李子布丁模型：一個有缺陷的模型，如何幫助我們理解原子

作為化學反應中不可再分的基本微粒，對於原子的探索和研究持續了上千年，從古希臘抽象的哲學推理到近現代不斷完善的物理概念，如同大多數科學探索一樣，過程中出現了無數錯誤的認知和模型。

1904年，英國物理學家J. J .湯姆遜提出了他關於原子模型的觀點。這是一個非同尋常，但似乎合理的構造，在科學界引起巨大反響並廣為接受。

幾年前，湯姆遜發現了電子，他試圖調和原子的兩個已知性質：帶負電荷的電子和電中性的原子。電子帶負電，原子是中性的，那麼一定有東西是正的。因此，湯姆遜想出了一個在當時有意義的分配方案——以古怪的英國方式，他稱之為李子布丁模型。

李子布丁模型，又稱棗糕模型、葡萄乾蛋糕模型、湯姆孫模型、洋李布丁模型等。湯姆遜開創性地把原子看作是帶正電的「布丁」，把電子看作是「李子」，李子嵌入布丁裡。這一模型提出沒幾年，就被實驗結果擊破。1911年，盧瑟福發表的實驗結果顯示，原子核擁有原子的大部分質量，電子則分散在原子外層的廣闊區域內。

組成一切的原子

物質是由原子組成的這一觀點可以追溯到兩千五百萬年前，古希臘哲學家留基伯提出了「萬物由原子構成」的原子論，並由他的學生德謨克利特發展和完善。

出生於公元前460年左右的古希臘哲學家德謨克裡特斯提出了一個被許多人視為瘋狂的想法：我們周圍看到的一切都是由微小的個體成分組成，他稱這些成分為「原子」。

德謨克裡特的一些想法非常直觀。他認為原子是肉眼看不見的，但它們確實有幾何形狀；它們總是在運動，被真空隔開，單個原子是不可摧毀的——非常接近我們今天所知道的真實情況。

儘管有一些哲學家仍將原子論記於心中，但在後來的兩千多年的時間裡，德謨克裡特斯的原子論基本上被置之度外，尤其是當它被柏拉圖和亞里斯多德忽視的時候。

柏拉圖認為所有的物質都是由四種元素(土、火、風和水)組成的，據說他非常討厭德謨克裡特，以至於他希望他所有的書都被燒掉。然而，德謨克裡特被一些人認為是「現代科學之父」，他的方法更接近科學而不只是哲學，就像柏拉圖那樣。

時間來到20世紀，隨著新的科學發現的出現，原子重新被提上檯面，科學研究的需要促使對其進行研究。

重回視線的原子

18世紀末，英國科學家約翰·道爾頓正在努力解釋一些實驗結果。他發現無論如何組合化學元素，反應的總質量都是一樣的。他和其他化學家還注意到，水以不同的比例吸收不同的氣體，例如，水吸收二氧化碳的能力遠遠強於吸收氮氣的能力。

道爾頓自編的元素表

他提出，每種化學元素都是由單一、獨特類型的原子組成的。這些原子不能通過化學手段改變或破壞，但它們可以結合形成更複雜的結構——與德謨克裡特提出的觀點驚人的相似。

約翰·道爾頓《化學哲學新體系》(1808)中描述的各種原子和分子

此觀點在後來大約一個世紀的時間裡一直佔主導地位的思想流派，直到J. J .湯姆遜的出現。

到20世紀初，著名的研究人員如阿瑪迪奧·阿伏伽德羅、羅伯特·布朗，甚至阿爾伯特·愛因斯坦都已經發現了道爾頓模型的缺陷，但是直到1897年約瑟夫·湯姆遜的實驗之前，原子仍然被認為是物質的最小可能的劃分。

通過實驗，約瑟夫·湯姆遜發現陰極射線可以被電場偏轉。這意味著陰極射線不是光，而是別的東西，湯姆遜正確地推斷是電子流。換句話說，他發現了原子的一個組成部分：帶負電荷的電子，這是一種不同於以往任何已知粒子的粒子。

幫助發現電子的湯姆遜陰極射線的複製品

他甚至還測量了電子的質荷比，發現它們比最小的原子氫小1800倍。因此毫無疑問，原子是可分的，這意味著原子中的某些東西也必須是正的。

他考慮了以下三種情況:

1. 每個帶負電的電子都有一個帶正電的粒子跟隨它到任何地方；
2. 電子圍繞正電荷區域運行，其大小與所有電子的總電荷相同；
3. 負電子佔據一個均勻帶正電的空間。

他本可以得出正確的結果，卻錯誤的選擇最後一個作為三者中最有可能的情況。他將自己的想法提交給了1904年版的《哲學雜誌》，湯姆遜在文中寫道:

「…元素的原子由許多帶負電的微粒組成，這些微粒被包裹在均勻帶正電的球體中。…」

這一理論被物理學家所接受，他們開始設計實驗，根據這一模型來了解更多的原子。

具有諷刺意味的是，正是這些精確的實驗最終推翻了李子布丁模型。

否定布丁模型，提出新理論

湯姆遜的模型被他的一個學生歐內斯特·盧瑟福推翻了，由此可見湯姆遜的工作和實驗室在當時有多麼有影響力。

盧瑟福的實驗表明正電荷集中在原子的中心，似乎是一個原子核。盧瑟福提出了原子的行星模型，在這個模型中，原子核像一顆恆星，電子像行星一樣圍繞原子核運轉。

行星模型

但是有一個問題，而且是個大問題：它與經典力學相矛盾。

在盧瑟福設想的模型中，電子在圍繞原子核運行時會釋放電磁輻射。這意味著它會在這個過程中失去能量，螺旋接近原子核，並在1皮秒內發生塌縮。

這個模型是一個災難，因為它暗示所有的原子都是不穩定的，而事實顯然不是這樣。

對原子模型的討論在玻爾這裡發生終結，玻爾接受了普朗克的量子論和愛因斯坦的光子概念，在行星模型的基礎上提出了核外電子分層排布的原子結構模型。

碳原子原子模型

根據新模型，電子能夠在不輻射任何能量的情況下圍繞原子核在某些穩定的軌道上旋轉，這與經典電磁學的觀點背道而馳。儘管我們對原子的理解已經改變了多次，對原子和亞原子粒子的了解也更多，但這個模型仍然被廣泛使用，至少在非學術界是這樣。

為什麼要費心學習李子布丁模型

人們很容易注目李子布丁模型的缺陷，並且永遠不再看它。但是物理課仍然使用這個模型是有原因的，它不僅僅是作為科學史參考。

如果我們想真正學到一些東西，而不僅僅是記住它，而是建立一個過程。如果我們經歷物理學家最初是如何了解原子的，他們有什麼理論，這些理論是如何被證明或證明是錯誤的，我們會獲得更好的理解。這就是我們學習李子布丁模型的原因，因為即使是不可信的想法也有價值。

隨著科學技術的進步，毫無疑問，我們今天使用的一些模型也可能被證明是有缺陷的，但人們仍然會了解它們。

我們仍在學習關於原子成分及其結構的新知識，在可預見的未來我們還會學到更多。科學很少是關於發現終極的、有限的真理——相反，科學是關於增加越來越多的理解層次並建立近似模型。湯姆遜的模型是這些近似模型中的一個：它遠非完美，事實上它被徹底否定了，然而，它在原子結構摸索中發揮了重要的作用，因為它為更多更好的發現鋪平了道路。