5. 原子的內部結構
原子的大門被打開了， 那麽原子內部是什麽樣？ 它有怎樣的結構狀況， 自然就成了物理學家們十分關心的問題。
不過， 原子內部的研究， 對人類認識自然界來說， 是一個全新的領域。過去， 人類所認識的自然事物都是肉眼能直接觀察到的客觀現象， 對這些現象可以直觀地加以描述。而現在， 原子看不見、摸不著， 這種直觀描述的方法不適用了。那麽怎樣刻畫原子這樣的微觀物體呢， 物理學家們就更多地采用這樣一種方法： 根據一定的實驗事實， 運用一些概念對微觀物體的狀況和性質給出一個假設性的圖像； 然後再通過實驗去檢驗， 看看這個假設的圖像是否符合研究對象的實際情況。這樣一種方法就叫做“模型”方法。被研究、被刻畫的物體稱為原型， 模型就是對原型的一種形象描述。
對原子內部狀況的認識， 物理學家就采用的是模型方法。第一個比較有影響的原子模型就是發現電子的那個英國物理學家湯姆遜提出來的。他設想， 原子是一個圓球。在這個球形的內部均勻地分布著正電荷， 這就是原子的主體。同時， 在這個球形的內部還夾雜著一些帶負電荷的電子。而且， 原子裏麵主體所帶的正電荷與所有電子所帶的負電荷在數量上是相等的。因此， 對整個原子來說， 它是呈中性的。如果原子內部正電荷多於負電荷， 就是陽離子， 如果正電荷少於負電荷， 就是陰離子。按照湯姆遜提出的原子模型， 原子就像一個圓麵包， 其中的電子就像麵包中零散分布的葡萄幹， 除去“葡萄幹”以外的就是帶正電荷的主體。這樣一個原子結構模型， 被後人形象地稱為“葡萄幹麵包”模型。
這個模型是不是符合原子的真實情況， 還需要用各種實驗事實來檢驗。湯姆遜為了說明他的原子模型是正確的， 借用了一個磁針實驗來說明電子在原子中的排列情況。他用一個較大的盛放著液體的容器來代表原子的主體， 用漂浮在液體上麵的相對較小的軟木塞代表電子。軟木塞上嵌有小磁針， 容器正上方有一大磁鐵， 這個磁鐵通過小磁針對軟木塞發生作用， 就像原子內部存在著的靜電力。如果原子中隻有一個電子， 比如氫原子， 那麽液體上隻漂浮一個軟木塞， 它就處在整個容器的中心； 如果原子中有二個電子， 那麽在磁鐵作用下， 二個軟木塞就漂浮在容器中心的兩側， 如果原子中有三個電子， 那麽三個軟木塞就排成一個等邊三角形； 如果原子中有四個電子， 那麽四個軟木塞就排成一個正方形。當原子中有較多電子的情況下， 軟木塞的布局就不那麽規則和穩定了。但是， 如果把原子中的電子分為內層電子和外層電子， 湯姆遜的原子模型居然得出了和門捷列夫元素周期律相類似的電子排列規律。這使得湯姆遜的原子模型受到了讚揚。物理學家們還發現， β射線可以穿過幾毫米的鋁片。β射線是高速的電子流， 這就是說帶負電荷的電子能穿透組成鋁片的原子。顯然， 那種認為原子是一個不可分割的堅硬小球的傳統觀念是不對的。因為， 原子若真是不可分割的， 那麽電子是無法通過的。這讓湯姆遜感到高興， 他的原子模型可以解釋β射線穿過鋁片的現象。那就是電子比原子的體積小得多， 而原子裏麵有足夠的空隙， 可以讓高速的β射線穿過。這就好像高速的葡萄幹打穿了麵包。
沒有多久， 實驗事實就讓湯姆遜由高興轉為傷腦筋了。進一步的實驗發現， α粒子能穿過很薄的金屬鐳。α粒子是失去了兩個電子的氦原子， 好比是少了兩顆葡萄幹的小麵包。小麵包怎麽能通過大麵包， 這實在是令人難以接受的結論。這或許證明， 湯姆遜的原子模型存在不完全符合原子本身狀況的地方。
圖3模型不完全符合原型， 那就要修改。對模型進行修改， 依據的還是實驗事實。既然是α粒子帶來的問題， 那麽就對α粒子穿透原子的情況進行更細致的研究。一深入研究， 又發現了令人奇怪的現象。英國物理學家盧瑟福和他的助手在反複用α粒子去轟擊金屬箔時， 借助儀器觀察到大多數射向金屬箔( 金箔) 的α粒子都順利地通過了， 不過它們的飛行路線也產生了偏斜， 偏斜的角度隻有幾度。可是， 也有少數α粒子， 大約8000 個α粒子中隻有一個， 偏斜的角度很大， 有的超過90°， 甚至還有180°的。α粒子飛行路線偏斜180°就是射出去又被彈回來了。這個實驗事實使盧瑟福陷入了沉思。是什麽作用能使α粒子在進入原子裏麵以後， 飛行路線產生偏斜， 甚至被反彈回來呢？ 一定是它在原子裏麵遇到障礙物了。α粒子是比電子重的粒子， 它的質量差不多是電子質量的7000 多倍， 如果α粒子進到原子裏麵， 碰上的是電子的話， 那麽它的飛行線不會產生這麽大的偏斜。所以， α粒子遇到的很可能是一個比較重的東西， 而且這個重物的體積不是很大。因為隻有少數α粒子的飛行路線產生偏斜， 而大多數α粒子都順利地通過了。在這樣分析的基礎上， 盧瑟福猜想， 這個重物可能是帶正電荷的， 當帶正電荷的α粒子正碰上它的時候， 同性電荷相斥使α粒子反彈回來。盧瑟福的猜想是有道理的。α粒子與一個質量比它大得多的正電荷相遇， 有點像一輛飛速行駛的小汽車與一輛靜止不動的大卡車相撞的情況。可又不完全像， 根據庫侖定律， α粒子與帶正電荷的重物相遇， 會發生強烈的靜電斥力， 作用在電荷上的力與電荷所帶電量的大小成正比， 與兩個電荷之間距離的平方成反比。所以， α粒子越是靠近這個重物， 它受到的斥力就越大。實際上， α粒子並不需要真正同這個重物相碰， 它就會被反彈回來。
1911 年， 盧瑟福提出了一個新的原子模型。他認為， 原子的中央存在一個帶正電荷的核， 就是那個重物， 這個核被稱為原子核。原子核的體積很小， 它的直徑隻是原子直徑的萬分之一。原子核以外的地方比較空曠， 隻是散布著一定數量的電子， 這些電子環繞著原子核在不停地運動。這個原子模型描述的原子內部結構的狀況， 有點類似太陽係。太陽是太陽係的核心， 它的直徑與太陽係的直徑相比也是相當的小， 太陽係裏麵， 水星、金星以及地球等九大行星都在繞太陽這個核心旋轉。如果把原子核比做太陽， 則電子就好像是繞太陽為中心旋轉運動的行星。所以， 這個原子模型也有人稱之為“行星式原子模型”。在這個原子模型中， 盧瑟福還指出， 原子核的體積雖然小， 但是原子的質量幾乎都集中在原子核上。而且， 原子的質量越大， 原子核帶的正電荷就越多， 相應的原子核外圍的電子數目也就越多。
盧瑟福的原子模型發表以後， 在科學界產生了巨大的影響。很多科學家都到他的實驗室來表示祝賀， 但當看到他那揭示原子結構奧秘的實驗是用比較簡單的儀器完成的， 都對他更加欽佩。
盧瑟福的原子有核結構模型， 比湯姆遜的葡萄幹麵包式原子模型能更好地解釋實驗結果， 更符合原子結構的實際， 成為原子結構的基本觀點。物理學的發展， 已經證明“原子有核”的觀點是正確的。物理學家們經過精確的實驗和計算， 已經確切地知道， 原子核的直徑大約相當於原子直徑的萬分之一或幾萬分之一。電子更小， 它的直徑大約相當於原子直徑的十萬分之一。若按體積計算， 原子核的體積與原子的體積相差得更多。如果把一個原子比作一個大教室的話， 那麽原子核也不過相當於教室中央的一顆小米粒。
盧瑟福的原子模型優越於湯姆遜的原子模型， 因此很快被物理學家們所接受。那麽是不是盧瑟福的原子有核結構模型就非常完善了呢？ 也不是， 科學的發展是逐步深入的。不久， 盧瑟福的原子模型也受到了挑戰， 這一挑戰是來自理論與實驗兩個方麵的。一個重大的難題， 擺在了盧瑟福麵前。
不過， 原子內部的研究， 對人類認識自然界來說， 是一個全新的領域。過去， 人類所認識的自然事物都是肉眼能直接觀察到的客觀現象， 對這些現象可以直觀地加以描述。而現在， 原子看不見、摸不著， 這種直觀描述的方法不適用了。那麽怎樣刻畫原子這樣的微觀物體呢， 物理學家們就更多地采用這樣一種方法： 根據一定的實驗事實， 運用一些概念對微觀物體的狀況和性質給出一個假設性的圖像； 然後再通過實驗去檢驗， 看看這個假設的圖像是否符合研究對象的實際情況。這樣一種方法就叫做“模型”方法。被研究、被刻畫的物體稱為原型， 模型就是對原型的一種形象描述。
對原子內部狀況的認識， 物理學家就采用的是模型方法。第一個比較有影響的原子模型就是發現電子的那個英國物理學家湯姆遜提出來的。他設想， 原子是一個圓球。在這個球形的內部均勻地分布著正電荷， 這就是原子的主體。同時， 在這個球形的內部還夾雜著一些帶負電荷的電子。而且， 原子裏麵主體所帶的正電荷與所有電子所帶的負電荷在數量上是相等的。因此， 對整個原子來說， 它是呈中性的。如果原子內部正電荷多於負電荷， 就是陽離子， 如果正電荷少於負電荷， 就是陰離子。按照湯姆遜提出的原子模型， 原子就像一個圓麵包， 其中的電子就像麵包中零散分布的葡萄幹， 除去“葡萄幹”以外的就是帶正電荷的主體。這樣一個原子結構模型， 被後人形象地稱為“葡萄幹麵包”模型。
這個模型是不是符合原子的真實情況， 還需要用各種實驗事實來檢驗。湯姆遜為了說明他的原子模型是正確的， 借用了一個磁針實驗來說明電子在原子中的排列情況。他用一個較大的盛放著液體的容器來代表原子的主體， 用漂浮在液體上麵的相對較小的軟木塞代表電子。軟木塞上嵌有小磁針， 容器正上方有一大磁鐵， 這個磁鐵通過小磁針對軟木塞發生作用， 就像原子內部存在著的靜電力。如果原子中隻有一個電子， 比如氫原子， 那麽液體上隻漂浮一個軟木塞， 它就處在整個容器的中心； 如果原子中有二個電子， 那麽在磁鐵作用下， 二個軟木塞就漂浮在容器中心的兩側， 如果原子中有三個電子， 那麽三個軟木塞就排成一個等邊三角形； 如果原子中有四個電子， 那麽四個軟木塞就排成一個正方形。當原子中有較多電子的情況下， 軟木塞的布局就不那麽規則和穩定了。但是， 如果把原子中的電子分為內層電子和外層電子， 湯姆遜的原子模型居然得出了和門捷列夫元素周期律相類似的電子排列規律。這使得湯姆遜的原子模型受到了讚揚。物理學家們還發現， β射線可以穿過幾毫米的鋁片。β射線是高速的電子流， 這就是說帶負電荷的電子能穿透組成鋁片的原子。顯然， 那種認為原子是一個不可分割的堅硬小球的傳統觀念是不對的。因為， 原子若真是不可分割的， 那麽電子是無法通過的。這讓湯姆遜感到高興， 他的原子模型可以解釋β射線穿過鋁片的現象。那就是電子比原子的體積小得多， 而原子裏麵有足夠的空隙， 可以讓高速的β射線穿過。這就好像高速的葡萄幹打穿了麵包。
沒有多久， 實驗事實就讓湯姆遜由高興轉為傷腦筋了。進一步的實驗發現， α粒子能穿過很薄的金屬鐳。α粒子是失去了兩個電子的氦原子， 好比是少了兩顆葡萄幹的小麵包。小麵包怎麽能通過大麵包， 這實在是令人難以接受的結論。這或許證明， 湯姆遜的原子模型存在不完全符合原子本身狀況的地方。
圖3模型不完全符合原型， 那就要修改。對模型進行修改， 依據的還是實驗事實。既然是α粒子帶來的問題， 那麽就對α粒子穿透原子的情況進行更細致的研究。一深入研究， 又發現了令人奇怪的現象。英國物理學家盧瑟福和他的助手在反複用α粒子去轟擊金屬箔時， 借助儀器觀察到大多數射向金屬箔( 金箔) 的α粒子都順利地通過了， 不過它們的飛行路線也產生了偏斜， 偏斜的角度隻有幾度。可是， 也有少數α粒子， 大約8000 個α粒子中隻有一個， 偏斜的角度很大， 有的超過90°， 甚至還有180°的。α粒子飛行路線偏斜180°就是射出去又被彈回來了。這個實驗事實使盧瑟福陷入了沉思。是什麽作用能使α粒子在進入原子裏麵以後， 飛行路線產生偏斜， 甚至被反彈回來呢？ 一定是它在原子裏麵遇到障礙物了。α粒子是比電子重的粒子， 它的質量差不多是電子質量的7000 多倍， 如果α粒子進到原子裏麵， 碰上的是電子的話， 那麽它的飛行線不會產生這麽大的偏斜。所以， α粒子遇到的很可能是一個比較重的東西， 而且這個重物的體積不是很大。因為隻有少數α粒子的飛行路線產生偏斜， 而大多數α粒子都順利地通過了。在這樣分析的基礎上， 盧瑟福猜想， 這個重物可能是帶正電荷的， 當帶正電荷的α粒子正碰上它的時候， 同性電荷相斥使α粒子反彈回來。盧瑟福的猜想是有道理的。α粒子與一個質量比它大得多的正電荷相遇， 有點像一輛飛速行駛的小汽車與一輛靜止不動的大卡車相撞的情況。可又不完全像， 根據庫侖定律， α粒子與帶正電荷的重物相遇， 會發生強烈的靜電斥力， 作用在電荷上的力與電荷所帶電量的大小成正比， 與兩個電荷之間距離的平方成反比。所以， α粒子越是靠近這個重物， 它受到的斥力就越大。實際上， α粒子並不需要真正同這個重物相碰， 它就會被反彈回來。
1911 年， 盧瑟福提出了一個新的原子模型。他認為， 原子的中央存在一個帶正電荷的核， 就是那個重物， 這個核被稱為原子核。原子核的體積很小， 它的直徑隻是原子直徑的萬分之一。原子核以外的地方比較空曠， 隻是散布著一定數量的電子， 這些電子環繞著原子核在不停地運動。這個原子模型描述的原子內部結構的狀況， 有點類似太陽係。太陽是太陽係的核心， 它的直徑與太陽係的直徑相比也是相當的小， 太陽係裏麵， 水星、金星以及地球等九大行星都在繞太陽這個核心旋轉。如果把原子核比做太陽， 則電子就好像是繞太陽為中心旋轉運動的行星。所以， 這個原子模型也有人稱之為“行星式原子模型”。在這個原子模型中， 盧瑟福還指出， 原子核的體積雖然小， 但是原子的質量幾乎都集中在原子核上。而且， 原子的質量越大， 原子核帶的正電荷就越多， 相應的原子核外圍的電子數目也就越多。
盧瑟福的原子模型發表以後， 在科學界產生了巨大的影響。很多科學家都到他的實驗室來表示祝賀， 但當看到他那揭示原子結構奧秘的實驗是用比較簡單的儀器完成的， 都對他更加欽佩。
盧瑟福的原子有核結構模型， 比湯姆遜的葡萄幹麵包式原子模型能更好地解釋實驗結果， 更符合原子結構的實際， 成為原子結構的基本觀點。物理學的發展， 已經證明“原子有核”的觀點是正確的。物理學家們經過精確的實驗和計算， 已經確切地知道， 原子核的直徑大約相當於原子直徑的萬分之一或幾萬分之一。電子更小， 它的直徑大約相當於原子直徑的十萬分之一。若按體積計算， 原子核的體積與原子的體積相差得更多。如果把一個原子比作一個大教室的話， 那麽原子核也不過相當於教室中央的一顆小米粒。
盧瑟福的原子模型優越於湯姆遜的原子模型， 因此很快被物理學家們所接受。那麽是不是盧瑟福的原子有核結構模型就非常完善了呢？ 也不是， 科學的發展是逐步深入的。不久， 盧瑟福的原子模型也受到了挑戰， 這一挑戰是來自理論與實驗兩個方麵的。一個重大的難題， 擺在了盧瑟福麵前。
