卢瑟福模型

卢瑟福模型

19世纪末，经典物理学已经建立了比较完善的理论体系，力学、电磁理论、热力学及统计物理已成为19世纪末科学技术发展的理论支柱，致使有些物理学家认为，物理学的理论大厦已经基本建成，剩下的问题只是把一些常数测得更精确些，把现有的理论应用到各个具体问题上去。1899年除夕之夜，著名物理学家开尔文在每年的聚餐会上发表讲演时认为：19世纪的经典物理学是万里晴空。在人们陶醉于“尽善尽美”的时候，物理学许多领域里出现了一系列新发现。这些新发现与经典物理学理论有着尖锐的矛盾，使经典物理学理论体系面临着一场挑战。19世纪末，物理学的天边就出现了两朵小小的、令人不安的“乌云”。第一朵是指1887年迈克尔逊同莫雷合作所做的“以太”漂移速度实验得到了否定结果。这个实验的目的是寻找绝对参照系，结果失败了，这使经典物理的绝对时空观受到了严重冲击。第二朵是关于热辐射的“紫外灾难”。

其实，19世纪末不止是两朵“乌云”，像固体比热、光电效应也是经典理论无法解释的现象。还有1895年伦琴发现的X射线；1896年，贝克勒尔发现的铀放射性；1897年，J．J．汤姆逊发现的电子等都是用过去的知识和概念所不能解释的。这说明在19世纪末，经典物理学的天空已不是两朵乌云，而是乌云密布，正面临着一场疾风暴雨式的物理学革命。事实上也正是在这场暴风雨过后，才迎来了物理学天空中光彩夺目的彩霞。迈克尔逊—莫雷实验导致了相对论的建立；黑体辐射的“紫外灾难”及“光电效应”导致了量子论的诞生；X射线、放射性及电子的发现推动人们去研究原子内部结构，导致建立新的原子模型。

原子是不可分割的最终质点，是20世纪以前人们坚信的概念，但是，电子的发现，使原子不可分割的观念被冲破。那么，电子是如何被发现的呢？这个问题要从人们研究“阴极射线”谈起。

在19世纪后半叶，真空放电产生辉光现象成为各国科学家感兴趣的议题，并都利用真空放电管做了大量实验研究，得到了一些重要研究成果。这里主要介绍一下德国物理学家哥尔施泰因的工作。1876年，他在前人研究的基础上，做了大量真空放电的实验，发现产生辉光是由于负极上产生的“某种射线”引起的。他把这种射线称为“阴极射线”。那么，阴极射线的实质又是什么呢？关于这一点相继争论了十几年的时间。1897年，J．J．汤姆逊做了一次实验，这次著名的、判决性的实验发现，阴极射线不仅能被磁场偏转，而且也能被电场偏转。进一步实验证明，阴极射线是由带负电的粒子组成。J．J．汤姆逊根据阴极射线在磁场和电场中的偏转，度量出了这种粒子的荷质比为氢离子的20000倍。当eE＝H·Ue时，计算出，只加磁场时射线作圆周运动，磁力即为向心力：H·U·e＝m

最后计算出

U＝2．7×10⁹厘米/秒　＝7．7×10⁶电磁单位/克

J．J．汤姆逊还通过变换放电管中的气体（空气、氢气、二氧化碳等）和改变电极材料（铝、铁、铂等）测量阴极射线粒子流的荷质比，结果发现荷质比不变。经分析断定，这种粒子应该是电极材料中原子的组成部分。早在1894年，爱尔兰科学家斯通尼，研究电磁理论时就提出，有基本的单位电荷存在，斯通尼把它称为电子，J．J．汤姆逊就采用了“电子”作为这种粒子的名称。不过，斯通尼所说的“电子”与J．J．汤姆逊的电子有区别，斯通尼的电子是作为电荷的基本单位，而J．J．汤姆逊所说的电子是既包括电荷的基本单位又有质量的粒子。

电子的发现，不仅解决了“阴极射线”的本质问题，同时也动摇了以前原子不可分割的概念。在这一时期，有许多物理学家纷纷开始探讨原子的内部结构。既然原子是中性的，而电子又是原子的组成部分，那么，原子一定有带正电荷的部分，而且原子所带正电荷与负电荷在数量上应该相等。人们根据推测提出了多种不同的假说和原子结构模型。

（1）勒纳德的中性微粒模型。勒纳德在1894年研究阴极射线时，在放电管的玻璃壁上开了一个小窗口，用金属箔把窗口盖住。实验时发现，阴极射线很容易穿过金属箔窗口射到空气中去。当电子发现后，原子结构的探讨成了中心议题。1903年，勒纳德根据阴极射线穿透金属箔的实验，断定金属中的原子不是实心的弹性球，必有部分体积是空无所有的空间。他假设原子内部的电子与相应的正电荷组成“中性微粒”。这个中性微粒取名为“动力子”，无数的动力子在原子内部的空间游荡。这种原子结构模型没有得到实验证实，因此影响不大。

（2）长岗半太郎的土星原子模型。1904年，长岗半太郎根据土星的卫环理论，提出原子内部，电子组成电子环，围绕一个核心转动的假设。他在《用粒子系统的运动学阐明线光谱、带光谱和放射性》论文中写道：“我要讨论的系统是由很多质量相同的质点，联接成圆，间隔角度相等，相互间以与距离成平方反比的力相互排斥。在圆心有一大质量的质点对其它质点以同样定律的力吸引。如果这些互相排斥的质点以几乎相同的速度绕吸引中心旋转，只要吸引力足够大，即使有小的干扰，这系统一般将保持稳定。”长岗的土星原子模型由于不能满足经典理论提出的稳定性要求，所以，这个模型提出不久，就有人进行驳斥。长岗的原子模型虽然很不完善，但是，他的提法中已孕育了原子有核的概念，为后来卢瑟福提出原子有核模型奠定了基础。

（3）J．J．汤姆逊的原子模型。在1910年以前，影响较大、寿命较长的原子模型是1903年J．J．汤姆逊的原子模型。汤姆逊假设正电荷连续分布在原子中，而电子埋置在某些固定位置上。由于电子质量很小，他又假设原子的质量存在于分散分布的正电荷中。另外，考虑到电子一方面受正电荷的吸引，另一方面电子之间又互相排斥，所以电子在原子中的位置要满足一定的条件，这个条件就是使电子处于平衡状态。汤姆逊还由计算证明，三个电子以上时，电子组成环状，而六个以上的电子不能稳定在一个环上，要组成两个环或两个以上的环。此外，汤姆逊还假设，电子在自己平衡位置附近作自由振动，电子振动要辐射电磁波，电磁波的频率就等于电子振动的频率。利用这种方法，他还准确计算出原子的半径约为10－8厘米。汤姆逊设想的原子模型常常在实验中暴露出与实验之间的严重矛盾，虽然汤姆逊千方百计改进自己的理论，但终究未能圆满。尽管如此，也好长时间没有人对汤姆逊的观点提出异议，因为汤姆逊当时在物理学界有较高的声誉。

上述各种原子模型，是根据原子是中性所进行的各种猜测。究竟原子内部是什么样的结构，尚需要不断地在实验中进行研究。

在英国曼彻斯特大学，曾是J．J．汤姆逊学生的大学教授卢瑟福对他老师提出的原子模型并不感到满意。因为，汤姆逊的原子模型在很大程度上带有人为性。卢瑟福决心用他发现的α粒子作“炮弹”探索原子内部的情况。开始，他和他的助手盖革用α粒子束轰击各种物质制成的靶子，发现大多数α粒子偏折角不大，其中有少数粒子发生了大角度散射，甚至有少数α粒子竟完全被弹回。

卢瑟福又让他的另一个助手马斯登再做实验，以验证是否有α粒子大角度散射现象发生。两三天后，马斯登兴冲冲地找到了卢瑟福，报告说，他也发现有些α粒子被弹回。卢瑟福听到这一消息后，立即再做实验，又证明了这一现象。卢瑟福对别人描述这一现象时说：“这是我一生中遇到的最难以置信的事情，简直就像15吋的炮弹去轰击一张薄纸，而炮弹却掉过头来击中你自己一样难以相信。”

是什么把α粒子弹了回去呢？若按汤姆逊的原子模型，α粒子不可能产生大角度散射，更没有被弹回的可能。他认为，α粒子之所以被弹回，一定在原子内部受到了极强电场的作用。这样，就可设想所有正电荷都集中在一个核心上，α粒子与这个核心接近时，受到极强的作用力，以至于把α粒子抛回去。长岗的土星模型也给卢瑟福很大的启示。1911年5月，卢瑟福提出了“太阳系式”原子模型。他认为，原子中有一个非常小的带正电的中心核，即原子核；电子绕核心旋转，就像行星绕太阳旋转一样；原子核集结了原子的大部分质量。这就是卢瑟福的“太阳系式”原子模型。在卢瑟福原子模型中，电子绕核旋转，就必有加速度，按经典理论原子就要向外辐射电磁波（即辐射能量），随着能量的减少，最后电子就会落到原子核上，出现原子坍缩现象。这与事实并不相符合。是不是卢瑟福的原子模型不成立了呢？卢瑟福在“物质对α、β粒子的散射和原子构造”的论文中指出：“原子的稳定问题先不必考虑，因为这个问题显然取决于原子的微细结构和带电部分的运动。”这就是说，如何解释稳定性问题，是以后要解决的事情，它丝毫不影响原子有核模型的建立。

卢瑟福为进一步检验原子有核模型的正确性，想到必须用力学定律导出一个公式，再由这个公式算出α粒子在离排斥中心不同距离b（称瞄准距离）处通过时偏转角的大小。据说，卢瑟福在福勒的帮助下，才导出α粒子的散射公式。

1913年，在卢瑟福指导下，盖革和马斯登又仔细进行了α粒子散射实验，证实了散射公式的正确性，从而证实了卢瑟福提出的原子有核模型。至此，卢瑟福的原子有核模型得到了公认并取代了J．J．汤姆逊的原子模型。