最近，我突然发现有许多人都没有正确地认识原子模型。我指的这些人是他们知道原子是构成万物的基本单元，但却没有正确地认识原子的结构。
我认为“原子”这个概念是每一个人都必须知道的科学术语，毕竟你、我、包括日常我们见到的所有东西都是由原子构成的。所以，今天我们就简单地从原子模型的发展历史来正确的认识目前已知最准确的原子模型。
在开始之前，我先做个调查，你们知道下面五个原子模型哪个是最正确的吗？
我也对身边许多非科学专业的朋友做了个小调查，排除那些不知道原子这个术语的人，大多数人给出的答案都是图三，少部分人认为是图四。
的确，如果你在谷歌或百度图片输入“原子”就会发现，搜出来的图片大多都是原子的行星模型（图三）。也难怪很多人想到原子就会想到图三所显示的那样。
而事实是这个图像是不正确的。
早在古希腊时期，德谟克利特（更有可能是他的老师留基伯）就提出万物皆由不可分割的原子组成。但直到到19世纪，英国化学家道尔顿才重新复活了德谟克利特的原子理论，基于实验证据提出了实心球模型（图一）。他认为所有的元素都是由原子构成的，原子不可能被继续分割或摧毁。
到了20世纪初，科学家知道原子是由带负电的电子，加上某些带正电荷的东西构成的。当时主流的想法认为（由电子发现者汤姆逊提出）原子是一个带正电荷的球，电子镶嵌在里面，看起来就好像是葡萄干布丁，因此被称为葡萄干布丁模型（图二）。
△ 汤姆逊的葡萄干布丁模型，也被称为梅子布丁模型、西瓜模型和汤姆逊模型。（图片来源：boundless.com）
但到了1911年，卢瑟福的登场使一切都改变了。当时他正在曼彻斯特大学，发表了著名的金箔实验结果。在卢瑟福的实验设置中（下图），一个放射源射出了一束带正电荷的 α粒子，打到一面非常薄的金箔，金箔的周围围有一圈硫化锌荧幕，如下图（a）。当α粒子打到荧幕时就会发出一点闪光。
△ 卢瑟福的金箔实验。今天，物理学家依旧按照卢瑟福的实验模式来探索亚原子世界。（图片来源：Book Archives）
根据葡萄干布丁模型，我们预期会在实验中看到 α粒子直接穿过金箔，在荧幕上形成一小簇闪光，像上图（b）的情况。
但是！从上图（c）中可以看到，有一些 α粒子以大角度偏折了！！！实验总是能给我们带来一些意想不到的结果。由于带正电的 α粒子被偏折了，卢瑟福因此对他的实验结果做了一个大胆的总结：在原子内部，使 α粒子往其它方向偏折的东西一定很小、很重，而且是带正电的。原子应该带有一个原子核！
因此他提出了原子结构的行星模型：电子像太阳系的行星围绕太阳转一样围绕着原子核旋转。
△ 卢瑟福的行星模型。（图片来源：SciShow）
卢瑟福模型准确地预言了原子的中心是质子，以及电子环绕着原子核运行，今天你仍然可以看到他的模型被应用在对原子的基本解释。但是，行星模型有一个重大的问题：根据经典电磁理论，这样的电子会发射出电磁辐射，损失能量，以至于它会坍缩到原子核里。这就意味着所有的原子最终都会坍缩。但我们知道稳定的原子确实存在，不然也就不会有我们，因此肯定哪里出错了。
就在两年后，1913年，丹麦物理学家玻尔（卢瑟福的学生）对卢瑟福模型进行了修正，完美地解决了这个问题。
玻尔模型（图四）假设电子只能在一系列特定能量的轨道上绕着原子核做圆周运动，这些特定的能量称为电子的能级。电子只能精确地在特定的轨道上运动，因此不会向原子核坍缩。
△ 玻尔原子模型很好的解释了氢原子光谱。当一个电子从一个能级跳到另一个能级的时候，就会辐射出光子，光子的能量由图中△E可计算。（? HyperPhysics）
当电子从一个能级跳到另一个能级上时，就会发射或吸收与能级之间能量差相对应的光子。玻尔模型成功地解释了氢原子的光谱线的分布规律。因此，很快就成为了最流行的原子模型，今天也经常被用来解释原子的基本结构。
但玻尔模型依然不是完全正确的原子模型。
到了1932年，有了一个突破性的发现。英国物理学家查德威克发现了中子的存在。中子是电中性的，也帮助解释为什么原子核很重。
而另一个突破性的发现跟量子力学有关，即电子并不一定要沿着特定轨道绕原子核做圆周运动。事实上，电子在任何给定时间内并不一定要在一个特定的位置，而是在一个更大的区域内可以同时在不同的地方。接着，当你真正的去测量一个电子时，它就突然待在那个区域的某个特定地方。
这个概念跟我们现实中所体验到的世界是非常不同的。但这就是量子力学。当你去测量电子时，你可能找到电子的那个区域叫做电子云。比如，氦原子结构：
△ 氦原子：原子核由两个质子和两个中子构成，围绕着原子核的是电子云（黑色区域）。（图片来源：SciShow）
在氦原子结构中，中间是由质子和中子构成的原子核，围绕着原子核的是球形的电子云。越靠近原子核的电子云会比较黑，这意味着当你测量的时候，在更黑的区域找到电子的概率更高。科学家也发现，在玻尔的轨道上找到电子的概率最高，这也是为什么很多时候我们可以用玻尔模型来简化计算。
△ 电子轨道。（图片来源：Wikimedia Commons）
但是，当研究越来越大的原子，也就是包含越来越多的电子时，电子云开始互相干涉，并且开始有各种不同的形状。
但这并不意味着其它的模型没有用。例如，当你想专注于能级和辐射的研究时，玻尔模型就很有用的。如果你想研究化学键，你就需要电子云模型来确定电子究竟在哪里。但如果你想让别人对原子的结构有一个非常基本的了解，行星模型会是个不错的选择。如果你想知道原子结构的真实图片，看这张：
△ 氢原子轨道结构的第一张真实图片。（图片来源：APS/Alan Stonebrakere）
最后，留一个问题给你们思考。你认为我们身体中的原子有没有可能是来自过去的事物？例如，在你的身体中的原子有没有可能曾经也在秦始皇身上？（需要注意的是，你通常会认为这里的“你”是指你的骨头、肌肉、皮肤或其它器官，但从细胞的角度看，这些只包含了你身体4%的细胞。其它的96%来自血细胞和细菌。）
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