△叩开原子大门的路径——原子模型

三大发现打破了原子不可分的旧观念,原子存在内部成分和内部结构,成了科学的事实,但是,原子内部含有什么成份呢?这些成份之间的组织结构是怎样的呢?近代的科学家们相继提出了不同类型的原子结构模型:“布丁模型”、“土星模型”、“有核行星模型”及著名的“玻尔模型”。

1)布丁模型

汤姆逊发现电子后,深入思考了原子的结构,他吸收了开尔文的思想,于1904年提出了“葡萄干蛋糕模型”,即“布丁模型”,又称“枣糕模型”。他认为原子是个球体,带负电的电子嵌在球体的某些固定位置上,而正电荷就象“流体”一样,均匀地分布于球中,使原子球体成了一个均匀的正电球。这是最先提出的一种原子结构模型。

2)土星模型

继汤姆逊之后,日本物理学家长半太郎提出原子结构的“土星模型”。他认为,原子中心是一个很重的带正电球体,电子带负电,均匀地分布在圆环形外层,这些外层电子组成的圆环,象一个土星环。以上两个原子结构模型,开创了原子结构研究的道路。尽管这种开始的设想包含严重的缺陷甚至错误,但它给人们的启示是不可低估的。

3)卢瑟福与有核行星模型

进入光辉的二十世纪以后,现代科技史上诞生的一位伟人便是卢瑟福。他并非出身于书香门第、望族世家,而是生长在大洋洲中一个穷乡僻壤的普通劳动人民家庭里。他凭藉刻苦所赢得的三次奖学金的支持,才得以享受良好的教育。他在科学上能有重大成就,除了他天赋聪明、才能杰出外,还与他谦逊好学有关。他的突出贡献是1911年提出了原子的有核行星模型。他确立了放射线的性质,提出原子结构有核模型,还培育出了一支最先进的科学研究队伍。卢瑟福是一位杰出的物理学家、实验家,也是一位自然科学的唯物主义者。

1906年,卢瑟福及其助手们做了一个极其著名的实验。他们用X粒子作“炮弹”去轰击一片金属箔。实验结果发现:大部分粒子能穿越金属箔,其轨迹是直线,但是有少数α粒子却发生角度偏转,个别α粒子还会弹回来。卢瑟福把这个现象称做α粒子的散射现象。随着电子和原子核的发现,卢瑟福于1911年提出了“行星式原子结构模型”。他提出:原子核位于原子中心,集中了几乎所有的质量和全部的正电荷,正如围绕着恒星转动,电子围绕原子核作圆周运动。1913年盖革和马斯登用实验证实了卢瑟福的设想,从此卢瑟福模型得到公认,形成原子结构理论的一大飞跃。

在卢瑟福担任卡文迪许实验室主任期间,正是由于他的热情鼓励和循循善诱,使得他的大多数学生和合作者都在原子核物理学这一领域里,作出了自己的贡献,出现了一个光彩夺目的人才群落。当代物理学家海森堡称卢瑟福是“现代原子物理学的真正奠基者”。新西兰科学传记作家约翰·罗兰指出:“当卢瑟福初露头角时,人们对于原子的研究还处于一个‘渺茫’的阶段。当然,汤姆逊、贝克勒耳、居里夫人以及其他许多科学家都曾对原子的这一方面的问题感兴趣;即使卢瑟福没有来到人间,人们对于原子的研究毕竟也会取得进展的。但是,不容置疑,他的影响所及,超过了同时代任何一位科学家,从而使原子的全貌变得更加清晰、明朗了。没有他,世界将以另外的样子向前发展,而科学的进展也不会与今天一样。”

4)玻尔模型

卢瑟福模型虽然取得了很大成功,但它并非十全十美。它存在两大缺点,第一是不能构成电稳定系统。第二是与当时的原子光谱知识有矛盾。这时,玻尔提出了著名的“玻尔模型”。

玻尔是丹麦著名的物理学家。1907年进入哥本哈根大学攻读物理。学生时代他的学习成绩很出色,曾因发表关于精确测定水表面张力的论文,获得了丹麦科学院的金质奖章。玻尔与卢瑟福之间有着浓厚的私人友谊。玻尔曾说:“他对我一生事业的影响是很显著的,至今我仍铭感至深,而在心底长忆斯人。”卢瑟福也曾评价他说:“这个年轻的丹麦人是我遇到过的最有才智的小伙子。”玻尔在卢瑟福实验室仅工作了四个月。由于都有为科学而奋斗的共同理想,他们有很多共同语言。这段短暂而难忘的时光,使玻尔与卢瑟福开始建立起终生不渝的友谊,并使玻尔确立了自己的学术方向。

1913年,玻尔以《原子和分子的结构》为题,连续发表了三篇论文,把普朗克的量子理论应用于原子结构的问题。他的工作是以当时物理学家所公认的行星式电子模型为根据的。他提出了两条假设:①定态假设:电子只能稳定地处于某些分交的状态,只能在一组特定的轨道上运动,越远离核心的稳定态,具有越高的能量。处于稳定状态的电子不能向外辐射能量。②频率法则:电子可在不同定态间跃过,只有在电子跃迁的一瞬间才会吸收或发出光,其能量等于跃迁前后定态之间的能量差。玻尔原子结构理论克服了卢瑟福的困难,出色地解释了原子的稳定性与原子光谱的分交性。玻尔继承了卢瑟福的同心圆轨道的思想,他的理论虽属于旧量子论的范围,却是从经典理论发展到量子理论的一个重要环节。量子学说的提出,为人们研究原子物理、原子核物理及跨入原子能时代打下坚定的理论基础。

玻尔把许多知名的学者都紧密团结在自己周围。有人曾经问过玻尔为什么你能够聚集那么多有才能的年轻人!玻尔回答说:没有什么秘诀,只有一点是清楚的,那就是我不怕在年轻人面前暴露自己的愚蠢。玻尔是一个意志顽强、坚韧不拔的科学家。