原子结构的发展史
各种原子模型
——原子结构的探索过程
|行星结构模型|中性模型|固体带电球模型|葡萄干蛋糕模型|土星模型|太阳系模型|玻尔模型|
自从英国化学家、物理学家道尔顿(J .约翰·道尔顿，1766 ~ 1844)(右图)创立原子理论以来，人们一直认为原子就像一个小得不能再小的玻璃实心球，里面没有更多花样。
德国科学家希托夫在1869年发现阴极射线后，克鲁克斯、赫兹、勒纳、汤姆逊等一大批科学家对阴极射线进行了二十多年的研究。最后，约瑟夫·约翰·汤姆森发现了电子的存在(请参观科学园里的“神秘绿色荧光”)。在正常情况下，原子是不带电的。既然比自己质量小1700倍的带负电的电子也能跑出原子，说明原子内部是有结构的，原子内部有带正电的东西，应该会和电子携带的负电荷中和，使原子呈中性。
除了电子，原子里还有什么？电子如何留在原子中？原子中带正电荷的是什么？正电荷是如何分布的？带负电的电子如何与带正电的东西相互作用？很多新问题摆在物理学家面前。根据当时的科学实践和实验观察结果，物理学家们运用丰富的想象力，提出了各种原子模型。
行星结构的原子模型
1901年，法国物理学家让·巴蒂斯特·皮兰(1870-1942)(左)提出了一个结构模型，认为原子的中心是一些带正电的粒子，外围是一些轨道运行的电子，电子轨道运行的周期对应于原子发出的谱线频率，最外层。
中性原子模型
1902年，德国物理学家Learnard (1862-1947)(右)提出了中性粒子动力学子模型。Learnard早期的观察表明，阴极射线可以穿过真空管中的铝窗到达管外。根据这一观察，他在1903通过吸收实验证明了高速阴极射线可以穿过成千上万个原子。按照当时流行的半唯物主义者的说法，原子的体积大部分是空的，刚性物质大约只有10-9(也就是十万分之一)。Learnard设想“刚性物质”是分散在原子内部空间的大量正负电荷的合成。
固体带电球原子模型
开尔文勋爵(1824 ~ 1907)(左图)，英国著名物理学家、发明家，原名威廉·唐慕孙。由于他在安装第一条大西洋海底电缆方面的功勋，英国政府于1866年和1892年授予他爵士称号。开尔文的研究范围很广，在热学、电磁学、流体力学、光学、地球物理学、数学和工程应用等领域都做出了贡献。他一生发表论文600多篇，获得发明专利70项。他在当时的科学界享有很高的声誉。开尔文1902提出了固体带电球体原子模型，即把原子看成是一个均匀带正电的球体，球体内部埋有带负电的电子，正常情况下处于静电平衡状态。这个模型后来被J.J .唐慕孙发展，后来被称为唐慕孙原子模型。
葡萄干蛋糕模型
约瑟夫·约翰·汤姆森(1856-1940)(右)继续他更系统的研究，并试图描述原子结构。汤姆逊认为原子包含一个均匀的阳极球体，几个负电子在这个球体中运行。根据阿尔弗雷德·迈耶(Alfred Mayer)对浮动磁铁平衡的研究，他证明了如果电子的数量不超过一定的限度，这些运行的电子形成的环将是稳定的。如果电子数超过这个限制，就会列为两个环，以此类推。这样，电子的增加导致了结构上的周期性相似，门捷列夫周期表中物理化学性质的反复再现也可能得到解释。
在汤姆森提出的这个模型中，电子在球体中的分布有点像点缀在蛋糕中的葡萄干。很多人把汤姆逊的原子模型称为“葡萄干蛋糕模型”。不仅可以解释原子为什么是电中性的，电子在原子中是如何分布的，还可以解释阴极射线现象和金属在紫外线照射下可以发射电子的现象。而且根据这个模型，可以估算出原子的大小约为10-8 cm，这是一件了不起的事情。因为汤姆逊模型可以解释当时很多实验事实，所以很容易被很多物理学家接受。
土星模型
长冈汉太郎(1865-1950)1903 1904在东京数学物理学会口头发表，1904年分别在日文、英文、德文杂志上发表《解释线性和带谱及》。他批判了汤姆逊的模型，认为正负电不能互相渗透，提出了一个他称之为“土星模型”的结构——一个电子环绕着带正电的内核旋转的原子模型。一个带正电的大质量球被一圈等间距分布的电子包围着，这些电子以相同的角速度做圆周运动。电子的径向振动发出线谱，垂直于环面的振动发出带谱。环上的电子飞出为β射线，中心球体上的带正电粒子飞出为α射线。
这个土星模型对他后来的原子成核模型影响很大。1905年，他分析了α粒子荷质比测量等实验结果，发现α粒子是氦离子。
1908年，瑞士科学家利兹提出了磁原子模型。
他们的模型在一定程度上可以解释当时的一些实验事实，但不能解释很多新的实验结果，所以没有进一步发展。几年后，汤姆逊的“葡萄干蛋糕模型”被他的学生卢瑟福推翻。
太阳系模型——有核原子模型
英国物理学家欧内斯特·卢瑟福(1871 ~ 1937)于1895年来到英国卡文迪许实验室跟随汤姆逊学习，成为汤姆逊第一个海外研究生。卢瑟福勤奋好学。在汤姆逊的指导下，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。
卢瑟福设计了一个巧妙的实验。他把铀、镭等放射性元素放在铅容器里，只在铅容器上留下一个小洞。因为铅可以阻挡辐射，所以只有一小部分辐射从小孔中出来，形成一束狭窄的辐射。卢瑟福在辐射束附近放置一块强磁铁，结果发现有一条射线不受磁铁的影响，保持直线运动。第二条射线受磁铁影响，偏向一侧，但偏向不厉害。第三条光线偏转得很厉害。
卢瑟福将不同厚度的材料放在辐射的方向上，观察辐射的吸收。第一种辐射不受磁场影响，这意味着它不带电，穿透力强。一般的纸张、木屑等材料都无法阻挡辐射的前进，只有厚厚的铅板才能完全阻挡，这就是所谓的伽马射线。第二条射线将受到磁场的影响并偏向一侧。从磁场的方向可以判断这条射线是带正电的。这种射线的穿透力很弱，用一张纸就能完全挡住。这是卢瑟福发现的阿尔法射线。第三种射线按偏转方向带负电，性质与快速移动的电子相同，故称为β射线。卢瑟福对他自己发现的阿尔法射线特别感兴趣。经过深入细致的研究，他指出α射线是带正电的粒子流，这些粒子是氦原子的离子，也就是缺了两个电子的氦原子。
“计数管”是德国留学生汉斯·盖格(1882-1945)发明的，可以用来测量肉眼看不见的带电粒子。当带电粒子通过计数管时，计数管发出一个电信信号。当这个电信信号连接到报警器上时，仪器会发出“咔嗒”声，指示灯也会亮起。不可见和不可见的射线可以用非常简单的仪器记录和测量。人们称这种仪器为盖革计数器。在盖革计数器的帮助下，卢瑟福领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究发展迅速。
1910年，马斯登(E.Marsden，1889-1970)来到曼彻斯特大学。卢瑟福让他用α粒子轰击金箔，做实践实验，用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。根据汤姆逊的葡萄干蛋糕模型，微小的电子分布在一个均匀带正电的物质中，而α粒子是失去了两个电子的氮原子，质量比电子大几千倍。这么重的壳层轰击原子，小电子也抵挡不住。而金原子中的正物质是均匀分布在整个原子体积中的，无法抵抗α粒子的轰击。也就是说，α粒子会很容易地穿过金箔，即使被阻挡了一点点，穿过金箔后也只会稍微改变方向。卢瑟福和盖革多次做过这种实验，他们的观测结果与汤姆逊的葡萄干蛋糕模型非常吻合。受金原子的影响，α粒子稍稍改变了方向，其散射角极小。
马斯登(左)和盖革重复做了很多次的实验，奇迹出现了！他们不仅观察到了散射的α粒子，还观察到了金箔反射的α粒子。卢瑟福在晚年的一次演讲中描述了这一场景。他说，“我记得盖革在两三天后非常兴奋地找到我说，‘我们得到了一些反射的阿尔法粒子……’，这是我一生中最不可思议的事件。就像用15寸的炮弹对着卷烟纸射击，却被反射回来的炮弹击中一样不可思议。想了想，才知道这种后向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算，我看到，如果不考虑大部分原子质量集中在一个小核里，是不可能得到这个数量级的。"
卢瑟福说的“思考之后”，不是思考一两天，而是思考整整一两年。在做了大量实验、理论计算和慎重考虑后，他大胆提出了原子核原子模型，推翻了他的老师汤姆逊的固体带电球原子模型。
卢瑟福检查了他的学生实验中反射的α粒子确实是α粒子，然后仔细测量了反射的α粒子的总数。测量显示，在他们的实验条件下，每8000个入射的阿尔法粒子中，就有一个阿尔法粒子被反射回来。汤姆逊的固体带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射，不能解释大角散射。多次散射可以得到大角度散射，但计算结果表明多次散射的概率极小，与上述八千个α粒子中的一个反射回来的观测相差太远。
汤姆逊原子模型无法解释α粒子的散射。经过仔细的计算和比较，卢瑟福发现，只有当正电荷集中在很小的区域，α粒子穿过单个原子时，才能发生大角度散射。换句话说，原子的正电荷一定集中在原子中心的一个小原子核里。在这个假设的基础上，卢瑟福进一步计算了α散射的一些规律，做出了一些推论。这些推论很快被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。
卢瑟福的原子模型就像一个太阳系，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕太阳运行的行星。在这个“太阳系”中，它们之间的力是电磁相互作用。他解释说，原子中带正电荷的物质都集中在一个小核中，大部分原子质量也集中在这个小核中。当α粒子直接射向原子核时，可能会被反弹回来(左图)。这满意地解释了α粒子的大角度散射。卢瑟福发表了著名论文《物质对α和β粒子的散射及其原理结构》。
卢瑟福的理论开辟了研究原子结构的新途径，为原子科学的发展做出了不朽的贡献。然而，在当时很长一段时间里，卢瑟福的理论受到物理学家的冷遇。卢瑟福的原子模型的致命弱点是正负电荷间的电场力不能满足稳定性的要求，即不能解释电子如何稳定地停留在原子核外。Hantaro在1904年提出的土星模型，因为无法克服稳定性的困难而不成功。因此，当卢瑟福再次提出原子核原子模型时，许多科学家将其视为一种猜想或各种模型中的一种，而忽略了卢瑟福提出该模型所依据的坚实的实验基础。
卢瑟福有着非凡的洞察力，所以他常常能够抓住本质，做出科学的预测。同时他有非常严谨的科学态度，他要从实验事实中得出结论。卢瑟福认为他的模型远非完美，需要进一步研究和发展。他在论文的开头宣称:“在这个阶段，没有必要考虑所提出的原子的稳定性，因为显然它将取决于原子的精细结构和带电成分的运动。”在那一年写给朋友的信中，他也说:“我希望在一两年内能对原子结构给出一些更清晰的看法。”
玻尔模型
卢瑟福的理论吸引了一位来自丹麦的年轻人，他的名字叫尼尔斯·玻尔(1885-1962)(左)。他在卢瑟福模型的基础上，提出了原子核外电子的量子化轨道，解决了原子结构的稳定性问题，描述了一个完整的、令人信服的原子结构理论。
玻尔出生于哥本哈根的一个教授家庭，1911年获得哥本哈根大学博士学位。1912三月到七月在卢瑟福的实验室学习，这期间他的原子理论诞生了。玻尔首先将普朗克的量子假说推广到原子内部的能量，以解决卢瑟福原子模型稳定性中的困难。假设原子只能通过离散能量光子改变能量，即原子只能处于离散稳态，最低稳态是原子的正常态。然后受好友汉森的启发，从谱线的组合定律得出了稳态跃迁的概念。他在1913和11的7月和9月发表了他的长文《论原子结构和分子结构》的三个部分。
玻尔的原子理论给出了这样一个原子形象:电子以某种特定的可能轨道围绕原子核运动，离原子核越远，能量越高；可能的轨道是由电子的角动量必须是h/2π的整数倍决定的；当电子在这些可能的轨道上运动时，原子并不发射或吸收能量，只有当电子从一个轨道跳到另一个轨道时，发射或吸收的辐射才是单频的。辐射的频率和能量之间的关系由e = h ν给出。玻尔的理论成功地解释了原子的稳定性和氢原子谱线的规律。
玻尔的理论极大地扩大了量子理论的影响，加速了它的发展。1915年，德国物理学家阿诺德·索末菲(1868-1951)将玻尔的原子理论扩展到包括椭圆轨道，并考虑了电子质量随其速度变化的狭义相对论效应。衍生光谱的精细结构与实验一致。
191955年，阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)根据玻尔的原子理论统计分析了物质吸收和发射辐射的过程，推导出普朗克辐射定律(左边是玻尔和爱因斯坦)。爱因斯坦的工作综合了量子理论第一阶段的成果，将普朗克、爱因斯坦、玻尔的工作整合成一个整体。
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