原子结构的探索过程及启示

山东省青岛经济技术开发区致远中学 吴兴龙 选自《中学物理教学参考》2008年第9期

原子究竟是什么？科学家是怎样认识原子的？探询这一科学研究过程不仅能帮助学生正确认识原子，树立正确的原子观，更能从这个过程中体会科学研究的真谛。

一．原子结构的早期假设

英国化学家和物理学家道尔顿（J．John Dalton，1766～1844）创立原子学说后，很长时间内人们都认为原子就像一个小得不能再小的实心球，不可再分。

1869年德国科学家希托夫发现阴极射线后，克鲁克斯、赫兹、勒纳德、汤姆生等科学家研究了阴极射线，历时二十余年．最终，汤姆生（Joseph John Thomson）发现了电子的存在．这就启发人们：既然从原子中能跑出质量为其1/1700的带负电的电子，这说明原子内还有结构，也说明原子里还存在带正电的物质，它们应和电子所带负电中和使原子呈中性。原子中除电子外还有什么物质？电子是怎么待在原子里的？原子中什么物质带正电荷？正电荷是如何分布的？带负电的电子和带正电的物质是怎样相互作用的？一大堆新问题摆在物理学家面前．根据科学实践和当时的实验观测结果，物理学家发挥了丰富的想象力，提出了各种不同的原子模型。

1．行星结构原子模型

1901年法国著名物理学家佩兰（Jean Baptiste Perrin，1870～1942）提出的行星结构模型，认为原子中心是一些带正电的粒子，外围是一些环绕旋转着的电子，电子绕转的周期对应于原子发射的光谱线频率，最外层的电子抛出时就会发射出阴极射线。

2．中性原子模型

1902年德国物理学家勒纳德（Philipp Edward Anton Lenard，1862～1947）提出了中性微粒动力子模型．勒纳德早期的观察表明，阴极射线能通过真空管内铝窗而到达管外。根据这种观察，他在1903年用实验证明了高速阴极射线能通过数千个原子。按照当时盛行的半唯物主义看法，原子大部分体积是空无一物的空间，而刚性物质大约仅占其全部体积的10^-9（即十万万分之一）。勒纳德设想“刚性物质”是散处于原子内部空间里的若干阳电和阴电的中性合成体。

3．实心带电球原子模型

英国著名物理学家、发明家W•汤姆生（William Thomson，1824～1907）于1902年提出了实心带电球原子模型，把原子看成均匀带正电的球体，里面包含着带负电的电子，正常状态下处于静电平衡。这个模型后由W•汤姆生的儿子J•J•汤姆生加以发展，统称汤姆生原子模型。

4．葡萄干蛋糕原子模型

J•J•汤姆生（Joseph John Thomson，1856～1940）继续进行更有系统的研究，尝试描绘原子结构。汤姆生认为原子含有一个均匀的阳电球，若干阴性电子在这个球体内运行．他按照迈耶尔（Alfred Mayer）关于浮置磁体平衡的研究证明，如果电子数目不超过某一限度，则这些运行电子所组成的一个环必能稳定；如果电子数目超过这一限度，则将列成两环，如此类推以至多环。这样，电子的增多就造成了结构上呈周期的相似性，而门捷列夫周期表中物理性质和化学性质的重复再现，也就得以解释了。

J•J•汤姆生提出的模型中，电子分布在球体内有点像葡萄干点缀在一块蛋糕里，故人们把汤姆生原子模型称为“葡萄干蛋糕模型”。它不仅能解释原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，而且能解释阴极射线和金属在紫外线照射下可发出电子的现象。根据这个模型还能估算出原子的大小约10^-8cm，这是件了不起的事情．正由于汤姆生模型能解释当时很多的实验事实，所以很容易被许多人所接受。

5．土星原子模型

日本物理学家长冈半太郎（Nagaoka Hantaro，1865～1950）1903年12月5日在东京数学物理学会上发言，并于1904年分别在日、英、德杂志上刊登了“说明线状和带状光谱及放射性现象的原子内的电子运动”论文．他批评了汤姆生模型，认为正负电不能相互渗透，另外提出二种他称之为“土星模型”的结构——围绕正电核心有电子环转动的模型，即一个大质量的带正电的球，外围有一圈等间隔分布的电子以同样的角速度做圆周运动。电子的径向振动发射线光谱，垂直于环面的振动发射带光谱，环上电子飞出形成β射线，中心球的正电粒子飞出形成α射线。这个土星模型对后来建立原子有核模型产生了很大影响。

可以看出，早期的原子模型只是根据零星的间接发现对原子结构进行推测，没有可靠的实验基础，带有很大的猜测成分，故这些模型可在一定程度上解释当时的一些实验事实，但不能解释以后出现的很多新的实验结果，所以都没有得到进一步的发展。

二．卢瑟福α粒子散射实验及有核原子模型

1．卢瑟福α粒子散射实验

英籍物理学家欧•卢瑟福（Ernest Rutherford，1871～1937）1895年来到英国卡文迪许实验室，跟随汤姆生学习，成为汤姆生第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋，在汤姆生的指导下，卢瑟福在做他的第一个实验——放射性吸收实验时发现了α射线。

1907年卢瑟福应聘担任曼彻斯特大学的物理学教授，曼彻斯特大学第一次成为全世界的科学中心。来自德国的学生汉斯•盖革（Hans Geiger，1882～1945）发明了“计数管”，借助于盖革发明的计数管，卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究得到了迅速的发展。

1910年马斯登（E．Marsden，1889～1970）来到曼彻斯特大学，卢瑟福让他用α粒子去轰击金箔，利用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。按照汤姆生的葡萄干蛋糕模型，质量微小的电子分布在均匀的带正电的物质中，而α粒子是失去两个电子的氦原子，它的质量要比电子大几千倍。当这样一颗“重型炮弹”轰击原子时，小小的电子是抵挡不住的。而金原子中的正电物质均匀分布在整个原子体积中，也不可能抵挡住α粒子的轰击。也就是说，α粒子将很容易地穿过金箔，即使受到一点阻挡，也仅仅是α粒子穿过金箔后稍微改变一下前进的方向而已。这类实验，卢瑟福和盖革已经做过多次，他们的观测结果和汤姆生的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影响稍微改变了方向，它的散射角度极小。

马斯登和盖草又重复这个已经做过多次的实验，奇迹出现了！他们不仅观察到了散射α粒子，而且观察到了被金箔反射回来的α粒子。

卢瑟福检验了他的学生实验中被反射回来的确实是α粒子后，又仔细测量了反射回来的α粒子总数。测量表明，在他们的实验条件下，每入射八千个α粒子就有一个α粒子被反射回来。用汤姆生的实心带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角度散射，但无法解释大角度散射。多次散射可以得到大角度的散射，但计算结果表明，多次散射的几率极其微小，和上述八干个α粒子就有一个反射的观察结果相差太远。

鉴于汤姆生原子模型不能解释α粒子散射现象，卢瑟福又经过仔细地计算和比较，发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内，α粒子穿过单个原子时才有可能发生大角度的散射．也就是说，原子的正电荷必须集中在原子中心一个很小的核内。在这个假设的基础上，卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律，并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列实验所证实。

2．太阳系模型——有核原子模型

卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系，原子核像太阳，电子像环绕太阳转动的行星，如图1所示。在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁力。他解释说，原子中带正电的物质集中在一个核心上，原子质量的绝大部分也集中在这个核心上；当α粒子正对着原子核心射来时，就有可能被反弹回去，这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。以上述研究为基础，卢瑟福发表了一篇著名论文“物质对α和β粒子的散射及原理结构”。

卢瑟福在晚年的一次演讲中曾描述过当时的情景：“我记得两三天后，盖革非常激动地来到我这里，说：‘我们得到了一些反射回来的α粒子……’这是我一生中最不可思议的事件．这就像你对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹，却被反射回来的炮弹击中一样地不可思议。经过思考之后，我认识到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我看到，如果不考虑原子质量绝大部分都集中在一个很小的核中，那是不可能得到这个数量级的。”

卢瑟福所说的“经过思考以后”，不是思考一天、二天，而是思考了整整一、二年。在做了大量实验和理论计算与深思熟虑后，他才大胆地提出了有核原子模型，推翻了他的老师汤姆生的实心带电球原子模型。

卢瑟福理论开拓了研究原子结构的新途径，为原子科学发展立下了不朽功勋．然而，在当时很长的一段时间内，卢瑟福理论却遭到物理学家的冷遇。卢瑟福原子模型的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性要求，即无法解释电子是如何稳定地待在核外的。1904年长岗半太郎提出的土星模型，就是因为无法克服稳定性困难而未获成功。因此，当卢瑟福又提出有核原子模型时，很多科学家都把它看做是一种猜想，或者仅仅是形形色色模型中的一种而已，而忽视了卢瑟福模型所依据的坚实的实验基础。

卢瑟福具有非凡的洞察力，因而常能抓住本质作出科学预见；同时，他又有严谨的科学态度，能从实验事实出发作出应该作出的结论。卢瑟福认为自己的模型还很不完善，有待进一步研究和发展．他在论文的一开头就声明：“在现阶段，不必考虑所提原子的稳定性，因为显然这将取决于原子的细微结构和带电组成部分的运动。”当年他在给朋友的信中也说：“希望在一、二年内能对原子构造说出一些更明确的见解。”

3．玻尔模型——核外轨道量子化

卢瑟福理论吸引了一位来自丹麦的年轻人尼尔斯•玻尔（Niels Bohr，1885～1962），他在卢瑟福模型的基础上提出了电子在核外的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描绘出了完整而令人信服的原子结构学说。

玻玻尔出生在哥本哈根的一位教授家庭，1911年获哥本哈根大学博士学位；1912年3月～7月曾在卢瑟福实验室进修，在此期间孕育了他的原子理论。玻尔首先把普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，来解决卢瑟福模型在稳定性方面的困难，假定原子只能通过分立的能量子来改变其能量，即原子只能处在分立的定态之中，而且能量最低的定态就是原子的正常态．接着他在友人汉森的启发下从光谱线的组合定律得到定态跃迁的概念，并在1913年7、9和11月分三个部分发表了长篇论文“论原子构造和分子构造”。

玻尔原子理论给出的原子图像如图2所示：电子在一些特定的可能轨道上绕核做圆周运动，离核愈远能量愈高；可能的轨道由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定；当电子在这些可能的轨道上运动时原子不发射也不吸收能量，只有当电子从一个轨道跃迁到另一个轨道时原子才发射或吸收能量，而且发射或吸收时的辐射是单频的，辐射频率和能量之间的关系由E＝hν给出。玻尔理论成功地说明了原子的稳定性和氢原子光谱线规律。

1915年，德国物理学家索末菲（Arnold Sommerfeld，1868～1951）把玻尔的原子理论推广到电子椭圆轨道，并考虑了电子质量随其速度而变化的狭义相对论效应，所导出的光谱精细结构同实验相符。

三．启示

实验是物理学发展的动力和源泉，也是检验物理理论正确与否最直接、最根本的标准。前期原子模型大都根据零星实验事实而提出，带有很大的猜测成分，而卢瑟福有核原子模型的提出基于可靠的物理实验，并且经过了实验的进一步验证；虽然卢瑟福有核原子模型与经典电磁理论存在尖锐矛盾，但卢瑟福仍然勇敢地提出了自己的观点，因为实验是理论的基石。这启示我们：科学需要创新，创新不仅需要勇气，更需要坚实的物理实验和敏锐的洞察力作为基础。与之相比，我国的物理教学和物理学研究较为轻视实验教学和实验研究，这值得每位物理学工作者反思。

卢瑟福是汤姆生第一位来自海外（卢瑟福出生于新西兰，于1895年来到英国）的研究生，而玻尔是丹麦人，1912年3月～7月曾在卢瑟福实验室进修。他们来自不同国度，有着不同的文化背景，对问题的思考也会有不同角度，其文化和思想的碰撞迸发出智慧的火花。可见，留学生制度和人才交流制度是促进科学交流与创新的重要措施，这对我国的科技制度和人才制度建设具有重要的借鉴意义。

发布时间：2009/3/11 上午8:32:15  阅读次数：16131