原子結構中的電子云結構,是誰提出?故事精彩

2020-12-04 未來科普君

原子結構中的電子云結構是誰提出的

1897年,J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時候,發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那裡流傳下來的「原子不可分割」的理念,明確地向人們展示:原子是可以繼續分割的,它有著自己的內部結構。那麼,這個結構是怎麼樣的呢?

湯姆遜那時完全缺乏實驗證據,他於是展開自己的想像,勾勒出這樣的圖景:原子呈球狀,帶正電荷。而帶負電荷的電子則一粒粒地「鑲嵌」在這個圓球上。這樣的一幅畫面,也就是史稱的「葡萄乾布丁」模型,電子就像布丁上的葡萄乾一樣。 但是,1910年,盧瑟福和學生們在他的實驗室裡進行了一次名留青史的實驗。他們用α粒子(帶正電的氦核)來轟擊一張極薄的金箔,想通過散射來確認那個「葡萄乾布丁」的大小和性質。

但是,極為不可思議的情況出現了:有少數α粒子的散射角度是如此之大,以致超過90度。對於這個情況,盧瑟福自己描述得非常形象:「這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊,結果這炮彈卻被反彈了回來,反而擊中了你自己一樣」。 盧瑟福發揚了亞里斯多德前輩「吾愛吾師,但吾更愛真理」的優良品格,決定修改湯姆遜的葡萄乾布丁模型。他認識到,α粒子被反彈回來,必定是因為它們和金箔原子中某種極為堅硬密實的核心發生了碰撞。這個核心應該是帶正電,而且集中了原子的大部分質量。

但是,從α粒子只有很少一部分出現大角度散射這一情況來看,那核心佔據的地方是很小的,不到原子半徑的萬分之一。 於是,盧瑟福在次年(1911)發表了他的這個新模型。在他描述的原子圖像中,有一個佔據了絕大部分質量的「原子核」在原子的中心。而在這原子核的四周,帶負電的電子則沿著特定的軌道繞著它運行。這很像一個行星系統(比如太陽系),所以這個模型被理所當然地稱為「行星系統」模型。在這裡,原子核就像是我們的太陽,而電子則是圍繞太陽運行的行星們。

但是,這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出,帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉,這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射,從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價,它便不得不逐漸縮小運行半徑,直到最終「墜毀」在原子核上為止,整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說,就算世界如同盧瑟福描述的那樣,也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀於一旦。

原子核和電子將不可避免地放出輻射並互相中和,然後把盧瑟福和他的實驗室,乃至整個英格蘭,整個地球,整個宇宙都變成一團混沌。 不過,當然了,雖然理論家們發出如此陰森恐怖的預言,太陽仍然每天按時升起,大家都活得好好的。電子依然快樂地圍繞原子打轉,沒有一點失去能量的預兆。而丹麥的年輕人尼爾斯.玻爾照樣安安全全地抵達了曼徹斯特,並開始譜寫物理史上屬於他的華彩篇章。

玻爾沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這一理論,畢竟它有著α粒子散射實驗的強力支持。相反,玻爾對電磁理論能否作用於原子這一人們從未涉足過的層面,倒是抱有相當的懷疑成分。曼徹斯特的生活顯然要比劍橋令玻爾舒心許多,雖然他和盧瑟福兩個人的性格是如此不同,後者是個急性子,永遠精力旺盛,而他玻爾則像個害羞的大男孩,說一句話都顯得口齒不清。

但他們顯然是絕妙的一個團隊,玻爾的天才在盧瑟福這個老闆的領導下被充分地激發出來,很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。 1912年7月,玻爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文,歷史學家們後來常常把它稱作「曼徹斯特備忘錄」。玻爾在其中已經開始試圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去,以解決經典電磁力學所無法解釋的難題。但是,一切都只不過是剛剛開始而已,在那片還沒有前人涉足的處女地上,玻爾只能一步步地摸索前進。沒有人告訴他方向應該在哪裡,而他的動力也不過是對於盧瑟福模型的堅信和年輕人特有的巨大熱情。

玻爾當時對原子光譜的問題一無所知,當然也看不到它後來對於原子研究的決定性意義,不過,革命的方向已經確定,已經沒有什麼能夠改變量子論即將嶄露頭角這個事實了。 在濃雲密布的天空中,出現了一線微光。雖然後來證明,那只是一顆流星,但是這光芒無疑給已經僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機,一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點燃了人們手中的火炬,引導他們去尋找真正的永恆的光明。

終於,7月24日,玻爾完成了他在英國的學習,動身返回祖國丹麥。在那裡,他可愛的未婚妻瑪格麗特正在焦急地等待著他,而物理學的未來也即將要向他敞開心扉。在臨走前,玻爾把他的論文交給盧瑟福過目,並得到了熱切的鼓勵。只是,盧瑟福有沒有想到,這個青年將在怎樣的一個程度上,改變人們對世界的終極看法呢? 是的,是的,時機已到。偉大的三部曲即將問世,而真正屬於量子的時代,也終於到來。

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