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，17661844 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（18561940）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（18971937）和盖革（18821945）用 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 粒子按直线透过 金属箔，只有极少一部分 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 100.1fm，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 （18251898）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（18911974）进一步揭开原子核的秘密。 1919 年，卢瑟福用 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 粒子强。 1930 年卢瑟福的学生查德威克在卡文迪许实验室用 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，18921960）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 这个名额，因此，第二名就递补上去了。这样，“遗憾”就变成 了万幸。据说，他收到这份令人高兴的录取通知书时，卢瑟福正 在地里收土豆。这时，他甩掉手中的土豆，说道：“这是我要挖的最后一个土 豆了。”其实，卢瑟福也是准备结婚的，但为了求学上进，他推迟了婚期，只 身去了英国。 到了剑桥大学，卢瑟福成了汤姆孙的研究生。这个英国导师正值壮年，也 正带着一个科研集体活跃在物理研究的前沿。不久，汤姆孙发现了电子。汤姆 孙的操作技术很一般，然而汤姆孙具有发现人材的眼光，他很快就发现这个新 西兰人不一样。卢瑟福是个大嗓门，看上去大大咧咧的，性格粗犷，但他满脑 子聪明，而且手很灵巧，他也自然地受到汤姆孙的器重。同学们也很喜欢这个 新西兰人，一位同学在家信中写道：“我们这里从地球上和我们相对的地方来 了一只长毛兔子，他正在挖掘非常深的洞。”同学说他是一只“长毛兔子” 是戏称，因为在英国人的眼里，新西兰那个地方只出兔子，没想到来了一个绝 顶聪明的人。他的同学说的不错，卢瑟福对放射性的发展很有兴趣，并在这一 新的领域进行探索，正在打一个很深的“洞”。梦想成真卢瑟福到英国时，正 是物理学作出众多发现的时期。1895 年德国物理学家伦琴发现 X 射线，1896 年 法国物理学家贝克勒尔发现放射性现象，1897 年汤姆孙发现电子。这些发现大 大激励了物理学家的信心，并使人们看到物理学家未来的希望。 1898 年，卢瑟福确定自己的研究在放射性上。但他的研究与别人不一样， 他的着重点不是在寻找放射性元素，而是要打开原子的大门，探索原子的内部 结构。幸运的是，这一年，他将强磁场加到铀放射出的射线上，发现射线可分 成三股，其中一股直行，另两股一左一右。他用铝箔来检验铀射线的穿透本领。 他发现，在这一左一右的射线中，一股射线可以穿透 0.02 毫米厚的铝箔，另一 股射线的穿透能力则要大出几十倍，能穿透 0.5 毫米厚的铝箔。卢瑟福将它们 分别命名为 射线和 射线（后来人们又从铀射线中发现了第三种射线，即 射线，它的穿透本领更强）。 在进一步的观察后，他发现，放射性物质衰变时，物质不断减少，但它所 遵循的规律很奇特，它每经历一个衰变期，自身物质减少一半；再经历一个衰 变期，它又减少一半；按这样的规律不断减少下去。大致是这样减少的。即在 相同的时间内，放射性物质会逐渐减少为最初物质的 1/2、1/4、1/8、1/16。另一方面，当放射性物质不断减少、辐射强度不断 降低时，它衰变的产物却在增多，辐射强度也在增加。 根据他的观察就得出两条著名的曲线，（如图）这条线被很多人形容为 “波浪”。科学界“兴风作浪”卢瑟福由于在放射性物质研究上的突出成就而 获得了 1908 年诺贝尔化学奖，他对自己不是获得物理学奖感到有些意外，他风 趣地说：“我竟摇身一变，成为一位化学家了。”“这是我一生中绝妙的一次 玩笑！”。获奖之后，卢瑟福的研究仍不断扩展，在原子物理学和原子核物理 学研究上取得了极大成果。他所提出的核式模型仍是一种重要的模型。这种模 型看上去像个微型“太阳系”，现在还常常作为原子的形象来展示。由于卢瑟 福在科学上的贡献，他还在 1914 年被封为爵士。1931 年他成了贵族，接受了 纳尔逊（他的家乡地）男爵的封号。这是很难得的荣誉。在绘制贵族的徽章时， 在徽章的中心部位，他放上了那两条著名的曲线。1925 年卢瑟福被选为英国皇 家学会会长。1937 年 10 月 19 日，卢瑟福去世，被安葬在威斯敏斯特大教堂， 紧靠着牛顿的墓。 卢瑟福被公认为 20 世纪最杰出的科学家之一。卢瑟福是一个性格外向的人， 是一个不很“谦虚”的人。有一次，他的同事对他讲，你有一种不可思议的能 力，总是处在科学研究的“浪尖”上。对此，卢瑟福马上就说：“说得很对， 为什么不这样呢？不管怎么说，是我制造了波浪，难道不是吗？”是的，几乎 没有人不同意卢瑟福这个自我评价的。 三、诺贝尔奖得主的幼儿园 卢瑟福本人是一位伟大的物理学家，这是无需置疑的。但他同时更是一位 伟大的物理导师，他以敏锐的眼光去发现人们的天才，又以伟大的人格去关怀 他们，把他们的潜力挖掘出来。在卢瑟福身边的那些助手和学生们，后来绝大 多数都出落得非常出色，其中更包括了为数众多的科学大师们。 我们熟悉的尼尔斯.玻尔，20 世纪最伟大的物理学家之一，1922 年诺贝尔 物理奖得主，量子论的奠基人和象征。在曼彻斯特跟随过卢瑟福。 保罗.狄拉克（Paul Dirac） ，量子论的创始人之一，同样伟大的科学家， 1933 年诺贝尔物理奖得主。他的主要成就都是在剑桥卡文迪许实验室做出的 （那时卢瑟福接替了 J.J.汤姆逊成为这个实验室的主任） 。狄拉克获奖的时候 才 31 岁，他对卢瑟福说他不想领这个奖，因为他讨厌在公众中的名声。卢瑟福 劝道，如果不领奖的话，那么这个名声可就更响了。 中子的发现者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼彻斯特花了两年 时间在卢瑟福的实验室里。他于 1935 年获得诺贝尔物理奖。 布莱克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大战后辞去了海军上尉的职 务，进入剑桥跟随卢瑟福学习物理。他后来改进了威耳逊云室，并在宇宙线和 核物理方面作出了巨大的贡献，为此获得了 1948 年的诺贝尔物理奖。 1932 年，沃尔顿（E.T.S Walton）和考克劳夫特（John Cockcroft）在卢 瑟福的卡文迪许实验室里建造了强大的加速器，并以此来研究原子核的内部结 构。这两位卢瑟福的弟子在 1951 年分享了诺贝尔物理奖金。 这个名单可以继续开下去，一直到长得令人无法忍受为止：英国人索迪 （Frederick Soddy） ， 1921 年诺贝尔化学奖。瑞典人赫维西（Georg von Hevesy） ，1943 年诺贝尔化学奖。德国人哈恩（Otto Hahn） ，1944 年诺贝尔化 学奖。英国人鲍威尔（Cecil Frank Powell） ， 1950 年诺贝尔物理奖。美国人 贝特（Hans Bethe） ，1967 年诺贝尔物理奖。苏联人卡皮查（P.L.Kapitsa） ， 1978 年诺贝尔化学奖。