通识物理：原子模型的发展历程

近代以来微观世界的四个重大科学进展，激发人们开始尝试建立原子模型。然而，人们万万没有想到：这小小的原子结构，竟然是如此的神秘、复杂和难以理解。

1904 年，电子的发现者汤姆孙提出了人类历史上第一个原子模型——“西瓜模型（又叫枣糕模型）”。汤姆孙认为：“原子好像一个带正电的实心西瓜，而带负电的电子则像瓜子一样镶嵌在原子中。”同一年，日本学者长冈半太郎则提出了“土星模型”，他也认为原子是一个带正电的实心球。但与汤姆孙的区别在于，如图9.6 所示，长冈认为电子不是镶嵌在实心球中，而是像土星光环一样绕着实心球旋转。西瓜模型可以解释元素周期律，但不能解释光谱线（正电荷和电子越多，“西瓜”越大，但电子只有一条固定的轨道和跃迁途径）；而土星模型则刚好相反，难以解释元素周期表，但可以解释光谱线（无论正电荷与电子的多少，“土星”大小不变，但绕行的电子能发生多种途径的跃迁）。这本来是势均力敌的两种理论，但由于当时的日本并不处于世界学术中心，所以大家都只注意到了在物理学界享有崇高声望的汤姆孙的“西瓜模型”。然而，一个理论的正确与否与该理论提出者的学术权威并无必然联系，科学面前，人人平等。“西瓜模型”提出以后，立即遭到了实验事实的无情打击。比如：氢原子，这是自然界中最简单的原子，仅含有一个电子。按照“西瓜模型”，可求得氢原子仅能发出一种波长的光谱线，但巴尔末早在1885年就已经发现：氢原子至少能发出14 种不同波长的光谱线。这说明汤姆孙的“西瓜模型”与实验事实严重不符。毫无疑问，“西瓜模型”后来被人们所抛弃，但“西瓜模型”的提出仍然对后来原子模型的完善起到了重要的启发作用。

图9.6　汤姆孙和长冈的原子模型之争

1911 年，在剑桥大学的卡文迪许实验室，汤姆孙的新西兰籍学生卢瑟福做了一个著名的“α 粒子散射实验”：他用镭作为放射源，让镭辐射出的α 粒子直接轰击薄金箔。实验结果表明：入射α 粒子束中的多数粒子仍保留其原方向；但也有不少粒子偏转角很大，约有1/8000 的α 粒子的偏转角超过90°甚至被完全反弹回来，也就是α 粒子的散射现象。这是一个令人震惊的现象，首先，如果原子是实心的“西瓜”，那么大多数入射粒子都应该像撞到墙一样被反射而不是穿过，所以多数α 粒子穿过的现象说明“西瓜”是空的；其次，只有少数α 粒子被反弹的事实说明：这些α 粒子必然是撞到了一个“坚硬的物体（原子核）”，而根据这些反弹α 粒子的占比（1/8000），这个“坚硬的物体（原子核）”显然只占原子体积的很小部分。在这些强而有力的实验事实面前，卢瑟福通过严谨的理论推导，最终提出了一个新的原子结构模型：原子并不是一个正电荷均匀分布的实心球，原子的大部分区域是真空，正电荷集中在原子的中心，形成一个体积很小的核，并且这个核几乎集中了原子的全部质量；比核轻得多的电子则在很大的空间绕核转动，就像行星绕太阳公转那样；同时，核中的正电荷总数等于核外全部电子的负电荷数，这个模型通常被人们称为“行星模型”。其实在很多方面，卢瑟福的“行星模型”与长冈的“土星模型”都具有相似性，只是当时的日本在世界上的学术地位就好比20 世纪的中国，不被人重视罢了。总体上看，“行星模型”成功地解释了α粒子的散射现象，给出了较为准确的原子内部结构图，而α 粒子散射实验也成为现代原子物理学中一个经典的奠基性实验。

然而，卢瑟福的“行星模型”也存在困难。首先，行星模型并不稳定，因为根据电磁理论，绕核转动的电子会不断辐射能量，从而逐渐减小轨道半径，并最终落到原子核上，但这种不稳定的情况实际上并未出现。其次，行星模型也不能完美地解释元素周期表和原子光谱。面对这两个困难，卢瑟福的学生波尔首次将普朗克的“量子假说”应用到原子模型中，并于1913年迈出了决定性的一步，他认为：原子核外存在“量子轨道”，电子要么只能在固定轨道上运动，能量守恒；要么在轨道间跳跃，从而吸收或放出能量。波尔的“量子轨道”模型不仅克服了卢瑟福行星模型不能稳定存在的困难，还成功地解释了元素周期律和氢原子光谱，因此在当时算得上是一个巨大的进步，波尔也因为在“量子轨道”方面的理论贡献而获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

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图9.7　乌伦贝克和高斯密特提出了“电子自旋”的观点

不过，波尔的“量子轨道”模型也难以回答一个问题：为什么核外电子不都聚集在能量最低的基态轨道，而是分布在从低到高的不同轨道上呢？为了解决这个问题，美籍奥地利物理学家泡利在1924 年提出了著名的“泡利不相容原理”。这条原理如果用简单、通俗的话讲，就是：“最多只能有两个电子处于同一个量子轨道，所以电子会每两个占一层，由内向外逐层分布。”这就好比一个家庭只能容纳一男一女两个人，如果有第三者，家庭（原子能级）就会变得不稳定。但问题是：电子不分男女，而这两个电子又必须有区别才能处于同一轨道，那么这对电子的区别究竟是什么呢？为此，荷兰的青年学生乌伦贝克和高斯密特提出了“电子自旋”的观点，如图9.7 所示，用经典物理的语言描述就是：一个电子顺时针旋转，另一个逆时针旋转，从而具有不同的角动量，因此这两个电子是不同的。

图9.8　“电子自旋”的理论困难

果然，问题很快又来了：如图9.8 所示，电子的运动速度本来就是光速，如果电子再发生自旋，那么电子边缘的线速度一定会超过光速，这一结果显然违背了狭义相对论的“光速不变原理”。同时，学术权威泡利教授也不希望在量子力学中还保留“自旋”这样一种过时的经典物理概念。因此，在很长的一段时间里，电子自旋的概念并不被人们所认可。直到海森伯和爱因斯坦先后指出：电子自旋并不能理解为经典物理意义上的“自转”，它只是一种特殊的“量子状态”。比如，现在中国正在大力发展的“量子通信”技术所依据的理论就是“纠缠量子态”：通常，具有纠缠量子态的两个粒子无论相距多远，只要一个发生变化，另外一个也会瞬间发生变化，所以通过双方（发送方和接收方）同时联合测量粒子的量子态变化就可以传递信息。如果有窃密者想盗取信息，那么任何单方操作都会导致粒子量子态的变化，所以窃密者只能得到随机改变后的量子态而不能获得原始信息，也正因为如此，“量子通信”具有绝对的保密安全性。与纠缠量子态相类似，量子自旋也只是一种量子态而已。现在，“量子自旋”的观点已经被人们所广泛理解和接受，而原子模型也几近完善，但此时还差一块小拼图，那就是神秘的原子核的构成。