各種原子模型
——原子結構的探索過程
|行星結構模型|中性模型|固體帶電球模型|葡萄幹蛋糕模型|土星模型|太陽系模型|玻爾模型|
自從英國化學家、物理學家道爾頓(J .約翰·道爾頓，1766 ~ 1844)(右圖)創立原子理論以來，人們壹直認為原子就像壹個小得不能再小的玻璃實心球，裏面沒有更多花樣。
德國科學家希托夫在1869年發現陰極射線後，克魯克斯、赫茲、勒納、湯姆遜等壹大批科學家對陰極射線進行了二十多年的研究。最後，約瑟夫·約翰·湯姆森發現了電子的存在(請參觀科學園裏的“神秘綠色熒光”)。正常情況下，原子不帶電荷。既然比自己質量小1700倍的帶負電的電子也能跑出原子，說明原子內部是有結構的，原子內部有帶正電的東西，應該會和電子攜帶的負電荷中和，使原子呈中性。
除了電子，原子裏還有什麽？電子如何留在原子中？原子中帶正電荷的是什麽？正電荷是如何分布的？帶負電的電子如何與帶正電的東西相互作用？很多新問題擺在物理學家面前。根據當時的科學實踐和實驗觀察結果，物理學家們運用豐富的想象力，提出了各種原子模型。
行星結構的原子模型
1901年，法國物理學家讓·巴蒂斯特·皮蘭(1870-1942)(左)提出了壹個結構模型，認為原子的中心是壹些帶正電的粒子，外圍是壹些軌道運行的電子，電子軌道運行的周期對應於原子發出的譜線頻率，最外層。
中性原子模型
1902年，德國物理學家Learnard (1862-1947)(右)提出了中性粒子動力學子模型。Learnard早期的觀察表明，陰極射線可以穿過真空管中的鋁窗到達管外。根據這壹觀察，他在1903通過吸收實驗證明了高速陰極射線可以穿過成千上萬個原子。按照當時流行的半唯物主義者的說法，原子的體積大部分是空的，剛性物質大約只有10-9(也就是十萬分之壹)。Learnard設想“剛性物質”是分散在原子內部空間的大量正負電荷的合成。
固體帶電球原子模型
開爾文勛爵(1824 ~ 1907)(左圖)，英國著名物理學家、發明家，原名威廉·唐慕孫。由於他在安裝第壹條大西洋海底電纜方面的功勛，英國政府於1866年和1892年授予他爵士稱號。開爾文的研究範圍很廣，在熱學、電磁學、流體力學、光學、地球物理學、數學和工程應用等領域都做出了貢獻。他壹生發表論文600多篇，獲得發明專利70項。他在當時的科學界享有很高的聲譽。開爾文1902提出了固體帶電球體原子模型，即把原子看成是壹個均勻帶正電的球體，球體內部埋有帶負電的電子，正常情況下處於靜電平衡狀態。這個模型後來被J.J .唐慕孫發展，後來被稱為唐慕孫原子模型。
葡萄幹蛋糕模型
約瑟夫·約翰·湯姆森(1856-1940)(右)繼續他更系統的研究，並試圖描述原子結構。湯姆遜認為原子包含壹個均勻的陽極球體，幾個負電子在這個球體中運行。根據阿爾弗雷德·邁耶(Alfred Mayer)對浮動磁鐵平衡的研究，他證明了如果電子的數量不超過壹定的限度，這些運行的電子形成的環將是穩定的。如果電子數超過這個限制，就會列為兩個環，以此類推。這樣，電子的增加導致了結構上的周期性相似，門捷列夫周期表中物理化學性質的反復再現也可能得到解釋。
在湯姆森提出的這個模型中，電子在球體中的分布有點像點綴在蛋糕中的葡萄幹。很多人把湯姆遜的原子模型稱為“葡萄幹蛋糕模型”。不僅可以解釋原子為什麽是電中性的，電子在原子中是如何分布的，還可以解釋陰極射線現象和金屬在紫外線照射下可以發射電子的現象。而且根據這個模型，可以估算出原子的大小約為10-8 cm，這是壹件了不起的事情。因為湯姆遜模型可以解釋當時很多實驗事實，所以很容易被很多物理學家接受。
土星模型
長岡漢太郎(1865-1950)1903 1904在東京數學物理學會口頭發表，1904年分別在日文、英文、德文雜誌上發表《解釋線性和帶譜及》。他批判了湯姆遜的模型，認為正負電不能互相滲透，提出了壹個他稱之為“土星模型”的結構——壹個電子環繞著帶正電的內核旋轉的原子模型。壹個帶正電的大質量球被壹圈等間距分布的電子包圍著，這些電子以相同的角速度做圓周運動。電子的徑向振動發出線譜，垂直於環面的振動發出帶譜。環上的電子飛出為β射線，中心球體上的帶正電粒子飛出為α射線。
這個土星模型對他後來的原子成核模型影響很大。1905年，他分析了α粒子荷質比測量等實驗結果，發現α粒子是氦離子。
1908年，瑞士科學家利茲提出了磁原子模型。
他們的模型在壹定程度上可以解釋當時的壹些實驗事實，但不能解釋很多新的實驗結果，所以沒有進壹步發展。幾年後，湯姆遜的“葡萄幹蛋糕模型”被他的學生盧瑟福推翻。
太陽系模型——有核原子模型
英國物理學家歐內斯特·盧瑟福(1871 ~ 1937)於1895年來到英國卡文迪許實驗室跟隨湯姆遜學習，成為湯姆遜第壹個海外研究生。盧瑟福勤奮好學。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。
盧瑟福設計了壹個巧妙的實驗。他把鈾、鐳等放射性元素放在鉛容器裏，只在鉛容器上留下壹個小洞。因為鉛可以阻擋輻射，所以只有壹小部分輻射從小孔中出來，形成壹束狹窄的輻射。盧瑟福在輻射束附近放置壹塊強磁鐵，結果發現有壹條射線不受磁鐵的影響，保持直線運動。第二條射線受磁鐵影響，偏向壹側，但偏向不厲害。第三條光線偏轉得很厲害。
盧瑟福將不同厚度的材料放在輻射的方向上，觀察輻射的吸收。第壹種輻射不受磁場影響，這意味著它不帶電，穿透力強。壹般的紙張、木屑等材料都無法阻擋輻射的前進，只有厚厚的鉛板才能完全阻擋，這就是所謂的伽馬射線。第二條射線將受到磁場的影響並偏向壹側。從磁場的方向可以判斷這條射線是帶正電的。這種射線的穿透力很弱，用壹張紙就能完全擋住。這是盧瑟福發現的阿爾法射線。第三種射線按偏轉方向帶負電，性質與快速移動的電子相同，故稱為β射線。盧瑟福對他自己發現的阿爾法射線特別感興趣。經過深入細致的研究，他指出α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，也就是缺了兩個電子的氦原子。
“計數管”是德國留學生漢斯·蓋格(1882-1945)發明的，可以用來測量肉眼看不見的帶電粒子。當帶電粒子通過計數管時，計數管發出壹個電信信號。當這個電信信號連接到報警器上時，儀器會發出“哢嗒”聲，指示燈也會亮起。不可見和不可見的射線可以用非常簡單的儀器記錄和測量。人們稱這種儀器為蓋革計數器。在蓋革計數器的幫助下，盧瑟福領導的曼徹斯特實驗室對α粒子性質的研究發展迅速。
1910年，馬斯登(E.Marsden，1889-1970)來到曼徹斯特大學。盧瑟福讓他用α粒子轟擊金箔，做實踐實驗，用熒光屏記錄那些穿過金箔的α粒子。根據湯姆遜的葡萄幹蛋糕模型，微小的電子分布在壹個均勻帶正電的物質中，而α粒子是失去了兩個電子的氮原子，質量比電子大幾千倍。這麽重的殼層轟擊原子，小電子也抵擋不住。而金原子中的正物質是均勻分布在整個原子體積中的，無法抵抗α粒子的轟擊。也就是說，α粒子會很容易地穿過金箔，即使被阻擋了壹點點，穿過金箔後也只會稍微改變方向。盧瑟福和蓋革多次做過這種實驗，他們的觀測結果與湯姆遜的葡萄幹蛋糕模型非常吻合。受金原子的影響，α粒子稍稍改變了方向，其散射角極小。
馬斯登(左)和蓋革重復做了很多次的實驗，奇跡出現了！他們不僅觀察到了散射的α粒子，還觀察到了金箔反射的α粒子。盧瑟福在晚年的壹次演講中描述了這壹場景。他說，“我記得蓋革在兩三天後非常興奮地找到我說，‘我們得到了壹些反射的阿爾法粒子……’，這是我壹生中最不可思議的事件。就像用15寸的炮彈對著卷煙紙射擊，卻被反射回來的炮彈擊中壹樣不可思議。想了想，才知道這種後向散射只能是單次碰撞的結果。經過計算，我看到，如果不考慮大部分原子質量集中在壹個小核裏，是不可能得到這個數量級的。"
盧瑟福說的“思考之後”，不是思考壹兩天，而是思考整整壹兩年。在做了大量實驗、理論計算和慎重考慮後，他大膽提出了原子核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的固體帶電球原子模型。
盧瑟福檢查了他的學生實驗中反射的α粒子確實是α粒子，然後仔細測量了反射的α粒子的總數。測量顯示，在他們的實驗條件下，每8000個入射的阿爾法粒子中，就有壹個阿爾法粒子被反射回來。湯姆遜的固體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，不能解釋大角散射。多次散射可以得到大角度散射，但計算結果表明多次散射的概率極小，與上述八千個α粒子中的壹個反射回來的觀測相差太遠。
湯姆遜原子模型無法解釋α粒子的散射。經過仔細的計算和比較，盧瑟福發現，只有當正電荷集中在很小的區域，α粒子穿過單個原子時，才能發生大角度散射。換句話說，原子的正電荷壹定集中在原子中心的壹個小原子核裏。在這個假設的基礎上，盧瑟福進壹步計算了α散射的壹些規律，做出了壹些推論。這些推論很快被蓋革和馬斯登的壹系列漂亮的實驗所證實。
盧瑟福的原子模型就像壹個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞太陽運行的行星。在這個“太陽系”中，它們之間的力是電磁相互作用。他解釋說，原子中帶正電荷的物質都集中在壹個小核中，大部分原子質量也集中在這個小核中。當α粒子直接射向原子核時，可能會被反彈回來(左圖)。這滿意地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了著名論文《物質對α和β粒子的散射及其原理結構》。
盧瑟福的理論開辟了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展做出了不朽的貢獻。然而，在當時很長壹段時間裏，盧瑟福的理論受到物理學家的冷遇。盧瑟福的原子模型的致命弱點是正負電荷間的電場力不能滿足穩定性的要求，即不能解釋電子如何穩定地停留在原子核外。Hantaro在1904年提出的土星模型，因為無法克服穩定性的困難而不成功。因此，當盧瑟福再次提出原子核原子模型時，許多科學家將其視為壹種猜想或各種模型中的壹種，而忽略了盧瑟福提出該模型所依據的堅實的實驗基礎。
盧瑟福有著非凡的洞察力，所以他常常能夠抓住本質，做出科學的預測。同時他有非常嚴謹的科學態度，他要從實驗事實中得出結論。盧瑟福認為他的模型遠非完美，需要進壹步研究和發展。他在論文的開頭宣稱:“在這個階段，沒有必要考慮所提出的原子的穩定性，因為顯然它將取決於原子的精細結構和帶電成分的運動。”在那壹年寫給朋友的信中，他也說:“我希望在壹兩年內能對原子結構給出壹些更清晰的看法。”
玻爾模型
盧瑟福的理論吸引了壹位來自丹麥的年輕人，他的名字叫尼爾斯·玻爾(1885-1962)(左)。他在盧瑟福模型的基礎上，提出了原子核外電子的量子化軌道，解決了原子結構的穩定性問題，描述了壹個完整的、令人信服的原子結構理論。
玻爾出生於哥本哈根的壹個教授家庭，1911年獲得哥本哈根大學博士學位。1912三月到七月在盧瑟福的實驗室學習，這期間他的原子理論誕生了。玻爾首先將普朗克的量子假說推廣到原子內部的能量，以解決盧瑟福原子模型穩定性中的困難。假設原子只能通過離散能量光子改變能量，即原子只能處於離散穩態，最低穩態是原子的正常態。然後受好友漢森的啟發，從譜線的組合定律得出了穩態躍遷的概念。他在1913和11的7月和9月發表了他的長文《論原子結構和分子結構》的三個部分。
玻爾的原子理論給出了這樣壹個原子形象:電子以某種特定的可能軌道圍繞原子核運動，離原子核越遠，能量越高；可能的軌道是由電子的角動量必須是h/2π的整數倍決定的；當電子在這些可能的軌道上運動時，原子並不發射或吸收能量，只有當電子從壹個軌道跳到另壹個軌道時，發射或吸收的輻射才是單頻的。輻射的頻率和能量之間的關系由e = h ν給出。玻爾的理論成功地解釋了原子的穩定性和氫原子譜線的規律。
玻爾的理論極大地擴大了量子理論的影響，加速了它的發展。1915年，德國物理學家阿諾德·索末菲(1868-1951)將玻爾的原子理論擴展到包括橢圓軌道，並考慮了電子質量隨其速度變化的狹義相對論效應。衍生光譜的精細結構與實驗壹致。
191955年，阿爾伯特·愛因斯坦(1879-1955)根據玻爾的原子理論統計分析了物質吸收和發射輻射的過程，推導出普朗克輻射定律(左邊是玻爾和愛因斯坦)。愛因斯坦的工作綜合了量子理論第壹階段的成果，將普朗克、愛因斯坦、玻爾的工作整合成壹個整體。