原子世界探秘

第三节　原子世界探秘

电子的发现打开了神秘的原子世界的大门，但这只是事情的开始，伤脑筋的问题——原子是如何组成的仍然没有解决。人们在确认电子是原子的一个组成部分之后自然就想到，既然原子可分，那么它就存在着内部结构的问题，电子是怎样“安置”在原子里面的呢？原子的外部表现为呈电中性，它的一个组成部分既然是带负电的电子，那么它的内部必定还有带正电的部分，其电荷的数值与其中所有的负电相等。这些带正电的东西是什么呢？电子与这些带正电的东西在原子内部又是如何分布的呢？这些，要想用肉眼看一看，根本不可能，要凭借放大镜、望远镜去观察一番，在20世纪初也根本做不到。

事实上，即使用上今天放大本领高达80万倍的电子显微镜，人们也无法看到电子在原子世界里翱翔的形象。好在人类观察自然的本领与手段，并不只限于一个“看”字。我们有一个极为得力的办法是：根据各种已知的事实，提出一定的模型（即假说）去模拟我们所研究的客体。如果这种模型不但能够解释各种已知的事实，而且由它推得的结论（预言）还能经受得住实验的检验，那么这种模型（假说）就是客观事物的真实写照（至少在一定程度上是这样），就可以上升为公认的理论。如果由此推得的结果与实验事实有矛盾，那么这种模型就是错误的，我们应当在它的基础上，吸收它的合理部分，提出新的假设，进行新的模拟，去探索自然界的构成。在20世纪的初期，人们对原子结构的探讨就是用这种办法进行的。因此，在历史上出现过多种原子结构模型不足为怪，我们看到的是它们一个比一个更加符合实际。

葡萄干蛋糕模型

汤姆孙发现了电子以后，并没有满足感。因为还有一个更重要的问题，他一直想不通：既然阴极原子会放出大量的电子，那么，这些电子在物质的原子结构中一定扮演了一个很重要的角色。这种想法在当时可算得上是一种创见，因为按照传统的观点，原子是一个坚硬的实心小球，它里面未必会有什么新鲜玩意儿。

1904年，汤姆孙根据自己的实验结果，又借鉴了别的科学家的研究成果，给原子王国描绘了这样一幅图像：原子是一个小小的球体，原子里面充满了均匀分布的带正电的流体。球内还有若干个电子，它们都在这种正电荷液体中，就像许多软木塞浸在一盆水里一样，这些电子等间隔地排列在与正电球同心的圆周上，并以一定的速度做圆周运动从而发出电磁辐射，原子光谱所反映的就是这些电子的辐射频率。由于电子所带负电荷的总和与电液体所带正电荷总和相等，但符号相反，所以原子从外面看上去是中性的．在汤姆孙提出的这种原子模型中，电子镶嵌在正电荷液体中，就像葡萄干点缀在一块蛋糕里一样，所以又被人们称为“葡萄干蛋糕模型”。

从经典物理学的角度上来看，汤姆孙的模型是很成功的。它不仅能解释原子为什么是电中性的，电子在原子里是怎样分布的，而且还能解释原子为什么会发光。此外，从汤姆孙模型出发，还能估计出原子的大小约为一亿分之一（10^－8）厘米，这也是一项惊人的成就。并且，汤姆孙还得出一个结论：原子中电子的数目等于门捷列夫元素周期表中的原子序数，这个结论是正确的。因此，在一段时间里，汤姆孙的原子模型得到了广泛的承认。现在，展现在人们面前的原子既不是一个虚无缥缈的世界，也不是一个简简单单的实心小球。原子是有质量（尽管很轻）、有大小（尽管很小）、有内部结构的东西了。

以汤姆孙为首的英国剑桥学派，在原子物理学上所取得的这些惊人成就，使欧洲大陆上的物理学家都拜倒在他们的脚下。但谁也不曾想到，如此完美的原子模型在十多年后竟被汤姆孙的一位学生推翻了，这位“叛逆者”来自距离英国万里之外的新西兰。

原子论的新突破

1．α粒子散射实验

欧内斯特·卢瑟福于1871年，出生在新西兰的一个英国移民的家庭里，排行第四。凭着奖学金，卢瑟福读完了大学。大学毕业的时候，他又获得了奖学金。于是，卢瑟福远渡重洋来到英国。进入卡文迪许实验室跟随汤姆孙学习。

在1896年的时候，从欧洲大陆传来了一条惊人的消息：法国科学家贝克勒耳发现了原子的放射性。这消息使J．J．汤姆孙非常激动，他让卢瑟福做各种实验，以便了解从放射性元素中跑出来的究竟是些什么东西。经过一段时间的努力，卢瑟福和其他人发现，从铀、镭、钋、钍等元素里放射出来的至少有三种射线，其中之一为α射线。

1908年，卢瑟福弄清楚了α射线就是氦离子。之后，他又与年轻的德国物理学家盖革和学生马斯登合作研究α射线的散射现象。为了能够间接地“看到”原子内部的结构情况，卢瑟福采用了高速飞行的α粒子来轰击它们。根据α粒子飞行路径的改变，便可算出靶原子的构造概况。作为“炮弹”使用的α粒子由放射源R提供，而金属箔F则作为被轰击的靶。为了便于进行定量的讨论，实验要求射到F上的α粒子束方向单一，因此，在R和F之间专门放上一道“闸门”D，它的任务是把沿其他方向飞行的α粒子滤掉。尽管α粒子与靶原子的碰撞细节无法直接看到，但是它们的碰撞结果却会在荧光屏S上反映出来——打到S上的α粒子会使荧光屏发亮，而放大镜M则用来观察这样的闪光；而且，荧光屏S设计得可以绕着碰撞中心O点转动，从而能够读出在各种不同的方向上（各种不同的θ角），被散射的α粒子个数。此外，为避免空气分子对α粒子的影响，整个实验都安排在真空中进行（放大镜除外）。

起初，这些轰击并没有取得成功。大多数α粒子轻易地穿透了金属箔，几乎不偏离直线。1910年年底的一天，盖革去请示他的老师，是否应该安排一些实验，好让刚来的青年学生马斯登学点技术，卢瑟福想了一下，建议他们用α粒子轰击金属箔，顺便练习怎样用荧光屏来记录那些穿过金属箔的α粒子。因为每当α粒子打到荧光屏上时，在打中的地方就会闪现一下荧光，记录出现的荧光次数就记录到打中荧光屏的α粒子数，而且根据荧光屏的位置，可以判断经过金属箔后的α粒子射线的方位。卢瑟福说：“我不能预料你的实验能得到什么不平凡的结果，但是，还是观察一下吧！”

盖革和马斯登遵照他们老师的意见，着手进行这项实验。他们像两个炮兵侦察员一样，躲在荧光屏后，通过一架低倍的显微镜观测微弱的闪光，并记录下闪烁的次数和散射的角度。

就在实验的第二天，卢瑟福正在自己的办公室里看书。忽然，盖革冲了进来，气喘吁吁地报告说：“我们看到有些α粒子被金属箔弹回来了”！卢瑟福几乎不相信自己的耳朵，这位实验室的老手，以前曾遇到过许多奇怪的现象，但是都没有像盖革所讲的那样荒谬绝伦。因为这等于告诉你，用一枚重磅炮弹（15英寸）去轰击一张薄纸，炮弹竟然被纸片弹了回去并击中你自己！

对于这个实验奇迹，卢瑟福反复地思考了好几个星期。按照葡萄干蛋糕模型，组成金属箔原子的质量和它的正电荷均匀地分布于球形的原子之内，α粒子穿过这些原子时因受正电荷的排斥会发生偏转，其偏转状况必定是均匀的，因为原子里没有什么东西使质量较大的、带正电的并且有一定速度的α粒子发生太大的偏转，即使α粒子与电子相碰撞，由于α粒子的质量是电子质量的几千倍，也不能使α粒子产生可观测的偏转。但事实与此矛盾，显然α粒子碰到了比电子、比α粒子更重的带电粒子。卢瑟福想，难道原子中的正电荷并不是像汤姆孙所想像的那样，是连续分布在整个原子体积中，而是集中在一个很小的核心上？带着这样的想法，他计算了α粒子散射所应遵循的规律，并作出了一些推论。这些推论后来被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。据此，1911年卢瑟福提出了他的原子结构模型。

2．卢瑟福的原子结构模型

卢瑟福所提出的原子模型是这样的：原子内部并非是均匀的，它的大部分空间是空虚的，它的中心有一个体积很小、质量较大、带正电的核，原子的全部正电荷都集中在这个核上。带负电的电子则以某种方式分布于核外的空间中。由于这个模型的一个最重要的贡献就是揭示出在原子的中心存在着一个带正电的核心——原子核，因此又称为原子的有核模型，有核模型能够很好地解释α粒子散射现象。由于原子核的个头儿很小，与原子相比，就好像一颗芝麻放在一幢大厦的中心一样。然而，它却占有了原子的几乎全部的质量（原子质量的99%以上），所以根据计算，这样的一个核心堡垒将有足够的力量抵抗“入侵”的α粒子，并把那些敢于直接进攻核心的“入侵者”——α粒子弹回去。按照卢瑟福的原子模型，只要α粒子是正对着原子核撞过去的，它们就有可能被原路弹回。而按照汤姆孙模型，这是不可思议的。真是两种模型，两种结论。

卢瑟福还拿太阳系与他所设想的模型相类比，“太阳”是带正电的原子核，绕着“太阳”转的“行星”就是带负电的电子。只是在这个太阳系里，支配一切的是强大的电磁力，而不是万有引力。

卢瑟福结合了盖革和马斯登的实验结果，把他自己的想法写成一篇论文，题为《α和β粒子的物质散射效应和原子结构》，这是一篇十分重要的近代物理学文献，它使这场对原子王国的攻坚战取得了辉煌胜利。从汤姆孙模型发展到卢瑟福模型，标志着人类对原子结构的认识又迈出了一大步。尤其是原子具有带正电的核心这个结论被其后所有的实验所证实。但是这种简单的类似太阳系原子模型仍然面临着一系列事实的挑战——这就是原子的稳定性问题及线状光谱问题。