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行業(yè)新聞

量子史話(七)湯姆遜、長岡、盧瑟福構(gòu)建原子模型

發(fā)布者:浦匯光電   發(fā)布日期:2021/5/20 11:04:47

上個視頻我們說了,人們是怎樣一步一步地確認原子的存在,雖然我們看不到原子本身,但19世紀末的物理學家在實驗室看到了原子產(chǎn)生的一系列變化。其中包括元素的放射性、元素的嬗變、電子的發(fā)現(xiàn)。

尤其是在1905年,愛因斯坦從理論的角度,也確認了原子的存在,就是我們熟知的布朗運動。

既然已經(jīng)知道了原子的真實性,那么接下來的工作就是要構(gòu)建原子模型。

最先提出原子模型的人是電子的發(fā)現(xiàn)者——約翰·湯姆遜。

湯姆遜出生在曼徹斯特,父親的出版社經(jīng)常給大學印刷教材,家庭條件相當不錯,而且能夠經(jīng)常接觸到大學教授,以及各類的書籍。

耳濡目染,以及良好的教育使得湯姆遜,在14歲就考上了曼徹斯特大學,1876年,21歲的湯姆遜就被保送到了劍橋大學,1880年獲得博士學位,并留校任教。

1884年劍橋大學的卡文迪許實驗室主任瑞麗勛爵,在5年任期到了以后直接甩手不干了,瑞麗這個名字我們很熟悉,在解釋黑體輻射分布的時候,說到過瑞麗公式,還有我們在解釋天空為什么是藍色的時候,也經(jīng)常提到瑞麗散射。

瑞麗勛爵是第二任卡文迪許實驗室的主任,第一任是麥克斯韋,瑞麗辭職以后,劍橋大學就開始物色新的物理系主任,先后找了開爾文勛爵,和德國的赫爾姆霍茲,這兩位加起來已經(jīng)快一百三十歲的人了,功成名就,所以都直接拒絕了邀請。

不過對于年輕人來說,這個職位做夢都不敢想。不過在劍橋大學的湯姆遜看到了人生翻轉(zhuǎn)的機會,斗膽向?qū)W校提出申請,既然沒人干,那要不先讓我試一下,在瑞麗的支持下,28歲的湯姆遜成為了卡文迪許實驗室的第三任掌門人。

事實證明,湯姆遜是一個很好的領(lǐng)導者,在他的手下出了9位諾獎獲得者,其中就包括歐納斯特·盧瑟福。

這位比他的老師更牛,在他的手下出了11位諾獎諾獎獲得者,堪稱諾貝爾獎幼兒園。后面我們還會提到盧瑟福,他也是我們今天的主角。

1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)陰極射線其實就是電子,這一發(fā)現(xiàn)讓他獲得了1906年的諾貝爾獎,在發(fā)現(xiàn)電子以后,湯姆遜認為電子是原子的組成部分,且原子成電中性,那么原子中肯定有帶正電的部分。

在沒有實驗證據(jù)的情況下,1903年湯姆遜純靠想象提出了自己的原子模型,史稱“葡萄干布丁”模型。

他勾勒出了這樣一個圖景,原子呈球形,電子以同心圓的方式鑲嵌在正電荷云里,整個結(jié)構(gòu)看起來就像一塊布丁里面鑲嵌著葡萄干一樣。

而且湯姆遜也說不清楚,一種元素的原子里,有多少個電子,只是給出了一個大致的數(shù)量范圍。

比如原子重量為1的氫原子,可能只有一個電子,原子重量為4的氦原子,電子數(shù)量可能是兩個,也可能是3個或者4個,說不清楚。

主要原因是,這時人們并不知道元素周期表的元素順序,其實是按照原子核的正電荷數(shù)來排列的,當然也不知原子核里面的正電荷數(shù)是多少,所以湯姆遜并不清楚一個原子里應(yīng)該有幾個電子。

當時人們對元素順序的排列依靠的指標是原子的重量,也就是原子量。

比如氫原子的原子量是1,它排在了第一位,接下來原子量最小的元素是氦,它的原子量是4,排在了第二位,第三位原子量是6,也就是鋰元素,排在了第三位。

可以看出,當時人們對元素周期表的認識有很大的局限性,并沒有弄清楚最基本的排列規(guī)律,尤其是1907年的時候,人們發(fā)現(xiàn)了同位素以后,以原子量排列的元素周期表變的混亂不堪。

這個問題要到1910年的時候,波爾才第一次給出了正確的答案。我們在講到波爾的時候,會詳細說,這里就暫時略過。

很明顯湯姆遜提出的原子模型,跟實際的情況偏差很大,不過當時也沒有人知道原子的結(jié)構(gòu),既然湯姆遜提出了模型,那么我們就做實驗驗證一下。

做這個實驗的人正是湯姆遜的學生盧瑟福。

盧瑟福1871年生于新西蘭的一個鄉(xiāng)村,比愛因斯坦大了8歲,比波爾大了14歲,父親是亞麻紡織廠的工人,母親是小學教師,家里有12個孩子,盧瑟福排行老四,一家人擠在一個簡陋的木屋中,生活非常艱辛。

盧瑟福的求學生涯一路走來,靠的都是獎學金,1895年盧瑟福來到了劍橋大學,在卡文迪許實驗室給湯姆遜打下手。

正巧這一年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線,引起了巨大的轟動,喜歡研究原子現(xiàn)象的湯姆遜就對這種鬼氣陰森X射線產(chǎn)生了極大的興趣。

他給盧瑟福的研究課題是測量X射線通過氣體時產(chǎn)生的效應(yīng),確認了X射線可以電離氣體,在接下來的兩年中,盧瑟福發(fā)表了4篇關(guān)于X射線的論文,獲得了博士學位,也讓盧瑟福在科學界嶄露頭角。

上個視頻我們還提到過,盧瑟福通過研究各種射線的穿透性,將貝克勒爾射線分為了α射線和β射線,將杰拉德·施密特發(fā)現(xiàn)的放射性輻射命名為γ射線。

后來人們也證實了,X射線、伽馬射線就是電磁波,β射線是電子,α射線是氦原子核。

有了這些成就以后,盧瑟福已經(jīng)成為了當時放射性研究的先鋒人物,繼續(xù)給湯姆遜當助手就有點太屈才了,盧瑟福已經(jīng)具備了獨立開展科研工作的能力。

1898年4月,加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學正在招聘全職教授,湯姆遜為盧瑟福寫了一封熱情洋溢的推薦信,9月底,27歲的盧瑟福抵達蒙特利爾,在這里待了九年的時間。

1901年盧瑟福和25歲的化學家索迪發(fā)現(xiàn)了元素的嬗變,這一成就讓他獲得了1908年的諾貝爾化學獎。

1905年,在蒙特利爾的時候,盧瑟福就用α粒子轟擊過云母薄片,發(fā)現(xiàn)了α粒子的軌跡發(fā)生了偏移,雖然沒有深入的研究,但盧瑟福把這一現(xiàn)象一直記在心里。

1907年5月,盧瑟福來到曼徹斯特大學擔任全職教授,首要的研究課題就是α粒子的散射現(xiàn)象。

盧瑟福設(shè)計了一個簡單的實驗,用α粒子轟擊金箔,觀察α粒子通過金箔以后的軌跡變化,這種實驗需要在全黑的環(huán)境下進行,才能看到α粒子穿過金箔以后,在屏幕上留下的微弱閃光。

而且需要在幾個小時內(nèi)不斷地用α粒子轟擊金箔,盧瑟福把這項艱苦的任務(wù)交給了新的助手漢斯·蓋革;

后來又來了一位研究生馬斯登,也參與到了這項研究中,他們發(fā)現(xiàn)大部分的α粒子可以沿著直線軌跡穿過金箔,有一部分α粒子會發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn),有一小部分的α粒子會發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn),有極個別的α粒子會直接被反彈回來。

1909年6月,蓋革和馬斯登把這一實驗過程和結(jié)果發(fā)表了出來,盧瑟福在論文中沒有對實驗結(jié)果做任何評論。

因為這樣的結(jié)果,讓盧瑟福大惑不解,在盧瑟福看來,α粒子直接被反彈回來,就像是用一顆38厘米的炮彈,轟擊一張紙,炮彈卻返回來打到了自己,簡直不可思議。

按照他的老師湯姆遜提出的原子模型,只要有一個α粒子能夠順利地穿過金箔,那么所有的α粒子都應(yīng)該能夠穿過,不存在直接被反彈回來的情況。

盧瑟福大膽地放棄了湯姆遜的原子模型,在1910年12月提出了自己的原子模型,史稱“行星原子模型”。

他構(gòu)想出了這樣一個圖景:盧瑟福相信在原子的中心,有一個承載了原子全部質(zhì)量、且?guī)д姷脑雍?,但原子核的大小只有原子?/10萬,一般來說原子的尺寸在10^-8厘米,原子核的尺寸在10^-13厘米,

比方說,如果原子核的大小是一個針尖,那么電子就在100米開外像行星繞太陽一樣,繞著原子核運行。這樣的原子模型符合α粒子的散射實驗,那些極個別被反彈回來的α粒子是因為一頭撞在了原子核上。

盧瑟福本人是一個非常典型的實驗物理學家,他不喜歡沒有依據(jù)的猜測,當然他也不喜歡理論物理學家的研究風格,開局靠假設(shè),過程全靠猜。

所以盧瑟福并沒有急于發(fā)表自己的原子模型,而是提出了一個數(shù)學公式,這個數(shù)學公式可以于預(yù)測在特定的偏轉(zhuǎn)角度上,有多少α粒子會被偏轉(zhuǎn)出來。

蓋革通過實驗發(fā)現(xiàn),α粒子被散射后的分布情況和盧瑟福預(yù)測的完全一致。

這時盧瑟福才放心大膽地在1911年宣布了他的原子模型。相信大家可以看出來,盧瑟福的原子模型相比于湯姆遜的原子模型有了很大的進步,更加接近真實情況,但同樣的問題是,盧瑟福也說不清楚原子中電子的數(shù)量,也說不清電子在核外是怎樣分布的。

而且盧瑟福原子模型還面臨了一個非常嚴重的問題,電子像行星一樣在核外繞著原子核運行,牛頓力學告訴我們圓周運動是加速運動,麥克斯韋電磁理論告訴我們,加速運動的電子會釋放出電磁輻射,不斷地損耗能量。

這樣一來,電子就會在極短的時間內(nèi)掉入原子核,整個原子會徹底崩潰,而客觀世界的存在,就強有力地說明了,盧瑟福原子模型存在不穩(wěn)定的問題。

這個問題是在1913年,被波爾解決的,這時的波爾還是盧瑟福的學生。接下來的幾個視頻,我會詳細地講波爾是如何構(gòu)建量子化的原子模型。

下面我們在簡單地說下,不為大家熟悉的長岡模型,在盧瑟福公布了自己的原子模型以后,他收到了來自日本的一封信,寫這封信的人是長岡半太郎。

信中說,在5年前,我已經(jīng)提出了和你的原子模型相像的原子模型,我的叫土星模型。盧瑟福承認,他的原子模型和長岡半太郎的有相似的地方,但是有本質(zhì)的區(qū)別。

在長岡半太郎的土星模型中,原子核像土星一樣巨大,占據(jù)了原子絕大部分的空間,電子像土星的衛(wèi)星一樣,繞著土星運行。

很明顯,長岡半太郎的模型很可能是猜出來,如果他跟盧瑟福一樣做了α粒子的散射實驗,就不會提出原子核像土星一樣巨大。

所以一般情況下,我們很少會提到長岡模型。

好了,今天的視頻就到這里,下個視頻的主人公就要輪到波爾登場了,他和普朗克、愛因斯坦被稱為舊量子論的三大巨頭,在波爾的手里舊量子論也將達到頂峰,接下來將是年輕小伙們的天下。

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