在物质科学领域（包括科学、物理、化学）中有大量的模型，帮助我们更好地了解科学现象或原理，如原子模型、光的传播模型、受力模型、化学反应模型等。

一、原子模型的变迁

在前面跨学科概念系列文章中已经介绍过，早期哲学家提出了原子的概念，认为原子是不可再分割的微粒；1803年道尔顿（Dalton）提出原子的实心小球模型（如图1），把原子从哲学概念引入化学研究之中。

1.电子的引入

1897年，汤姆森（Thomson）发现了电子，从而否定了实心小球的原子模型。1904年，汤姆森提出了原子的葡萄干蛋糕模型（如图2）。葡萄干蛋糕模型可以解释原子内部有电子，以及原子电中性问题。

2.α粒子实验现象

1911年，卢瑟福（Rutherford）进行α粒子轰击金箔实验时，又发现了新现象：大部分粒子穿过了金箔；而根据原子的葡萄干蛋糕模型，原子实心部分应该把大部分粒子反弹回去（如图3）。理论与实际现象不符，说明该原子模型存在问题。于是，卢瑟福提出新的类似太阳系的原子模型（如图4）：原子核类似太阳在中心，电子类似行星绕中心运动。由于原子核特别小，就可以解释在α粒子轰击金箔实验中，大部分α粒子直接穿过了金箔。

3.原子模型的细化

更详细的研究表明，原子模型中的电子不能像行星围绕太阳一样运动，因为根据麦克斯韦（Maxwell）的电磁学，电子这样运动会对外辐射电磁波，损失能量，最终撞到原子核上。

同时，科学家发现氢原子线状光谱不连续。1913年，玻尔（Bohr）根据这一事实，在原子的行星模型基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型（如图5）。其核心是：电子不是随意占据在原子核的周围，而是在固定的层面上运动，当电子从一个层面跃迁到另一个层面时，原子便吸收或释放能量。

玻尔的原子结构模型可以解释光谱不连续的现象，也解释了电子在确定半径轨道上运动不辐射能量。

根据量子力学的深入研究，每一层电子轨道的数量有限制。核外电子排布遵循泡利（Pauli）不相容原理、能量最低原理和洪特（Hund）规则。洪特规则表明电子处于全满、全空、半满时稳定。第1层为最外层时，电子最多2个（He原子），最少1个（H原子）；第2～7层为最外层时，电子最多8个，最少1个，次外层最多18个。如果没有外界能量输入，电子会尽可能降低自身能量。能量低的电子在离核较近的区域运动，能量高的电子在离核较远的区域运动。

1916年，爱因斯坦（Einstein）发表了《关于辐射的量子理论》一文，首次提出了原子受激辐射的概念，为激光的产生奠定了理论基础。1960年，在大量科学家的探究研究基础上，科学家梅曼（Maiman）成功地制造了世界上第一台激光器。而爱因斯坦发现的质能方程E=mc2，也为原子能的利用奠定了基础。

近代的观点又有了变化，科学家发现了微观粒子（包括电子）有波粒二象性，它不像宏观物体那样有确定的运动轨道，因此画不出它的运动轨迹。于是出现了近代的电子云模型，即电子绕核运动形成一个带负电荷的云团（如图6），以往原子行星模型中的电子及轨道，可以认为是电子云团的平均统计结果。

电子云是近代对电子在核外空间分布方式的形象描绘，它表明电子运动并不存在类似行星运动的轨道。我们不能预言它在某一时刻究竟出现在核外空间的哪个地方，只能知道它在某处出现的机会有多少。为此用小点的疏密来表示电子出现的概率：小点密处表示电子出现的概率密度大，小点疏处概率密度小，看上去好像一片带负电的云状物笼罩在原子核周围，因此叫电子云。

这一模型符合物理学家海森堡（Heisenberg）和薛定谔（Schr？dinger）在1926年提出的测不准原理。

二、利用原子模型解释水的三态变化

有了原子模型后，就可以解释不同物质是由某些原子组合形成的。例如，水分子就是由一个氧原子（O）与两个氢原子（H）通过化学键（共价键）组成的（如图7）。

水的三态变化是重要概念。水是自然界重要的物质，也是生命存在的必要物质。水的三态变化，属于物理变化。从微观层面看，水蒸气、水和冰中的单个水分子都是相同的。当水分子聚集在一起时，水分子之间产生氢键（如图8，水分子之间的虚线表示氢键）。氢键是氢原子与电负性大的原子之间特殊的相互作用，比分子间作用力稍强，比共价键和离子键弱。水的三态变化从能量角度看是氢键的形成或拆开。

水分子之间氢键数量的多少，决定了水蒸气、水和冰的不同（如图9）。在冰中，典型的结构单元是四面体结构，各水分子相互间的位置受到氢键的约束，从而形成固体；在水中，典型的结构单元是水分子组（由氢键结合在一起的若干水分子），相互之间距离比较近，但还有相对运动的余地；在水蒸气中，典型的结构单元是水分子，相互之间距离较远，基本没有形成氢键。

从冰加热到水再到水蒸气的过程，是拆开氢键的过程：冰（水分子四面体，存在大量氢键）加热拆开部分氢键，形成水（水分子组，存在少量氢键），继续加热拆开剩余部分氢键，形成水蒸气（分散的水分子，基本不存在氢键）。从水蒸气到水再到冰的过程，则是放热的过程。

因此，水的三态变化，从物质与能量的角度看，没有新的物质产生，只是水分子之间距离的不同，氢键的形成和拆开导致能量发生变化。

三、利用原子模型解释化学变化

原子中外围电子的能量相对较小，化学反应本质就是不同原子交换、重组外围电子，产生新物质，同时达到能量更稳定的状态。

从电子分布和能量的角度，就容易理解元素周期表中元素的性质。按列来看，第1列元素外围只有1个电子，很活跃，其中氢比较特殊，虽然只有1个电子，但根据洪特规则属于半满状态，比较稳定。最后1列元素外围有2或8个电子，属于全满状态，稳定，该列元素被称为惰性气体。

1.化学反应的实质

由此容易理解，化学反应的实质是原子外围电子的交换重组，以达到更稳定的状态。例如，通常最外层有8个电子属于稳定结构，因此钠（外围1个电子）与氯（外围7个电子）都不稳定（宏观上表现为化学性质活泼，容易发生反应），钠与氯反应形成离子键后，钠离子与氯离子两者外围都是8个电子，就稳定了（如图10）。

2.化学反应的符号体系模型

模型可以是实物，也可以是对系统的抽象，关键是反映系统本质或特征，集中体现系统主要因素之间的关系。可以想象，类似图9表示的化学反应示意图很直观，但是画起来很费时间，因此用更简单的表示方法也是必要的。

爱因斯坦认为，科学的产生必须要满足两个必要条件，一个是形式逻辑体系，再一个是系统性实验。形式逻辑就与符号和推理有关。1690年，哲学家洛克（Locke）在《人类理解论》中开宗明义指出，他的目的就是探讨人类知识的起源、确定性和范围，以及信念、意见和同意的各种根据和程度。他将所有学科分为三类（观念、概念、知识），其中就涉及符号。莱布尼茨（Leibniz）曾经主张用符号语言代替自然语言，建立有规则的符号系统。

在化学反应中，以前面的钠与氯的反应为例，既可以用形象的图形表示化学反应（如图10），也可以用更抽象的符号表示化学反应。

其中Na表示钠，这里有一个历史背景：钠的元素名Sodium来自碳酸钠，即苏打（Soda），因为第一次得到钠是通过电解熔融的氢氧化钠，而钠的元素符号Na（Natrium）源自一个古老的拉丁文词汇Nitre（也有说更早是源自希腊语的Nitron），原意也是碳酸钠；Cl表示氯，Cl2表示是2个氯原子组成的氯气分子。可以看出，采用符号体系表示化学反应更为方便。

注意，上述反应方程也是模型，是钠与氯实际化学反应的简化表示。化学反应是系统中各种成分的相互作用，化学反应方程式是这种作用的模型。各种物质及反应本身是一个系统，包括反应的条件、参与反应的元素种类、反应的生成物，以及质量、能量等变化关系。这一系统可以利用化学反应方程式来统一表示，是一种抽象的模型。抽象性是认识进入更高层次时的特点之一。利用符号体系表征系统、抽象模型的理解不直观，但是便于后续进行演绎推理。

化学反应方程式反映了化学反应的客观事实，其中涉及了符号体系、数量关系、物质守恒等要素，是人类思维对化学反应认识的反映。

（作者：清华大学航天航空学院教授，义务教育科学课程标准修订组成员，“天宫课堂”策划人）