神奇的原子

神奇的原子

在原子能发电站在人类智慧的指导下，已经顺利运行的今天，而令人难以置信的是19世纪末很多科学家似乎并不相信原子的存在。

世上万物是由物质构成，而物质又是由原子构成的，当时的化学家们进行了艰苦的工作，也只能推断出原子的相对质量（例如，一个钙原子质量是氧原子的2．51倍），而对单个原子的绝对质量却难以测出。自19世纪60年代起，少数科学家开始了解并研究原子。然而，对于尺度大约为10^－10米的东西，人们希望了解什么呢？对以宏观物体为对象的工程师和发明家来说，原子似乎还是不相干的东西。

自从法国物理学家贝克勒耳发现铀盐的放射性以及值得大家敬佩的化学家、物理学家居里夫人在丈夫的全力支持下，经过繁重而艰巨的实验工作，终于发现了钋和镭两种放射性元素。于是，科学又开始了新的历史篇章，科学家们舍弃了原有的观念，给原子以重新的定位，重新研究和探索了原子的组成和结构。也是从那个时候开始诞生了核化学和核物理学。

一、卢瑟福核原子模型

1911年，英国物理学家卢瑟福用一束带正电荷的高速α粒子流轰击一块很薄的金箔（10^－6～10^－7米厚度）。发现只有极少数（约万分之一）α粒子的运动方向发生偏转，个别的α粒子被反射回来，其余绝大多数α粒子几乎不受阻拦地成直线通过。这以不变的事实表明：原子中正电荷占的空间很小，因而α粒子通过金箔时，只有极少部分遇到这种质量较大且带正电荷的质点的排斥而折回。这个带正电的质点位于原子的中心，就是原子核，半径范围是10^－15～10^－14米。而大部分α粒子是以直线通过的，说明电子在原子核外较大的空间内运动。电子很轻，对α粒子的运动几乎没有影响。原子半径约为10^－11～10^－10米，比原子核大1万～10万倍。科学家通过α粒子散射实验，提出了著名的行星式原子模型：原子中心有一个原子核，小小的核集中了原子的全部正电荷和几乎全部质量，而带负电的电子在核外的空间像行星般绕核高速运动。

图1－1　a粒子散射实验装置和散射示意图

二、玻尔原子轨道

在1913年，丹麦青年物理学家——玻尔在继承行星式原子模型的基础上，根据普朗克量子论和爱因斯坦光子学说，提出了原子结构模型。这个模型中提出两个假设：

图1－2　原子结构的行星模型

1．核外电子只能在确定半径和能量的特定轨道上运动，即电子的稳定轨道半径以及能级像是一级一级台阶，说明能量是量子化的，而不是水流般的连续所以有相应的量子数n₁、n₂、n₃……相应的轨道半径r₁、r₂、r₃……相应的能级E₁、E₂、E₃……

2．电子在不同轨道之间跃迁时，要吸收或辐射出光子，光子能量大小取决于跃迁前后两个轨道能量之差，即E光子＝E₂－E₁这就从理论上成功地解释了氢原子和类氢离子（如He^＋、Li^2＋等）的光谱线系。玻尔为原子的基本构造给出了清晰的物理图像。

三、原子轨道的数学描述——波函数

经典物理学中运用空间坐标精辟地描述了自然界中物质的运动状态：恒星在银河系中运动，行星在太阳系中运动，原子在物体中运动，以及电子在原子中运动等等，但是当解释到能量量子化、黑体辐射以及光的波粒二象性的时候它却没有合适的理由存在了。

当科技发展到20世纪20年代，光子、电子和原子等微观粒子的运动状态发展到用数学量子理论加以解释。微观粒子与宏观物体的性质及运动规律有着显著的不同，它们既有微粒性，又具波动性，被称为微观粒子的波粒二象性。

峰与谷相间的起伏曲线是波的共性，描述波形的数学方法叫做波函数。原子中电子的存在方式被看做是一种振动波或量子波，它可用抽象的波函数来表示。物理学家薛定谔提出描述电子运动状态的波动方程并由此建立了近代量子力学理论。

只要对波函数的进行数学计算，就能获得电子的“几率分布”，电子在原子空间的分布情形；据此可找到原子中电子出现最多的位置。

由此可见，具有波动性的电子在空间的几率分布规律是与电子运动的统计性联系在一起的。它们不遵从经典的牛顿力学规律，而遵从不确定性原则，即无法同时精确地测知其位置和动量。这意味着，从量子理论看来，所谓电子运动“轨道”不复存在，存在的应是与波强度大小成正比的电子几率分布。

量子理论像是粒子状态信息获取库，它指导人们阅读“黑匣子”，却并不揭示其内部机制。在微观世界的描述上，它对经典力学无疑是一种成功的超越和“背叛”；它是一种全新的科学概念。