原子结构模型的创立

一个平常的日子——1897年4月30日，英国皇家学会例行的星期五晚会照样举行。

可是，英国剑桥大学卡文迪许实验室第三届主任(1884～1919在任)J．J．汤姆逊(1856～1940)在会上做了一个报告之后，科学的日子就变得不平常了。

那么，汤姆逊在会上说了些什么呢？

公元前5世纪，古希腊哲学家德谟克利特(约公元前460～前370)说，宇宙万物都是由“原子”构成的。这个词来自希腊语ατομα——原义是“不可分的东西”。

原来，汤姆逊在会上说，他通过确凿的实验，发现了原子中存在电子。

电子，是人类发现的第一种基本粒子。电子的发现，标志着人类对物质结构的认识进入了一个新的层次，它打破了千百年来认为原子是组成物质的最小单元这一观念，揭示出原子还有内部结构。从此，探索原子内部和“分裂原子”，就成了20世纪初期物理领域中最振奋人心的口号。

汤姆逊也在这个振奋人心的口号中继续探索——既然原子可分，那么原子的是怎样一个结构呢？

汤姆逊发现，原子至少有两个部分：一块一块的带负电的小“碎片”和一块一块带正电的小“碎片”，两种“碎片”的电荷数恰好相等，因此整个原子呈中性。

经过长时期的分析估算，汤姆逊于1903年12月提出了他的原子结构模型：原子是一个小球体，正电荷像流体般均匀地分布在它的内部，球内还有带等量负电荷的若干个电子，这些电子镶嵌在带正电的球体之中，它们等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，并以一定速度做圆周运动而发出电磁辐射。

由于这个模型酷似葡萄干蛋糕(整个原子像一个蛋糕，蛋糕里的葡萄于像电子)或面包，因而被称作“葡萄干蛋糕模型”，或者“面包夹葡萄干模型”。

“面包夹葡萄干”，是科学史上第一个有影响的原子模型。冈为在此之前，科学家们提出的下面这些模型都没有产生大的影响。

在汤姆逊发现电子之前，德国物理学家韦伯(1804～1891)提出的原子模型是，质量极小的正电微粒围绕质量较小的负电微粒，在原子中旋转。

1901年，法国物理学家佩兰(1870～1942)在一次通俗演讲中设想的原子模型是，原子中心的正电粒子周围，围绕着一些电子——它们的运行周期，对应于原子发射光谱的频率。

1902年，德国，物理学家勒纳德(1864～1947)基于阴极射线能穿过金属箔的实验事实，认为金属原子中有大量的空隙，一个个由电子和相应正电荷组成的微粒，就漂浮在这“原子空间”之中。同一年，英国物理学家开尔文(1824～1907)提出了类似于“葡萄干蛋糕”的模型——汤姆逊的模型就是它的“改进版”。

也是在1903年12月，汤姆逊的“葡萄干蛋糕”就遭到日本物理学家长冈半太郎(1865～1950)的反对——他正确地认为正负电荷不可能互相渗透。于是，他提出了“土星模型”：电子均匀地分布在一个环上运动，原子中心是一个大质量的正电球。

当然，这些原子模型和汤姆逊的原子模型一样，都有一定的道理，但都不能确定无疑地解释原子的所有行为——例如铀、钍、镭等会不停地放出强力的射线而“违反”能量守恒原理，也就没有得到公认。但是，大多数科学家相信，通过严密的科学实验，可以揭开原子结构这个未知世界的奥秘。

时代把祖籍是苏格兰、在新西兰出生的英国物理学家厄内斯特·卢瑟福(1871～1937)推上了历史舞台。

1909年，卢瑟福与他的年轻助手、德国物理学家盖革(1882～1945)和新西兰青年学生马斯登(1880～1970)，用高速的α射线轰击金属箔，观察α粒子穿过金属箔后的分布状况。

按照葡萄干蛋糕模型，α粒子穿过原子的时候，因为受到正电荷的排斥，就会发生均匀的偏转，这是因为原子里的“葡萄干”们质量都很小，不能使质量较大的、带正电荷的高速a粒子发生大偏转。即使α粒子与电子相撞，也由于它的质量比电子大7000多倍——有如大象碰上了猫，也不会发生大偏转。

但是，实验的结果却大出他们所料——有少量α粒子出现了大角度的偏转，其中甚至大约有1／8000的α粒子发生了大于90°的偏转。更有少量——约占总数1／20000的α粒子竟被反弹回来！

卢瑟福对此惊讶异常。他认为这像用直径15英寸(1英寸合2．54厘米)的炮弹射向一张纸，而这炮弹居然被弹回来打击发射人！

这个实验的事实表明，“葡萄干蛋糕”与原子的实际结构有矛盾。首先，大角度偏转不能解释成若干次小角度偏转的积累——这种可能性比1／8000小得多。其次，大角度偏转不可能是α粒子受到实心原子球内的电子撞击的结果；因为α粒子的质量约为电子的7300倍——一个质量大的粒子撞击质量小的粒子，怎么会是质量大的发生大角度偏转呢？最后，大角度偏转不可能是实心原子球内带正电的部分对α粒子作用的结果——根据带正电的α粒子在实心球外和实心球内受到实心球内正电荷的作用力来看，都不可能有剧烈的碰撞而发生大角度的偏转。

那么，这些现象怎样解释呢？

1911年3月的一天早晨，盖革正在实验室里整理仪器。卢瑟福兴冲冲地进来了。

“我知道了，”卢瑟福说，“原子到底是什么样的，我知道了！原子内部存在一个质量较大、所占体积又很小，而且是带正电荷的东西。所以带正电的α粒子在接近它的时候，就‘同性相斥’而大幅偏转了。”

接着，卢瑟福解释了实验结果：和整个原子相比，带正电荷的东两很小，所以大部分α粒子穿过原子中的空档，不受正电荷斥力的影响，只有极少数接近它。α粒子受到斥力作用而偏转，极个别α粒子差不多正对着撞击，在斥力作用下被反弹回来。

1911年3月7日，卢瑟福在曼彻斯特哲学会上作了题为《α、β的散射和原子的构造》的报告。这一报告还刊登在同年的《哲学杂志》上，公开了他的研究成果。但是，当时并没有人承认他的成果。甚至在同年10月30日～11月3日召开的、卢瑟福参加的第一届索耳维国际物理讨论会上，会议记录中也没有提及他的这一成果。

但是，马斯登和盖革等人，却为检验卢瑟福模型进行了系统的、肯定性的研究工作。1913年，英国物理学家莫斯莱(1887～1915)测定了各元素的X光标识谱线，也证明了卢瑟福理论的正确性。同年10月，在卡文迪许实验室科学会上，卢瑟福正式提出了他的“核式结构”原子模型：原子内部大部分是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核——“好像一个大教堂里的一只苍蝇”的原子核；原子的全部正电荷都集中在这个核上，带负电的电子则以某种方式分布在核外的广大空间中。这是一个与太阳系结构相类似的“太阳系原子结构模型”，到会的科学家普遍接受了这个模型。1914～1915年，卢瑟福的理论终于得到世人的公认。

但是，根据经典的电磁理论，带正电的核与带负电的电子的静电引力使电子产生了一个向心加速度，使电子绕核运动。而电子在获得加速度的情况下必定发出电磁辐射，这电磁辐射就要消耗能量，能量不断消耗的结果，将使电子的运动轨道越来越小，最后必然落到核上与核合为一体。此时，这个原子就要消失。这就是说，卢瑟福的模型不能保持一个稳定的原子结构系统。而事实上原子是十分稳定的。因此，他的模型还有缺陷。

可见，科学还没有终结——科学的活水还要向前流淌。

1912年6月，丹麦物理学家玻尔(1885～1962)想到了德国物理学家普朗克(1858～1947)的量子假说。接着，他把有核结构的思想和量子假说结合起来，修正了卢瑟福的模型。

1913年，玻尔正式发表了他下面的“三部曲”原子模型。

原子内的电子只能在具有一定能量的特定轨道上运行——是有轨电车。“循规蹈矩”的电子既不吸收能量也不辐射能量。电子所处的轨道不同，它的能量也不一样——在离原子核近的轨道上能量较低，在离核远的轨道上能量较高。

允许电子“不安分守己”——可以从一个轨道跳到另一个轨道。因此电子还是跳蚤。

电子在跳越轨道时，必定获得或丢失能量。这样，它们的能量变化只能在特定的能级之间跳跃，所以辐射光谱并不连续。

显然，玻尔的模型克服了卢瑟福模型的一些缺陷。

玻尔的模型是在卢瑟福原子模型基础上发展和完善的，因此，人们将两者合二为一，统称为“卢瑟福-玻尔模型”。

玻尔的模型突破了经典物理学的观念——例如说原子处在定态时不辐射，原子的能量是量子化的，不能连续变化；但是，他的模型却是建立在经典物理学上的——例如把电子与宏观世界中的粒子等同看待，以为它们在运动中有完全确定的轨道。而且，他引进的量子条件又没有理论依据。所以，他的模型是一个把经典理论和量子条件并放在一起的结构，缺乏逻辑的统一性。

更准确、完整且应用更广的原子结构模型——量子力学的原子结构模型，在1925年被发表出来。它的创立者是德国物理学家索末菲(1868～1951)和荷兰物理学家埃伦菲斯特(1880～1933)。在1915年，索末菲就对玻尔理论进行了量子化条件下的推广，提出了电子的椭圆轨道和它的质量会随运动速率改变。在20世纪20年代，一群“三十而立”的物理学家，也对创建量子力学做出了重大贡献。其中有德国的海森堡(1901～1976，1932年诺贝尔物理学奖得主)和玻恩(1882～1970)，法国的德布罗意(1892～1987，1929年诺贝尔物理学奖得主)，以及1933年的两位诺贝尔物理学奖得主英国的狄拉克(1902～1984)和奥地利的薛定谔(1887～1961)，当然也有玻尔。

由于电子同其他微粒一样具有波粒二象性，所以我们不可能确切地知道它们的运动轨道，只能知道它们在某区域出现的概率。概率大的地方，“电子云(雾)”较浓密；反之，较淡薄。

由于量子力学的原子结构模型比较深奥难懂，所以，今天我们中学的物理教科书中，还是用直观的、能基本上说明原子结构的“卢瑟福-玻尔模型”，来描述原子内部的电子运动状况。