什麼是原子模型？概念、類型、範例、演化歷史和特徵

我們將解釋什麼是原子模型，有哪些類型，以及總共有多少種，我們也會介紹原子模型從古代到現代的演化歷史和特徵。

什麼是原子模型？

原子模型是原子結構和功能的各種圖形表示。它們是在歷史發展過程中，根據當時人們對物質組成的認知而逐步形成的。

最重要的原子模型如下：

• 德謨克利特的原子模型

• 道爾頓原子模型

• 湯姆遜原子模型

• 路易斯原子模型

• 盧瑟福原子模型

• 玻爾原子模型

• 索末菲原子模型

• 薛丁格的原子模型

• 目前原子模型

最早的原子模型可以追溯到古典時代，當時哲學家和博物學家開始思考和推論現有事物的組成，也就是物質的組成。

另見：原子

德謨克利特的原子模型（西元前450年）

「宇宙原子論」是由古希臘哲學家德謨克利特和他的導師留基伯共同創立的。當時，知識並非透過實驗獲得，而是基於思想的建構和辯論，透過邏輯推理得出的。

德謨克利特認為，世界是由非常小且不可分割的粒子組成的，這些粒子具有永恆的存在，是同質的且不可壓縮的，它們之間的唯一區別在於形狀和大小，而內部功能則完全不同。

根據德謨克利特的理論，物質的性質是由原子排列方式決定的。後來的哲學家，如伊比鳩魯，又將原子的隨機運動加入這個理論。

更多內容：德謨克利特的原子模型

道爾頓原子模型（1803年）

道爾頓原子模型是第一個具有科學依據的原子模型，由約翰·道爾頓在其著作《原子假設》中提出，該假設指出：

• 萬物皆由原子構成，原子是不可分割、不可摧毀的。

• 同一種化學元素的原子彼此相同，具有相同的質量和性質。

• 原子量是指每種元素相對於氫的質量。

• 原子不會分裂，即使在參與化學反應時也不會分裂。

• 當兩種或兩種以上化學元素的原子結合時，就會形成化合物。

• 原子以簡單的比例結合形成化合物。

• 不同化學元素的原子可以以不同的方式結合，形成不同的化合物。

道爾頓的理論存在一些錯誤。它認為化合物是由組成該化合物的元素的原子數量最少的原子所構成的。

例如，根據道爾頓的說法，水分子應該是HO，而不是H₂O ，而H₂O才是正確的化學式。此外，他還聲稱氣態元素總是單原子的（由單個原子組成），這是不正確的，因為分子氧（一種氣體）是由兩個氧原子（O₂ ）組成的。

更多內容：道爾頓原子模型

湯姆遜原子模型（1897）

湯姆遜原子模型由 1897 年發現電子的 JJ 湯姆遜提出，早於質子和中子的發現，因此它假設原子是由一個帶正電荷的球體構成，帶負電荷的電子嵌入其中，就像布丁裡的梅子一樣，這就是為什麼它被稱為“梅子佈丁模型”。

這個模型錯誤地預測了原子中的正電荷，認為正電荷分佈在整個原子中。後來盧瑟福的模型修正了這個錯誤，並定義了原子核。

更多內容：湯姆遜原子模型

路易斯原子模型（1902年）

路易斯原子模型又稱“立方原子模型”，它將原子結構描述為一個立方體，電子位於立方體的八個頂點上。這個模型促進了原子價和化學鍵的研究，尤其是在歐文·朗繆爾於1919年對其進行更新，提出“立方八隅體原子”之後。

這些研究奠定瞭如今我們所知的路易斯結構式的基礎。路易斯結構式表明，在分子中，電子用點表示，共價鍵以虛線或直線表示。該圖是解釋共價化學鍵的有效工具。

更多內容：路易斯原子模型

盧瑟福原子模型（1911年）

1911年，歐內斯特·盧瑟福利以金箔進行了一系列實驗。在這些實驗中，他確定原子由帶正電荷的原子核（原子的大部分質量集中在原子核中）和圍繞原子核運行的電子組成。

該模型首次提出了原子核的存在。

更多內容：盧瑟福原子模型

玻爾原子模型（1913年）

玻爾原子模型開啟了物理學的量子力學時代，標誌著經典力學向量子力學的過渡。丹麥物理學家尼爾斯·玻爾提出這個模型，旨在解釋電子如何在原子核周圍擁有穩定的軌道（或穩定的能階）。它還解釋了原子為何具有特徵發射光譜。

對許多原子的光譜分析表明，同一能階上的電子具有不同的能量。這表示模型存在誤差，且每個能階內必然存在能階亞層。

玻爾模型可以概括為三個基本假設：

• 電子圍繞原子核做圓週運動，不輻射能量。

• 電子所允許的軌道是角動量 (L)（物體旋轉量）為該值的整數倍的軌道。

ℏ=h/2π
其中h = 6.626 070 15 × 10 -34且 𝜋 = 3.1416。

• 電子從一個允許的軌道躍遷到另一個允許的軌道時會釋放或吸收能量，在此過程中，它們會釋放一個光子，該光子代表兩個軌道之間的能量差。

更多內容：玻爾原子模型

索末菲的原子模型 (1916)

阿諾德·索末菲提出了這個模型，試圖彌補玻爾模型的不足，特別是修正玻爾關於電子描述圓形軌道的假設。

索末菲的模型部分是基於阿爾伯特·愛因斯坦的相對論假設。

此模型的基本假設是：

• 電子圍繞原子核做圓形或橢圓形軌道運動。

• 原子核的每個能階內還包含多個能階。

• 電子代表著微小的電流。

更多內容：索末菲原子模型

薛丁格的原子模型（1926年）

薛丁格原子模型是埃爾溫·薛定諤根據玻爾和索末菲的研究提出的，它將電子視為物質波，這使得馬克斯·玻恩隨後能夠對波函數（描述在空間中找到粒子的機率的量）進行機率解釋。

這意味著你可以機率性地研究電子的位置或動量，但不能同時研究兩者，這是由於海森堡不確定性原理所致。

這是21世紀初使用的原子模型，後來又做了一些補充。它被稱為“波量子模型”。

即便如此，這種模式也存在一些缺陷，例如：

• 薛丁格方程式沒有考慮電子自旋（基本粒子的固有角動量）。

• 它沒有考慮高速電子的相對論性效應。

• 它無法解釋為什麼高能階的電子會衰變到低能階。

更多內容：薛丁格原子模型

目前原子模型

目前用於表示原子結構和性質的原子模型是在非相對論量子力學框架內建構的，它基於薛丁格提出的模型、電子自旋和泡利不相容原理，該原理指出沒有兩個電子的四個量子數可以相等。

在目前的原子模型中，電子被視為物質波。圍繞著原子核，電子分佈在稱為原子軌道的區域內，原子軌道被定義為電子最有可能出現在原子核周圍的區域。此外，在該模型中，電子的能量和角動量並非任意值，而只能取允許的值；因此，它們被認為是量子化的。

利用薛丁格方程，可以預測與電子相關的能量和角動量值，而相關波函數的平方則決定了原子軌道。

目前原子模型的一些基本假設包括：

• 電子由其自旋、質量和負電荷來表示。

• 電子具有波粒二象性。

• 電子的活動區域由波函數決定，其平方表示在原子核周圍找到電子的機率。

• 同一個能階，由量子數 n（主量子數）、l（方位角量子數）和 m（磁量子數）表示，只能被兩個自旋相反的電子佔據。自旋是第四個量子數。

這或許會有幫助：原子結構

不同原子模型的比較

原子模型隨著時間的推移而不斷發展，新的模型是在對先前模型進行修正的基礎上開發的。