初探原子核的秘密

初探原子核的秘密

历史的道路不是涅瓦大街上的人行道，它完全是在田野中前进的，有时穿过尘埃，有时穿过泥泞，有时横渡沼泽，有时行经丛林。

——车尔尼雪夫斯基

尽管卢瑟福对原子的内部结构有了一些认识，但是还有许多问题没有找到答案。原子核的物质组成，电子的负电荷是靠什么来平衡的，卢瑟福又做了另一个试验来解答这些问题。

这次的实验基本上与第一次的实验相同，只是这一次α粒子的目标改变了，是一些氮气，而不是金箔，卢瑟福希望这次α粒子能撞开原子核。他使用的一个很重要的装置是威尔逊（1927年诺贝尔物理奖获得者）研制的云室。云室是一个充满水蒸汽的壶底的活塞突然被拉低时，就会使里面的空气膨胀，温度降低。在这一瞬间，如果一些带电荷的粒子通过云室，水蒸汽就会凝结在它们的路径上。拍下的照片会显示出粒子路径上水滴的痕迹。

原子内部结构模拟图

这次实验和卢瑟福料想的结果一样，绝大多数α粒子笔直通过氮原子的壳，只有极少数粒子撞上核，崩开了。这又进一步证明了原子除了中央有一个小核外，大部分是空的。卢瑟福还注意到，当他以α粒子撞击氮气时，产生了一个带正电荷的氢原子。我们现在都知道，氢原子通常在核里面仅有一个质子，而没有中子，外面有一个绕核旋转的电子。如果把电子移走了，氢原子就只剩下一个带正电的质子。但是在当时，就是像卢瑟福这样世界顶尖的科学家也不知道这一点。这个实验给卢瑟福一个很大的启示：每一种元素的原子都有一个或更多的这种带正电荷的氢原子。卢瑟福把这种带正电荷的氢原子叫做质子。

通过上述一系列的研究，卢瑟福提出了一个更完整的原子模型：原子的中央是由很重的带正电的质子构成的核。远离这个核的是很轻的带负电的电子。电子绕着核转，像行星绕着太阳转一样。原子核与原子相比实在太小了，将10000多个原子核排成一条直线，也仅有原子的半径那么长。如果将原子放大10000亿倍，原子就会像一间大厅那么大，而其中的原子核直径也仅有1毫米，跟一个芝麻差不多大小。而电子却在离它们几十米之外的地方绕着它高速旋转。表面上看起来非常密实的物质，如铁、钻石，实际上大部分都是空无一物的空间。原子重量几乎都集中在原子核上，而原子核的体积却仅有1立方厘米左右。因此，粒子在物质中飞行和宇宙飞船在太空中航行差不多。毫无疑问，卢瑟福的原子模型比汤姆生的葡萄干面包原子模型前进了一大步，但是仍然不够完善。一个重要的理论缺陷是围绕在原子核周围的电子之间的作用力是斥力，根据数学计算，当两个或更多的电子彼此距离相等、在轨道上绕核旋转时，它们将进入振荡（不稳定）状态，原子会因此而破碎。可是实验证明原子并未破碎，卢瑟福的原子模型是正确的，这又如何解释呢？这个问题就留给了丹麦年轻的物理学家玻尔。

玻尔1885年10月7日生于哥本哈根，1903年入哥本哈根大学数学和自然科学系，主修物理学。1907年以有关水的表面张力的论文获得丹麦皇家科学文学院的金质奖章，并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习。年轻的玻尔来到英国，起初在汤姆生领导的卡文迪许实验室工作。那时汤姆生已是物理学界的大人物。汤姆生第一次接见他时，他向汤姆生坦率地介绍了自己对放射性、磁学等一些领域的想法。他还向汤姆生提出了其电子理论中的错误。但不知是由于太忙，还是由于生气，汤姆生对玻尔的想法并不关心。

玻尔

哥本哈根大学

玻尔对探究原子结构很有兴趣，他认为卢瑟福的模型还存在两方面的问题，一个是原子如何保持稳定，另一个是如何求出原子的半径。按照已有的理论，围绕在原子核周围的电子应处于不稳定状态；但事实并非如此。玻尔想解开这个谜。后来，玻尔来到曼彻斯特拜会卢瑟福。虽然卢瑟福对理论物理学家怀有偏见，但对玻尔却非常喜欢，两人一见如故。不久玻尔就成了卢瑟福众多学生中最有才华、最得意的一个。玻尔在晚年时回忆说，卢瑟福耐心倾听每一个年轻人的想法，只要他认为这个年轻人有想法，不管这个想法在他心中多么朴素。卢瑟福对在其身边工作的每一个年轻人都非常关心，并能够给予热心的指导，这也令玻尔难以忘怀。这种态度与汤姆生的态度形成了鲜明的对比。正是由于卢瑟福具有这种品德，才使他在一生中培养出11位诺贝尔奖获得者，这是一个迄今仍未打破的纪录。

玻尔在曼彻斯特听了“放射性研究实验方法介绍”，接着开始学放射化学。他突发灵感，在几周之内就想到放射性物质来源于原子核，而化学性质主要取决于电子的数目和分布。他有一种奇特的感觉：原子核的总正电量决定电子数，而电子又决定化学性质。因此，元素在元素周期表上的位置正好是核的电荷数（后来称之为“原子序数”）：氢排在第一位，核电荷数是1，氦的核电荷数是2。依此类推，直到第92位的铀。接着他又发现了放射性位移的规律：当一种元素通过放射性衰变进行嬗变时，如放出一个α粒子（一个氦核，原子序数为2），在周期表中便前移两位；如放出一个β射线（一个具有能量的电子），它使核增加一个额外的正电荷，则向后移一位。玻尔立即将这些想法告诉卢瑟福，但卢瑟福对此持慎重态度。尽管如此，卢瑟福仍然很欣赏玻尔富有见地的研究成果。

1920年，玻尔创立的哥本哈根大学理论物理研究所，在创立量子力学的过程中，成为世界原子物理研究中心。这个研究所聚集了很多世界著名的科学家，这里有着勇猛进取、乐观向上、亲切活泼、无拘无束的治学风气，各种看法通过辩论得到开拓和澄清。玻尔担任这个研究所的所长达40年，起了很好的组织作用和引导作用。

纳粹占领下的丹麦

玻尔对复合原子核的理论进行了发展研究，而且从复合原子核和原子核的液滴图像出发，结合统计物理的方法，建立起原子核裂变的理论。这一工作是开创性的，对后来原子能的应用起到了十分重要的作用。1943年，纳粹占领了丹麦，玻尔过上了逃离的生活，经过瑞典去英国和美国，而且马上参加了制造原子弹的工作。在原子弹尚未试验之前，玻尔就看到原子武器可能给人类文明带来的灾难。他指出，如果原子能掌握在世界上爱好和平的国家手中，这种能量就会保障世界的持久和平；如果它被滥用，就会导致文明的毁灭。

战后，玻尔回到丹麦，他为恢复丹麦的科学研究做出了重要贡献，呼吁全世界和平利用原子能，为促进各国科学之间的国际合作不断做出努力。他是目前欧洲最大规模的国际合作组织欧洲原子核研究中心的发起人之一。

普朗克

从经典力学理论的角度来看，加速运动着的带电体必然不断地发射电磁波，而原子中的电子也应该是这样。其结果是通过电磁辐射，原子的能量将不断减少，原子中的电子也将逐渐坠落到原子核上去，而且这一过程将在极短的时间（按照有关计算为10～12秒）内完成。显然这与事实不符。玻尔现在有了一个思路来回答如何使理论上不稳定的电子稳定在围绕卢瑟福的核旋转的轨道上。卢瑟福对此非常重视，让他回到自己屋里去把它搞清楚。富于创造的玻尔想到引入普朗克的量子理论来修正卢瑟福的原子模型。

玻尔理论的假设

玻尔一开始设想，原子既然是稳定的，就会存在一些轨道，使电子可以稳定在上面而不辐射光，不会螺旋形下降而毁掉。按照经典力学理论，受与距离平方成反比的力吸引至固定中心的一质点的轨道犹如行星一样，是中心固定位于一个焦点的椭圆，为简便起见，我们将只考虑固定中心在轨道中心的圆形轨道这种特殊情况。对于这样的一个体系，任意半径都是可能的，只要质点在轨道上的速度大小使离心力刚好与中心的吸引力相平衡。玻尔打出了这种模型的轨道数目，并发现它们与各种实验数值非常吻合。但是如何解决原子的非连续光谱呢？他的一位学生时代的朋友建议：他利用已有的光谱研究成果来研究原子模型问题，特别是看看巴耳末公式。于是他研究了线光谱的规律性，特别是分析了有关的公式与数据，顿开茅塞，找出了轨道电子与光谱之间的关系。他提出：一个由核所吸收的电子通常占据一个稳定的基本轨道，称作“基态”。给原子增加能量，例如加热，电子的反应是跳到一个离核较远的能量更大的轨道上。增加更多的能量，电子继续跳到更高的轨道。停止增加能量，电子就跳回它的基态。每次跳跃时，每个电子发射出一个有固定能量的光子。这种固定能量是由普朗克常数所限定的。即从高能态W₁到低能态W₂将放出光能hv，用公式表示即：W₁－W₂＝hv，式中h为普朗克常数，v为频率。

德布罗意

玻尔用量子理论精彩地解释了卢瑟福原子模型中存在的问题。玻尔由于在研究原子结构和原子辐射方面的贡献而获得1922年诺贝尔物理奖。

薛定谔

玻尔理论虽然解释了卢瑟福的原子模型存在的问题，但是还存在着一些局限性，因为它还没有完全摆脱经典力学的影响，而是量子概念和经典理论的混合物，所以不可能用它来全面正确地描述微观世界里的电子运动，对比氢原子复杂的其他原子的光谱就不能得出合乎实际的结果。这以后的10年中，原子物理学的大部分工作可以说是围绕着发展和改进“卢瑟福－玻尔模型”进行的，但都没能从根本上解决问题。直到1923年，经过德布罗意、薛定谔、海森堡、泡利、布拉克等一批杰出科学家的努力，逐步建立并发展了量子力学，人们对完全不同于宏观世界的微观粒子的运动规律才有了更清楚的认识。现在人们知道，在原子世界中，带正电荷的原子核占绝对的统治地位，带负电的电子疯狂地绕着原子核旋转，从不越出原子世界统治者的势力范围。电子没有明确的玻尔运行轨道，而是躲在一片“电子云”中，几乎到处都可能出现。电子云比较稠密的区域表明电子经常在这里出现，电子云比较稀薄的地方意味着电子较少在此处光顾。我们很难识别电子云中电子的“庐山真面目”，但是物理学家能够运用量子力学了解它们的一举一动。

19世纪末科学史上的三大发现雄辩地证明，科学是相互联系的，一种发现能导致另一种发现。当时物理学最前沿的问题是阴极射线。汤姆生在研究阴极射线时发现了电子，伦琴则发现了X光。贝克勒尔在研究X光产生的原因时，意外发现了放射性。居里夫妇在研究放射性的过程时，发现了两种新元素——镭和钋。卢瑟福在研究放射性的过程中，发现了元素的嬗变，得到了有关原子结构的知识，并提出了原子模型。而玻尔在完善卢瑟福原子模型的过程中，开创了量子力学的新纪元。