6.原子為什麽沒有坍縮
原子為什麽沒有坍縮？ 這是提給盧瑟福的原子有核結構模型的一個難題。我們知道， 盧瑟福的原子模型的幾個基本思想， 被廣泛地接受： 原子是電中性的， 原子核所帶正電荷的數量與原子中所有電子所帶負電荷的數量是相等的； 原子內部有一個體積很小的原子核； 原子核外的電子繞原子核在不停地運動。這個模型的成功， 還表現在它的傳播程度上。依據這個原子模型所畫出的原子結構示意圖， 在相當長的一段時間裏， 人都把它當作現代科學技術的象征。
但是， 這個原子模型也遇到了困難。
首先， 是來自理論方麵的挑戰。物理學家們發現， 按照這個原子模型來描述原子的內部結構， 從理論上分析， 原子是不能穩定的。因為， 如果原子裏麵的電子在繞原子核不停地旋轉運動， 它的運動方向就會不斷地改變， 因此它必然具有一定的向心加速度。否則， 電子就隻能作勻速直線運動( 或靜止) 了。根據19 世紀對電磁現象的研究， 得到了一個基本規律是， 任何一個作加速運動的帶電體， 都要不斷地向外界輻射能量。這樣， 電子在繞原子核旋轉的同時， 會不斷地向外界輻射電磁波。隨之， 電子的能量不斷地減少。相應的是， 電子繞原子核旋轉運動的軌道也逐漸變小， 電子離原子核越來越近。最終， 電子將掉在原子核上， 這就是“原子坍縮”。經過計算， 如果真的存在電子落在原子核上形成的12原子坍縮， 那麽原子的壽命大約隻有10 -秒的時間， 可以說是轉瞬即逝。不過， 這樣一幅圖景， 僅僅是由經典電磁理論和盧瑟福原子有核結構模型推出的結果。這一結論顯然是錯誤的。客觀世界裏， 由原子作為基本組成的各種物體卻都穩定地存在著。誰也沒有觀察到由於原子的坍縮引起原子壽終正寢而造成工廠、樓房、教室等的煙消雲散。也就是說，在現實中， 各種物體的穩定存在證明原子是穩定的。這就產生了一個矛盾， 理論上推出的一個結論是存在原子坍縮， 而實際上( 或稱觀察上) 原子卻是穩定的。
理論與觀察實驗之間出現矛盾， 對於一個具體的理論( 或模型) 來說不是一件好事。但是， 對於物理學的發展來說， 理論( 或模型) 與觀察實驗構成的基本矛盾， 卻是推動物理深入發展的最基本的內在動力。一般來說， 理論( 或模型) 與觀察實驗的矛盾， 揭示的是理論( 或模型) 的缺陷。這一矛盾的解決需要將理論( 或模型) 作進一步的完善。
其次， 是來自實驗方麵的挑戰。這是原子線狀光譜帶來的難題。早在19 世紀80 年代， 光譜學已經獲得了長足的發展。所謂光譜， 就是當一束光線通過棱鏡時， 由於折射作用所形成的單色光按波長次序排列而成的譜像。如果是個含有各種波長的光譜， 看上去就是一個連續的彩色光帶， 這就是連續光譜。如果是隻含有某些波長的光譜， 看上去就是一些分開的、具有不同顏色的線條， 這就叫做線狀光譜。原子發出的光譜都是線狀光譜。比如， 一個充有氫氣的放電管， 在通電時， 氫分子分解為氫原子。由於能量的激發， 氫原子就會發光。它的光線通過棱鏡時， 形成的是如圖所示的線狀光譜。
物理學家對元素氫的光譜線研究得比較細致。1884 年，瑞士的一位中學教學教師巴耳未發現， 氫原子光譜中4 條譜線Hα、Hβ、Hγ、Hσ的波長可以用一個公式來表示：圖5 氫原子光譜2λ= β2n 4， n=3，4， 5，6，nγ= 3645 。 6 埃( A)這是一個常數。
氫原子的線狀光譜， 已是一個確定無疑的事實。這一事實也與盧瑟福的原子有核結構模型產生了矛盾。因為如果電子是繞原子核旋轉運動， 那麽按照經典電磁理論。電子不斷地向外輻射能量， 它的能量逐漸變小。這樣， 氫原子的光譜應該是連續的， 而不應該是不連續的線狀光譜。
這來自理論和實驗兩方麵的挑戰， 表明對盧瑟福的原子模型的修改、完善已是迫在眉睫的了。
正在這時， 盧瑟福的一個助手， 28 歲的丹麥物理學家玻爾於1913 年提出了嶄新的見解， 從而使原子結構理論又有了新的發展。
玻爾分析， 盧瑟福的原子模型所遇到的困難， 是由於按照經典電磁理論來推斷原子中的電子運動所造成的。這實際上是把在宏觀現象研究中確立的理論， 用於對微觀領域原子結構的描述。基於這種想法， 他在德國物理學家普朗克量子論的啟發下， 把量子概念引進原子結構理論。進而， 玻爾提出了兩個大膽的假設。
第一個假設是， 電子在穩定軌道上繞原子核旋轉運動時， 它的能量是穩定不變的。這一假設也叫定態假設， 按這一假設， 不存在電子落到原子核上的問題， 解決了原子坍縮問題。
第二個假設是， 電子的能量變化是不連續的。原子中的電磁輻射隻是在電子能量狀態發生變化時才發生， 輻射頻率僅和能量狀態有關。這一假設也叫頻率假設。按這一假設， 氫原子的線狀光譜也是自然的事情了。
在這兩個假設的基礎上， 玻爾形成了他的氫原子結構理論。它的主要內容是：第一， 原子核外的電子不能在任意的軌道上運動， 它們隻能處於一組滿足特定條件的軌道上。在一定的軌道上運動的電子都具有一定的能量。而且電子在穩定軌道上運動時， 既不吸收能量也不放出能量， 是處於一種定態。
第二， 在不同軌道上運動的電子具有不同的能量。用能級來刻劃電子能量的不同，n 值的大小代表能級的高低，n =1， 即第1 能級， 表示是離原子核最近， 電子能量較低的軌道； n=2 ， 即第2 能級， 表示是離核較遠， 電子能量較高的軌道； 以此類推。電子繞原子核運動的軌道也是分立的。
第三， 電子可以從一個特定的軌道跳躍到另一特定的軌道。當它受到外界能量激發時， 可以吸收一定的能量， 由離原子核較近的低能級， 跳躍到離原子核較遠的高能級上去。相反， 當電子由較高能級的軌道上， 跳躍到較低能級的軌道上時， 它會放出一定的能量。電子隻能從一個能級跳躍到另一個能級， 而不能處於兩個能級之間。
用這個理論可以解釋原子光譜是分立的事實， 也克服了原子坍縮的理論難題。按照玻爾的理論， 電子不再像經典電磁理論所說的那樣， 它不是連續地吸收或輻射任意數值的能量。電子無論是從高能級到低能級， 還是從低能級到高能級， 它吸收或輻射的是特定數值的能量。它的譜線的頻率總是與特定軌道之間的能量差有關。另外， 當原子中所有的電子都處在能級盡可能低的軌道上時， 電子無法跳躍到原子核上， 原子就是穩定的。
1914 年， 也就是玻爾理論提出的第二年， 兩位德國物理學家佛蘭克和赫茲， 通過實驗發現電子在與水銀原子相撞時， 損失的能量總是一個固定的值―――4. 9 電子伏特， 也就是說， 水銀原子隻吸收4. 9 電子伏特的能量。少了， 它瞧不起， 一點也不收； 多了， 它也不貪求， 隻收4. 9 電子伏特就滿足了。進一步的實驗還發現， 水銀原子除了吸收這一特定值的能量以外， 還吸收6. 67 電子伏特、8. 84 電子伏特等特定值的能量。這個實驗證實了玻爾設想的那種分立的、確定的能量狀態是存在的。這些分立的能量值就構成了原子的能級圖， 每一種原子都具有自己獨特的能級圖。
玻爾的理論不僅有實驗上的支持， 而且根據這一理論預言了未知元素的性質， 並找到了這一元素。這使得這一理論產生了很大的影響。本世紀20 年代， 許多化學家預言在元素周期表上排在第72 號的元素屬於稀土元素。應從稀土礦中去尋找， 不過一直沒有找到。玻爾則根據原子核外電子按能級分層排布的狀況， 找到了元素的電子層結構與元素周期表的關係。由此出發， 他認為第72 號元素不屬於稀土元素， 而是與第40 號元素鋯屬於同一分支， 應到鋯礦石中去尋找。果然， 在用X 射線分析鋯礦石時， 發現了這個未知元素。為了紀念這個元素的發現地點―――丹麥的哥本哈根， 就把這一元素命名為鉿。
玻爾理論的成功， 使得那些習慣於用經典理論來認識原子問題的物理學家感到十分震驚。迫使他們考慮到這樣一個問題， 對微觀領域的認識需要一種全新的理論。這個理論就是量子理論， 玻爾就是首先把量子概念應用於原子科學的開路人。不過， 也需要指出玻爾應用量子理論並不徹底。因此， 他的理論隻限於含有1 個原子核外電子的氫原子。當應用於含有多個原子核外電子的原子時， 理論計算與實驗結果之間並不相符。這裏的主要原因就在於， 玻爾理論在描述原子核外電子的運動時， 仍然認為電子是沿一定軌道繞電子核運動的。而根據現代實驗和量子理論， 原子核外的電子運動沒有固定的軌道， 這裏電子的運動並不遵從經典力學的規律而是遵守量子力學的統計性規律。量子力學的規律對電子的描述， 不是電子的個別運動， 而是電子的許許多多次運動的統計規律。物理學家把電子在原子核外各處出現機會的多少用一種圖來表示， 形象地叫做電子雲。電子雲圖中小黑點的稠稀， 大體說明了電子出現機會的多少。現代原子結構理論， 就是以電子雲代替了玻爾的軌道， 從而科學地反映了原子核外電子的運動狀態。
§§第三章 打開原子核
但是， 這個原子模型也遇到了困難。
首先， 是來自理論方麵的挑戰。物理學家們發現， 按照這個原子模型來描述原子的內部結構， 從理論上分析， 原子是不能穩定的。因為， 如果原子裏麵的電子在繞原子核不停地旋轉運動， 它的運動方向就會不斷地改變， 因此它必然具有一定的向心加速度。否則， 電子就隻能作勻速直線運動( 或靜止) 了。根據19 世紀對電磁現象的研究， 得到了一個基本規律是， 任何一個作加速運動的帶電體， 都要不斷地向外界輻射能量。這樣， 電子在繞原子核旋轉的同時， 會不斷地向外界輻射電磁波。隨之， 電子的能量不斷地減少。相應的是， 電子繞原子核旋轉運動的軌道也逐漸變小， 電子離原子核越來越近。最終， 電子將掉在原子核上， 這就是“原子坍縮”。經過計算， 如果真的存在電子落在原子核上形成的12原子坍縮， 那麽原子的壽命大約隻有10 -秒的時間， 可以說是轉瞬即逝。不過， 這樣一幅圖景， 僅僅是由經典電磁理論和盧瑟福原子有核結構模型推出的結果。這一結論顯然是錯誤的。客觀世界裏， 由原子作為基本組成的各種物體卻都穩定地存在著。誰也沒有觀察到由於原子的坍縮引起原子壽終正寢而造成工廠、樓房、教室等的煙消雲散。也就是說，在現實中， 各種物體的穩定存在證明原子是穩定的。這就產生了一個矛盾， 理論上推出的一個結論是存在原子坍縮， 而實際上( 或稱觀察上) 原子卻是穩定的。
理論與觀察實驗之間出現矛盾， 對於一個具體的理論( 或模型) 來說不是一件好事。但是， 對於物理學的發展來說， 理論( 或模型) 與觀察實驗構成的基本矛盾， 卻是推動物理深入發展的最基本的內在動力。一般來說， 理論( 或模型) 與觀察實驗的矛盾， 揭示的是理論( 或模型) 的缺陷。這一矛盾的解決需要將理論( 或模型) 作進一步的完善。
其次， 是來自實驗方麵的挑戰。這是原子線狀光譜帶來的難題。早在19 世紀80 年代， 光譜學已經獲得了長足的發展。所謂光譜， 就是當一束光線通過棱鏡時， 由於折射作用所形成的單色光按波長次序排列而成的譜像。如果是個含有各種波長的光譜， 看上去就是一個連續的彩色光帶， 這就是連續光譜。如果是隻含有某些波長的光譜， 看上去就是一些分開的、具有不同顏色的線條， 這就叫做線狀光譜。原子發出的光譜都是線狀光譜。比如， 一個充有氫氣的放電管， 在通電時， 氫分子分解為氫原子。由於能量的激發， 氫原子就會發光。它的光線通過棱鏡時， 形成的是如圖所示的線狀光譜。
物理學家對元素氫的光譜線研究得比較細致。1884 年，瑞士的一位中學教學教師巴耳未發現， 氫原子光譜中4 條譜線Hα、Hβ、Hγ、Hσ的波長可以用一個公式來表示：圖5 氫原子光譜2λ= β2n 4， n=3，4， 5，6，nγ= 3645 。 6 埃( A)這是一個常數。
氫原子的線狀光譜， 已是一個確定無疑的事實。這一事實也與盧瑟福的原子有核結構模型產生了矛盾。因為如果電子是繞原子核旋轉運動， 那麽按照經典電磁理論。電子不斷地向外輻射能量， 它的能量逐漸變小。這樣， 氫原子的光譜應該是連續的， 而不應該是不連續的線狀光譜。
這來自理論和實驗兩方麵的挑戰， 表明對盧瑟福的原子模型的修改、完善已是迫在眉睫的了。
正在這時， 盧瑟福的一個助手， 28 歲的丹麥物理學家玻爾於1913 年提出了嶄新的見解， 從而使原子結構理論又有了新的發展。
玻爾分析， 盧瑟福的原子模型所遇到的困難， 是由於按照經典電磁理論來推斷原子中的電子運動所造成的。這實際上是把在宏觀現象研究中確立的理論， 用於對微觀領域原子結構的描述。基於這種想法， 他在德國物理學家普朗克量子論的啟發下， 把量子概念引進原子結構理論。進而， 玻爾提出了兩個大膽的假設。
第一個假設是， 電子在穩定軌道上繞原子核旋轉運動時， 它的能量是穩定不變的。這一假設也叫定態假設， 按這一假設， 不存在電子落到原子核上的問題， 解決了原子坍縮問題。
第二個假設是， 電子的能量變化是不連續的。原子中的電磁輻射隻是在電子能量狀態發生變化時才發生， 輻射頻率僅和能量狀態有關。這一假設也叫頻率假設。按這一假設， 氫原子的線狀光譜也是自然的事情了。
在這兩個假設的基礎上， 玻爾形成了他的氫原子結構理論。它的主要內容是：第一， 原子核外的電子不能在任意的軌道上運動， 它們隻能處於一組滿足特定條件的軌道上。在一定的軌道上運動的電子都具有一定的能量。而且電子在穩定軌道上運動時， 既不吸收能量也不放出能量， 是處於一種定態。
第二， 在不同軌道上運動的電子具有不同的能量。用能級來刻劃電子能量的不同，n 值的大小代表能級的高低，n =1， 即第1 能級， 表示是離原子核最近， 電子能量較低的軌道； n=2 ， 即第2 能級， 表示是離核較遠， 電子能量較高的軌道； 以此類推。電子繞原子核運動的軌道也是分立的。
第三， 電子可以從一個特定的軌道跳躍到另一特定的軌道。當它受到外界能量激發時， 可以吸收一定的能量， 由離原子核較近的低能級， 跳躍到離原子核較遠的高能級上去。相反， 當電子由較高能級的軌道上， 跳躍到較低能級的軌道上時， 它會放出一定的能量。電子隻能從一個能級跳躍到另一個能級， 而不能處於兩個能級之間。
用這個理論可以解釋原子光譜是分立的事實， 也克服了原子坍縮的理論難題。按照玻爾的理論， 電子不再像經典電磁理論所說的那樣， 它不是連續地吸收或輻射任意數值的能量。電子無論是從高能級到低能級， 還是從低能級到高能級， 它吸收或輻射的是特定數值的能量。它的譜線的頻率總是與特定軌道之間的能量差有關。另外， 當原子中所有的電子都處在能級盡可能低的軌道上時， 電子無法跳躍到原子核上， 原子就是穩定的。
1914 年， 也就是玻爾理論提出的第二年， 兩位德國物理學家佛蘭克和赫茲， 通過實驗發現電子在與水銀原子相撞時， 損失的能量總是一個固定的值―――4. 9 電子伏特， 也就是說， 水銀原子隻吸收4. 9 電子伏特的能量。少了， 它瞧不起， 一點也不收； 多了， 它也不貪求， 隻收4. 9 電子伏特就滿足了。進一步的實驗還發現， 水銀原子除了吸收這一特定值的能量以外， 還吸收6. 67 電子伏特、8. 84 電子伏特等特定值的能量。這個實驗證實了玻爾設想的那種分立的、確定的能量狀態是存在的。這些分立的能量值就構成了原子的能級圖， 每一種原子都具有自己獨特的能級圖。
玻爾的理論不僅有實驗上的支持， 而且根據這一理論預言了未知元素的性質， 並找到了這一元素。這使得這一理論產生了很大的影響。本世紀20 年代， 許多化學家預言在元素周期表上排在第72 號的元素屬於稀土元素。應從稀土礦中去尋找， 不過一直沒有找到。玻爾則根據原子核外電子按能級分層排布的狀況， 找到了元素的電子層結構與元素周期表的關係。由此出發， 他認為第72 號元素不屬於稀土元素， 而是與第40 號元素鋯屬於同一分支， 應到鋯礦石中去尋找。果然， 在用X 射線分析鋯礦石時， 發現了這個未知元素。為了紀念這個元素的發現地點―――丹麥的哥本哈根， 就把這一元素命名為鉿。
玻爾理論的成功， 使得那些習慣於用經典理論來認識原子問題的物理學家感到十分震驚。迫使他們考慮到這樣一個問題， 對微觀領域的認識需要一種全新的理論。這個理論就是量子理論， 玻爾就是首先把量子概念應用於原子科學的開路人。不過， 也需要指出玻爾應用量子理論並不徹底。因此， 他的理論隻限於含有1 個原子核外電子的氫原子。當應用於含有多個原子核外電子的原子時， 理論計算與實驗結果之間並不相符。這裏的主要原因就在於， 玻爾理論在描述原子核外電子的運動時， 仍然認為電子是沿一定軌道繞電子核運動的。而根據現代實驗和量子理論， 原子核外的電子運動沒有固定的軌道， 這裏電子的運動並不遵從經典力學的規律而是遵守量子力學的統計性規律。量子力學的規律對電子的描述， 不是電子的個別運動， 而是電子的許許多多次運動的統計規律。物理學家把電子在原子核外各處出現機會的多少用一種圖來表示， 形象地叫做電子雲。電子雲圖中小黑點的稠稀， 大體說明了電子出現機會的多少。現代原子結構理論， 就是以電子雲代替了玻爾的軌道， 從而科學地反映了原子核外電子的運動狀態。
§§第三章 打開原子核
