形形色色的原子模型
——原子結構的探索過程
|行星結構模型|中性模型|實心帶電球模型|葡萄幹蛋糕模型|土星模型|太陽系模型|玻爾模型|
從英國化學家和物理學家道爾頓（J.John Dalton ，1766～1844）（右圖）創立原子學說以後，很長時間內人們都認為原子就像壹個小得不能再小的玻璃實心球，裏面再也沒有什麽花樣了。
從1869年德國科學家希托夫發現陰極射線以後，克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等壹大批人科學家研究了陰極射線，歷時二十余年。最終，湯姆遜（Joseph John Thomson）發現了電子的存在(請瀏覽科技園地“神秘的綠色熒光”)。通常情況下，原子是不帶電的，既然從原子中能跑出比它質量小1700倍的帶負電電子來，這說明原子內部還有結構，也說明原子裏還存在帶正電的東西，它們應和電子所帶的負電中和，使原子呈中性。
原子中除電子外還有什麽東西? 電子是怎麽待在原子裏的? 原子中什麽東西帶正電荷? 正電荷是如何分布的? 帶負電的電子和帶正電的東西是怎樣相互作用的? 壹大堆新問題擺在物理學家面前。根據科學實踐和當時的實驗觀測結果，物理學家發揮了他們豐富的想象力，提出了各種不同的原子模型。
行星結構原子模型
1901年法國物理學家佩蘭（Jean Baptiste Perrin，1870-1942）（左圖）提出的結構模型，認為原子的中心是壹些帶正電的粒子，外圍是壹些繞轉著的電子，電子繞轉的周期對應於原子發射的光譜線頻率，最外層的電子拋出就發射陰極射線。
中性原子模型
1902年德國物理學家勒納德（Philipp Edward Anton Lenard，1862—1947）（右圖）提出了中性微粒動力子模型。勒納德早期的觀察表明，陰極射線能通過真空管內鋁窗而至管外。根據這種觀察，他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰極射線能通過數千個原子。按照當時盛行的半唯物主義者的看法，原子的大部分體積是空無所有的空間，而剛性物質大約僅為其全部的10－9（即十萬萬分之壹）。勒納德設想“剛性物質”是散處於原子內部空間裏的若幹陽電和陰電的合成體。
實心帶電球原子模型
英國著名物理學家、發明家開爾文(Lord Kelvin，1824～1907 )（左圖）原名W.湯姆孫（William Thomson），由於裝設第壹條大西洋海底電纜有功，英政府於1866年封他為爵士，並於1892年晉升為開爾文勛爵，開始用開爾文這個名字。開爾文研究範圍廣泛，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理、數學、工程應用等方面都做出了貢獻。他壹生發表論文多達600余篇，取得70種發明專利，他在當時科學界享有極高的名望。開爾文1902年提出了實心帶電球原子模型，就是把原子看成是均勻帶正電的球體，裏面埋藏著帶負電的電子，正常狀態下處於靜電平衡。這個模型後由J.J.湯姆孫加以發展，後來通稱湯姆孫原子模型。
葡萄幹蛋糕模型
湯姆遜（Joseph John Thomson，1856-1940）（右圖）繼續進行更有系統的研究，嘗試來描繪原子結構。湯姆遜以為原子含有壹個均勻的陽電球，若幹陰性電子在這個球體內運行。他按照邁耶爾（Alfred Mayer）關於浮置磁體平衡的研究證明，如果電子的數目不超過某壹限度，則這些運行的電子所成的壹個環必能穩定。如果電子的數目超過這壹限度，則將列成兩環，如此類捱以至多環。這樣，電子的增多就造成了結構上呈周期的相似性，而門得列耶夫周期表中物理性質和化學性質的重復再現，或許也可得著解釋了。
湯姆遜提出的這個模型，電子分布在球體中很有點像葡萄幹點綴在壹塊蛋糕裏，很多人把湯姆遜的原子模型稱為“葡萄幹蛋糕模型”。它不僅能解釋原子為什麽是電中性的，電子在原子裏是怎樣分布的，而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線的照射下能發出電子的現象。而且根據這個模型還能估算出原子的大小約10-8厘米，這是件了不起的事情，正由於湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學家所接受。
土星模型
日本物理學家長岡半太郎(Nagaoka Hantaro，1865-1950)1903年12月5日在東京數學物理學會上口頭發表，並於1904年分別在日、英、德的雜誌上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動》的論文。他批評了湯姆生的模型，認為正負電不能相互滲透，提出壹種他稱之為“土星模型”的結構——即圍繞帶正電的核心有電子環轉動的原子模型。壹個大質量的帶正電的球，外圍有壹圈等間隔分布著的電子以同樣的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發射線光譜，垂直於環面的振動則發射帶光譜，環上的電子飛出是β射線，中心球的正電粒子飛出是α射線。
這個土星式模型對他後來建立原子有核模型很有影響。1905年他從α粒子的電荷質量比值的測量等實驗結果分析，α粒子就是氦離子。
1908年，瑞士科學家裏茲（Leeds）提出磁原子模型。
他們的模型在壹定程度上都能解釋當時的壹些實驗事實，但不能解釋以後出現的很多新的實驗結果，所以都沒有得到進壹步的發展。數年後，湯姆遜的“葡萄幹蛋糕模型”被自己的學生盧瑟福推翻了。
太陽系模型——有核原子模型
英國物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年來到英國卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學習，成為湯姆遜第壹位來自海外的研究生。盧瑟福好學勤奮，在湯姆遜的指導下，盧瑟福在做他的第壹個實驗——放射性吸收實驗時發現了α射線。
盧瑟福設計的巧妙的實驗，他把鈾、鐳等放射性元素放在壹個鉛制的容器裏，在鉛容器上只留壹個小孔。由於鉛能擋住放射線，所以只有壹小部分射線從小孔中射出來，成壹束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了壹塊很強的磁鐵，結果發現有壹種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向壹邊，但偏轉得不厲害。第三種射線偏轉得很厲害。
盧瑟福在放射線的前進方向放不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第壹種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，壹般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，稱為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向壹邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用壹張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發現的α射線。第三種射線由偏轉方向斷定是帶負電的，性質同快速運動的電子壹樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發現的α射線特別感興趣。他經過深入細致的研究後指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子。
“計數管”是來自德國的學生漢斯·蓋革（Hans Geiger，1882-1945)）發明的，可用來測量肉眼看不見的帶電微粒。當帶電微粒穿過計數管時，計數管就發出壹個電訊號，將這個電訊號連到報警器上，儀器就會發出“哢嚓”壹響，指示燈也會亮壹下。看不見摸不著的射線就可以用非常簡單的儀器記錄測量了。人們把這個儀器稱為蓋革計數管。藉助於蓋革計數管，盧瑟福所領導的曼徹斯特實驗室對α粒子性質的研究得到了迅速的發展。
1910年馬斯登（E.Marsden，1889-1970）來到曼徹斯特大學，盧瑟福讓他用α粒子去轟擊金箔，做練習實驗，利用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。按照湯姆遜的葡萄幹蛋糕模型，質量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質中，而α粒子是失去兩個電子的氮原子，它的質量要比電子大幾千倍。當這樣壹顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到壹點阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔後稍微改變壹下前進的方向而已。這類實驗，盧瑟福和蓋革已經做過多次，他們的觀測結果和湯姆遜的葡萄幹蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小。
馬斯登（左圖）和蓋革又重復著這個已經做過多次的實驗，奇跡出現了!他們不僅觀察到了散射的α粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。在盧瑟福晚年的壹次演講中曾描述過當時的情景，他說：“我記得兩三天後，蓋革非常激動地來到我這裏，說：‘我們得到了壹些反射回來的α粒子......’，這是我壹生中最不可思議的事件。這就像妳對著卷煙紙射出壹顆15英寸的炮彈，卻被反射回來的炮彈擊中壹樣地不可思議。經過思考之後，我認識到這種反向散射只能是單次碰撞的結果。經過計算我看到，如果不考慮原子質量絕大部分都集中在壹個很小的核中，那是不可能得到這個數量級的。”
盧瑟福所說的“經過思考以後”，不是思考壹天、二天，而是思考了整整壹、二年的時間。在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮後，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。
盧瑟福檢驗了在他學生的實驗中反射回來的確是α粒子後，又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數。測量表明，在他們的實驗條件下，每入射八千個α粒子就有壹個α粒子被反射回來。用湯姆遜的實心帶電球原子模型和帶電粒子的散射理論只能解釋α粒子的小角散射，但對大角度散射無法解釋。多次散射可以得到大角度的散射，但計算結果表明，多次散射的幾率極其微小，和上述八千個α粒子就有壹個反射回來的觀察結果相差太遠。
湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經過仔細的計算和比較，發現只有假設正電荷都集中在壹個很小的區域內，α粒子穿過單個原子時，才有可能發生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的壹個很小的核內。在這個假設的基礎上，盧瑟福進壹步計算了α散射時的壹些規律，並且作了壹些推論。這些推論很快就被蓋革和馬斯登的壹系列漂亮的實驗所證實。
盧瑟福提出的原子模型像壹個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質集中在壹個很小的核心上，而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去（左圖）。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了壹篇著名的論文《物質對α和β粒子的散射及原理結構》。
盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展立下了不朽的功勛。然而，在當時很長的壹段時間內，盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩定性的困難而未獲成功。因此，當盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學家都把它看作是壹種猜想，或者是形形色色的模型中的壹種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。
盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時，他又有十分嚴謹的科學態度，他從實驗事實出發作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進壹步的研究和發展。他在論文的壹開頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。”當年他在給朋友的信中也說：“希望在壹、二年內能對原子構造說出壹些更明確的見解。”
玻爾模型
盧瑟福的理論吸引了壹位來自丹麥的年輕人，他的名字叫尼·玻爾(Niels Bohr，1885-1962)（左圖），在盧瑟福模型的基礎上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結構的穩定性問題，描繪出了完整而令人信服的原子結構學說。
玻爾出生在哥本哈根的壹個教授家庭，1911年獲哥本哈根大學博士學位。1912年3-7月曾在盧瑟福的實驗室進修，在這期間孕育了他的原子理論。玻爾首先把普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量，來解決盧瑟福原子模型在穩定性方面的困難，假定原子只能通過分立的能量子來改變它的能量，即原子只能處在分立的定態之中，而且最低的定態就是原子的正常態。接著他在友人漢森的啟發下從光譜線的組合定律達到定態躍遷的概念，他在1913年7、9和11月發表了長篇論文《論原子構造和分子構造》的三個部分。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在壹些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量，只有當電子從壹個軌道躍遷到另壹個軌道時原子才發射或吸收能量，而且發射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關系由 E＝hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。
玻爾的理論大大擴展了量子論的影響，加速了量子論的發展。1915年，德國物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868-1951）把玻爾的原子理論推廣到包括橢圓軌道，並考慮了電子的質量隨其速度而變化的狹義相對論效應，導出光譜的精細結構同實驗相符。
1916年，愛因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）從玻爾的原子理論出發用統計的方法分析了物質的吸收和發射輻射的過程，導出了普朗克輻射定律（左圖為玻爾和愛因斯坦）。愛因斯坦的這壹工作綜合了量子論第壹階段的成就，把普朗克、愛因斯坦、玻爾三人的工作結合成壹個整體。
/kejiyuandi/zhishi/050127-paodan/paodan-index.htm