原子结构模型发展史及其影响

一、原子结构模型发展史及其影响

原子最初被认为没有质的区别，只有大小、形态和位置的区别，经过后期哲学家的发展，认识到各种原子也有质的区别。古代的这种原子观是在缺乏实验佐证的情况下产生的。

18世纪末，英国化学家道尔顿（Dalion，1766—1844年）通过大量实验与分析，认识到原子是真实存在的，并确信物质是由原子结合而成的。他于1808年出版了《化学哲学新体系》一书，提出了原子学说，认为每种单质均由很小的原子组成。不同的单质由不同质量的原子组成。并认为原子是一个坚硬的小球，在一切化学变化中保持基本性质不变。此后近一百年，关于原子的结构的认识没有大的变化。

在19世纪末，放射性元素逐一被发现，它们裂变的事实冲破原子不能再分的传统观念。1897年英国科学家汤姆孙（1856—1940）发现原子里有带负电荷的电子。这一切激励着科学家们去探索原子的内在结构。

1904年，英国科学家汤姆孙首先提出葡萄干面包原子模型。他认为既然电子那么小，又那么轻，因此原子带正电部分充斥整个原子，而很小很轻的电子浸泡在正电的气氛中，这正像葡萄干嵌在面包中那样。电子带的负电荷被原子内带正电荷部分抵消，因此原子是电中性的。汤姆森的原子模型能解释原子是电中性的，还能估计原子半径约为100pm（10-10m），因此它风行10多年，以后意外地被汤姆孙的学生卢瑟福推翻。

1911年，卢瑟福（1897—1937）和盖革（1882—1945）用α粒子轰击金属箔，并用荧光屏记录粒子散射现象的情况。他发现大部分α粒子按直线透过金属箔，只有极少一部分α粒子被反弹回来或偏转很大角度。这个实验充分说明原子内有很大空间，而正电荷部分集中在原子中心极小的球体内，这里占原子质量的99％以上。因此，他断定汤姆孙的葡萄干面包的原子模型不符实际，同时他果断地提出新的原子模型。

1912年，卢瑟福联系太阳系中行星绕太阳旋转情况提出新的原子模型是带正电的原子核在原子正中，占原子质量的绝大部分，正像太阳系中太阳那样；带负电的电子环绕原子核作高速运动。按这个模型可估计原子直径是100pm，电子直径是1fm，原子核直径是10～0.1fm，原子内部有很大空间。

虽然这个模型能成功地解释一些现象，但是它立即遭到全世界大多数科学家反对。因为据经典物理理论，任何作加速运动的电荷都要辐射电磁波，这必然引起两种后果：第一，不断辐射能量，电子将沿螺旋线渐渐趋近原子核，最后落到核上而毁灭。第二，电子不停地、连续地辐射电磁波，电磁波的波长会发生连续的变化，因此，所有的原子都应发射连续光谱。然而事实决非如此，首先，从未发生过原子毁灭的现象。说明电子不会落到原子核上去。其次，原子在正常情况下不辐射电磁波。即使气体或蒸汽被火焰，或其他方法灼热时有电磁波辐射，但这种辐射通过三棱镜后得到的是线光谱，而不是连续光谱。这些事实使卢瑟福也不知怎样来解释。

正当卢瑟福无计可施时，刚巧来了一位年轻丹麦化学家玻尔（1885—1962），他坚决支持卢瑟福的新模型，并且引进崭新的量子学说，为原子结构理论谱写出光辉的一页。玻尔理论的要点是：

第一，卢瑟福的新模型是正确的，问题是应指出原子中电子环绕原子核作高速运动时，只能在特定轨道上运动，电子在这样的轨道上运动时不辐射能量。这时电子所处的状态叫基态。

第二，当电子从离核较远的轨道跳到离核较近轨道时，原子放出能量，并以电磁波的形式辐射出来，辐射能量的大小决定于电子跳跃

前后两个轨道的半径。由于轨道是不连续的，因此发射的能量也是不

连续的。

从上述两点出发，首先揭开氢光谱之谜，成功地使巴耳末（1825—1898）公式得到完满解释，还轻而易举地算出原子半径。

玻尔理论作为物理和化学一场革命而载入史册。然而，波尔没有认识到宏观物体与微观粒子的本质区别。他的理论还是建立在牛顿力学的基础上的，因此在解释多原子光谱时遇到不可克服的困难。这意味着必须建立新的理论体系。

正当波尔致力于研究电子在原子中的运动状态时，英国卢瑟福及其学生查德威克（1891—1974）进一步揭开原子核的秘密。

1919年，卢瑟福用α粒子轰击氮核，首次发现质子。由此知道原子核中存在质子。他根据原子该质量，提出还存在中子的假说，并预言中子呈电中性，周围不形成电场，不会使周围粒子带电，它的穿透力比α粒子强。

1930年卢瑟福的学生查德威克在卡文迪许实验室用α粒子轰击石蜡时，捕捉到不显电性的中子。至此，原子的构成基本清楚。原子核由带正电的质子和不显电性的中子组成，带负电的电子环绕核作高速运动。

1924年法国科学家德布罗意（de Broglie，1892—1960）发现微观世界的微粒在不同条件下分别表现为波动和粒子的性质，即有波粒二象性。这一发现表明过去人们在研究微观粒子的运动规律时忽略波动性一面，因而得出的结果不能真实地反映微观粒子的运动规律。纠正了这一偏向后，人们的研究取得很大的成功。其中尤其突出的是薛定谔，他建立波动方程（后来人称薛定谔方程）。在此基础上，迅速发展一门新的学科——量子力学。这是现代研究原子、分子结构的理论基础。

总之，从19世纪末到今天，人们已建立起一整套描述原子内在结构的理论和方法，使化学迅速进入微观领域的研究。

二、“制造波浪”卢瑟福

在20世纪的科学家中，卢瑟福是个举足轻重的人。他在放射学、原子物理学、原子核物理学研究领域都有突出的贡献，对今天的核能开发技术和放射性测量技术都产生了推动作用。机缘巧遇卢瑟福家族原来在英国，1842年，他的祖父移居到了新西兰。卢瑟福的父亲是一位农场主，兼做轮箍匠，他共有12个子女，卢瑟福排行第二。小时候，卢瑟福有时也帮助父亲料理农事。上学期间，卢瑟福表现出了非凡的才能，十几岁获得了奖学金，并进入大学读书。大学毕业时，排名第四。排名倒不能说明什么，不过这时的卢瑟福对物理格外有兴趣。当时无线电技术刚刚兴起，卢瑟福对此颇有钻研，并发明了一个无线电检波器。它能干什么用呢？卢瑟福并不关心。当地法院曾接到一个有关无线电的案子，法院还要卢瑟福作为一名无线电研究专家出庭作证，卢瑟福却拒绝了。不过后来，卢瑟福还是走入了物理学的“殿堂”。

卢瑟福的人生转折点发生在1895年。这一年，他大学毕业，并参加了一场考试，以争取去剑桥大学读书的奖学金。结果他考了第二名，遗憾的是，剑桥大学只取一名。这样，卢瑟福就只得回家，因为要让家里为卢瑟福付高昂的学费，这几乎是不可能的。可是事有凑巧，考取第一名的人因为要结婚而放弃了这个名