请问原子结构确认的历史？
然而，在1910年，卢瑟福和他的学生在他的实验室里进行了一项被载入史册的实验。他们用α粒子(带正电的氦原子核)轰击一片极薄的金箔，试图通过散射来确认“葡萄干布丁”的大小和性质。然而，一个不可思议的情况出现了:少数α粒子的散射角大到超过90度。卢瑟福自己也非常形象地描述了这种情况:“这就像用15英寸的炮弹轰击一张纸，但炮弹反弹回来，反而击中了自己。”
卢瑟福发扬亚里士多德前辈“吾爱吾师，但吾更爱真理”的优良品格，决定对汤姆逊的葡萄干布丁模型进行修改。他意识到，阿尔法粒子一定是反弹回来了，因为它们与金箔原子中某个极其坚硬致密的核心相撞了。这个核心应该带正电，集中了原子的大部分质量。但从只有少数α粒子有大角度散射来看，核心所占的空间非常小，不到原子半径的十分之一。
于是卢瑟福在第二年发表了他的新模型(1911)。在他描述的原子图中，原子中心有一个占据大部分质量的“核”。而在这个原子核周围，带负电的电子沿着特定的轨道绕着它运动。这与一个行星系统(如太阳系)非常相似，所以这个模型自然被称为“行星系统”模型。在这里，原子核就像我们的太阳，电子就是围绕太阳运行的行星。
然而，这种看似完美的模式有其自身无法克服的严重困难。因为物理学家很快指出，带负电的电子围绕带正电的原子核旋转，所以这个系统是不稳定的。它们之间会发出强烈的电磁辐射，使电子一点一点失去能量。代价是，它不得不逐渐缩小自己的运行半径，直到最后“撞”在原子核上，整个过程只需要一眨眼的时间。换句话说，即使这个世界是卢瑟福所描述的，它也会在一瞬间被原子本身的坍缩所毁灭。原子核和电子必然会发出辐射，相互中和，然后把卢瑟福和他的实验室，还有整个英格兰，整个地球，整个宇宙都变成混沌。
然而，当然，尽管理论家做出了悲观的预测，但太阳仍然每天按时升起，每个人都活得很好。电子仍然愉快地围绕着原子旋转，没有任何失去能量的预兆。尼尔斯·玻尔，一个来自丹麦的年轻人，安全抵达曼彻斯特，开始在物理学史上写下浓墨重彩的一页。
玻尔并没有因为卢瑟福模型的困难而放弃这个理论。毕竟是有α粒子散射实验强有力支持的。相反，玻尔对电磁理论能否作用于原子有相当大的怀疑，这是人们从未涉足的层面。对玻尔来说，曼彻斯特的生活显然比剑桥舒适得多，尽管他和卢瑟福的性格如此不同。后者是一个急性子，精力充沛的人，而玻尔就像一个害羞的大男孩，说一句话就好像口齿不清。但他们显然是一支很棒的球队。玻尔的天才在老大卢瑟福的带领下被充分激发，很快在历史上激起了波澜。
1912年7月，玻尔完成了他的第一篇关于原子结构的论文，历史学家后来常常称之为“曼彻斯特备忘录”。玻尔为了解决经典电磁力学无法解释的难题，已经开始尝试将量子概念与卢瑟福模型相结合。然而，一切都只是开始。在那片前人未曾涉足的处女地，玻尔只能一步一步摸索前进。没有人告诉他方向应该在哪里，他的动力只有对卢瑟福模型的信念和年轻人特有的巨大热情。玻尔当时对原子光谱一无所知，当然也看不到它对后来原子研究的决定性意义。但是，革命的方向已经确定，什么都改变不了量子论即将出现的事实。
乌云密布的天空中出现了一丝亮光。虽然最后证明只是一颗流星，但这束光无疑为已经僵化老化的物质世界注入了新的活力，一种带有清新气息和希望的活力。这道光点燃了人们手中的火炬，指引他们找到了真正的永恒之光。
终于在7月24日，玻尔结束了在英国的学习，前往丹麦。在那里，他可爱的未婚妻玛格丽特正焦急地等待着他，物理学的未来即将向他敞开。临走前，玻尔把他的论文给卢瑟福看了看，受到了热切的鼓励。然而，卢瑟福有没有想过，这个年轻人会在多大程度上改变人们对世界的终极看法？
是的，是的，时候到了。伟大的三部曲即将问世，真正属于量子的时代终于到来。
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餐后八卦:诺贝尔奖得主的幼儿园
毫无疑问，卢瑟福本人就是一位伟大的物理学家。但同时，他也是一位伟大的物理老师。他以敏锐的眼光发现人们的天才，并以伟大的人格关怀他们，挖掘他们的潜力。卢瑟福身边的大部分助手和学生后来都证明是优秀的，包括一大批科学大师。
我们熟悉尼尔斯·玻尔，20世纪最伟大的物理学家之一，1922诺贝尔物理学奖获得者，量子理论的创始人和象征。在曼彻斯特跟随卢瑟福。
保罗·狄拉克，量子理论的创始人之一，也是一位伟大的科学家，1933诺贝尔物理学奖获得者。他的主要成就是在剑桥的卡文迪许实验室取得的(当时卢瑟福接替J·J·汤姆逊担任该实验室的主任)。狄拉克获奖时才31岁。他告诉卢瑟福，他不想获奖，因为他讨厌自己在公众中的名声。卢瑟福劝道，如果你不领奖，那么这个名声会更响。
中子的发现者詹姆斯·查德威克在曼切斯特的卢瑟福实验室呆了两年。1935获得诺贝尔物理学奖。
布莱克特在第一次世界大战后辞去了海军上尉的职务，去剑桥跟随卢瑟福学习物理。后来他改进了威尔逊云室，在宇宙射线和核物理方面做出了巨大贡献，为此获得了1948的诺贝尔物理学奖。
1932年，E . T.S Walton和Caulklaugh Croft在卢瑟福的卡文迪许实验室建造了一台强大的加速器，用来研究原子核的内部结构。卢瑟福的两个弟子在1951分享了诺贝尔物理学奖。
这样的例子不胜枚举:英国人索迪以1921获得了诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西以1943获得诺贝尔化学奖。奥托·哈恩，德国人，1944诺贝尔化学奖。英国塞西尔·弗兰克·鲍威尔，1950诺贝尔物理学奖。美国人汉斯·贝特，1967诺贝尔物理学奖。苏联P.L .卡皮萨，1978诺贝尔化学奖。
除去一些略显疏离的案例，卢瑟福一生至少培养了10名诺贝尔奖获得者(不算他自己)。当然，他的学生中还有一些杰出的名字没有获得诺贝尔奖，比如汉斯·盖革(后来因发明盖革计数器而闻名)，亨利·莫斯利(一个拥有无限天才的年轻人，可惜死于一战的战场)，欧内斯特·马斯登(和盖革一起制作了α)。
卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖获得者的幼儿园”。他的头像出现在新西兰货币最大面值——100元上，作为对国家的最高尊重和纪念。
五
8月1912日，玻尔和玛格丽特在离哥本哈根不远的一个小镇结婚了，然后他们去了英国度蜜月。当然，有一个人绝对不能忘记去拜访，那就是卢瑟福教授，玻尔家族最好的朋友之一。
虽然是在蜜月期，但是原子和量子的画面依然没有从玻尔的脑海中消失。他和卢瑟福再次认真交换意见，加深了彼此的信念。回到丹麦后，他以200%的热情投入到这项工作中。揭开原子内部奥秘的梦想对玻尔来说太诱人了，无法抗拒。
为了让大家跟上我们的故事，我们再来描述一下波尔当时面临的情况。卢瑟福的实验展示了原子的全新面貌:原子的中心有一个致密的核心，电子围绕这个中心运动，就像行星围绕太阳运动一样。然而，这个模型面临着严重的理论困难，因为经典电磁理论预言，这样的系统必然会释放辐射能量，最终导致系统的崩溃。换句话说，卢瑟福的原子不可能稳定存在超过1秒。
玻尔面临着放弃卢瑟福模型还是麦克斯韦及其伟大理论的选择。玻尔勇敢地选择了放弃后者。他以深刻的洞察力预见到，在原子这样小的层次上，经典理论将不再成立，必须引入新的革命性思想，即普朗克的量子和他的H常数。
应该说，这是一项相当艰巨的任务。如何推翻麦克斯韦的理论是其次，关键是新理论能完美解释原子的所有行为。玻尔在哥本哈根努力的那一年，门捷列夫的元素周期律已经被发现很久了，化学键理论已经牢固地建立起来了。种种迹象表明，有一种潜在的规律支配着它们的行为，并在原子内部形成某种模式。原子世界就像一座拥有无限宝藏的金字塔，但如何找到进入其中的通道却是一个令人困惑的问题。
然而，和当年的贝尔佐尼一样，玻尔也拥有一个探索者最宝贵的品质:洞察力和直觉，这使他抓住了晦涩但只是稍纵即逝的线索，从而打开了新世界的大门。1913年初，丹麦青年汉斯·马里乌斯·汉森问玻尔如何解释他的量子化原子模型中原子的谱线。玻尔之前并没有过多考虑这个问题。原子光谱对他来说既陌生又复杂。成千上万的谱线和奇怪的效果太混乱了，他似乎无法从中提取任何有用的信息。然而汉森告诉玻尔，这里面是有规律的，比如巴尔末公式。他敦促玻尔关心巴尔默的工作。
突然，就像伊翁(伊昂)发现了画着蛇发女怪的亚麻布一样，一切都变得清晰起来。山迭水流曲折正愁无路可走，柳绿花开间突然出现一个山村。谁也没有想到，量子取得了决定性的突破。1954年，玻尔回忆:当我看到巴尔默公式的时候，一切都变得清晰了。
从头回顾光谱学的发展，还得从伟大的本生和基尔霍夫说起，那势必又是一部大篇幅的文本。鉴于篇幅，我们只需要对背景知识有一个简要的了解，因为这个历史故事原本并不打算详细描述各个方面。综上所述，当时的人已经知道任何元素受热都会发出特定波长的光。比如我们从中学的火焰实验中知道，钠盐发出明亮的黄光，钾盐是紫色，锂是红色，铜是绿色，等等。这些光线通过分光镜投射到屏幕上，就获得了谱线。在光谱中可以看到各种元素:钠总是以一对黄线的形式出现，锂产生一条鲜红色的线和一条暗橙色的线，钾是一条紫色的线。总之，任何元素都会产生特定的、唯一的谱线。
但是，这些谱线呈现什么规律，为什么会有这些规律，这是一个很大的问题。以氢原子的谱线为例。这是最简单的原子谱线。它表现为一组线段，每条线代表一个特定的波长。例如，在可见光范围内，氢原子的谱线是:656，484，434，410，397，388，383，380...依次纳米。毫无疑问，这些数据并不混乱。1885年，瑞士数学老师约翰·巴尔默(Johann Balmer)发现了该定律，并总结出一个公式来表达这些波长之间的关系。这就是著名的巴尔末公式。把它原来的形式稍微变换一下，用波长的倒数来表示，更简单明了:
ν=R(1/2^2 - 1/n^2)
其中r是常数，称为里德伯常数，n是大于2的正整数(3，4，5等。).
长期以来，这是一个非常有用的经验公式。但是没有人能解释这个公式背后的含义是什么，如何从基础理论推导出来。但在玻尔眼里，这无疑是晴天霹雳。它就像火花，瞬间点燃了玻尔的灵感。所有的怀疑在那一刻变得很自然。玻尔知道了原子中隐藏的秘密，最后对他笑了笑。
我们来看一下巴尔末公式，这个公式使用了一个变量n，n是任何大于2的正整数。n可以等于3，4，但不能等于3.5，这无疑是一个量子化的表达式。波尔深吸了一口气。他的大脑在快速运转。原子只能发出波长符合某种量子定律的辐射。这是什么意思？我们来回忆一下普朗克推导出的经典量子公式:E = hν。频率(波长)是能量的量度。原子只发射特定波长的辐射，也就是说它只能在原子内部吸收或发射特定量的能量。以及原子如何吸收或释放能量？当时已经有了一定的了解。例如，J.Stark提出光谱的谱线是由在不同势位之间运动的电子辐射出来的，英国人J.W.Nicholson也有类似的想法。玻尔无疑意识到了这些任务。
一个大胆的想法在玻尔脑海中浮现:原子内部只能释放一定量的能量，说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换。也就是说，电子只能按照某些“确定”的轨道运行，而这些轨道必须满足一定的势能条件，这样当电子在这些轨道之间跳跃时，只能释放出符合巴尔末公式的能量。
我们可以这样打个比方。如果你在中学听过物理课，你应该知道势能的转化。一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下，他/她将获得1000焦耳的能量。当然，这些能量在下落时会转化为动能。但如果是这样的话，我们通过某种手段知道，一个体重100公斤的人，在跳下几级同样高度的台阶后，总共释放了1000焦耳的能量，那么对于每一级台阶的高度，我们能说什么呢？
显而易见的直接计算就是这个人掉了1米，这就对我们的台阶高度做了严格的限制。在平时，我们会承认一个台阶可以有任何高度，取决于建造者的兴趣。但如果加上这个条件，每一步的高度就不再是任意的了。我们可以假设总共只有一级台阶，那么它的高度就是1米。或者这个人一共跳了两步，那么每一步的高度是0.5米。如果跳三次，那么每一级就是1/3米。如果你是谍战片的粉丝，那么你大概会猜到每一步都是1/39米高。但无论如何，我们不能得出每一步都是0.6米高的结论。原因很明显:0.6米高的台阶不符合我们的观察(总共释放了1000焦耳的能量)。如果只有这一步，它带来的能量是不够的。如果有两个台阶，总高度将达到1.2米，导致释放的能量超过观测值。如果要符合我们的观察，就必须假设总共有一又三分之二级台阶，这无疑是荒谬的，因为孩子知道台阶只能有整数级。
这里的步数“必须”是一个整数，这是我们的量子化条件。这个条件限制了每个台阶的高度只能是1米，或1/2米，而不能是中间的任何数字。
原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多。我们还记得，在卢瑟福模型中，电子像行星一样围绕原子核旋转。当电子最靠近原子核时，其能量最低，可视为“平地”上的一种状态。但是，电子一旦获得一定的能量，就获得了“爬”上一个或几个台阶，到达新轨道的动力。当然，如果没有能量补充，它会从那个高度的轨道上坠落，直到回到“平”的状态，同时再次以辐射的形式释放原有的能量。
关键是我们现在知道，在这个过程中，电子只能释放或吸收特定的能量(由光谱的巴尔末公式给出)，而不是连续的。玻尔做出了合理的推论:这说明电子攀爬的“台阶”必须满足一定的高度条件，不能像经典理论假设的那样是连续的、任意的。连续性被破坏，量子化条件必须成为原子理论的主宰。
我们又要用量子公式E = hν了，请见谅。史蒂芬·霍金在他的畅销书《时间简史》的致谢中说，插入任何一个数学公式都会让作品的销量减半，所以他考虑再三，只用了一个公式，E = mc2。我们的历史故事是一出戏，不考虑那么多，但即使列出公式，也不强迫看客理解其数学意义。只有这个E = hν，我觉得有必要理解它的含义，这也有利于整个历史故事的理解。从科学意义上讲，不亚于爱因斯坦的E = mc2。所以我想重复一下这个方程的描述:e代表能量，h是普朗克常数，ν是频率。
回到正题，玻尔现在知道了氢原子的谱线代表了电子从一个特定的步骤跳到另一个步骤所释放的能量。因为观测到的谱线是量子化的，所以电子的“台阶”(或轨道)也必须是量子化的，不能连续取任何值，而必须分为“底楼”、“一楼”、“二楼”。在两层楼之间，是电子的禁区，它不能出现在那里。就像一个人不能在两步之间漂浮一样。如果电子在“第三层”，其能量用W3表示，那么当电子突发奇想，决定跳到“第一层”(能量W1)时，就会释放W3-W1的能量。我们要求大家记住的公式又进场了，W3-W1 = hν。所以这个移动的直接结果就是，原子的光谱上出现了一条频率为ν的谱线。
玻尔的这些想法全部转化为理论推导和数学表达，最后以三篇论文的形式发表。这三篇论文(或一篇大论文的三个部分)的题目是《论原子和分子的构成》。《只含有一个原子核的系统》和《含有几个原子核的系统》于1913年3月至9月寄给曼彻斯特的卢瑟福，被后者推荐发表在《哲学》杂志上。这是量子物理学史上划时代的文献，也就是伟大的三部曲。
这的确是一个新时代的到来。如果把量子力学的发展史分为三个部分，普朗克在1900年宣布量子诞生，那么玻尔在1913年宣布它进入青年。首次建立了完整的量子理论体系。虽然我们会看到这个系统仍然带有强烈的旧世界痕迹，但其意义无论如何都不可低估。量子第一次以其威力震惊了整个世界。虽然它的一半意识还在沉睡，还在老旧的物理大楼里，但它的咆哮无疑让整个旧世界土崩瓦解，动摇了延续了数百年的经典物理学基础。神话中的巨人已经开始觉醒。那些躲在古城堡里的贵族们，颤抖吧！