原子的结构

从经典的观点看，根本不可能有原子。

——费曼，物理学家

早在两千多年前，古希腊的哲学家德谟克利特就提出了一种大胆的设想，认为宇宙万物由一些不可再细分的小颗粒组成，他把这些小颗粒称为原子。原子是一个很有成效的概念，因为它解释了食物和花的香味的来源。原子的概念经历了两千多年的发展，逐渐被人们接受。

德谟克利特的原子是一个实心的小球体，当19世纪电学逐渐发展起来之后，这个小球体就无法解释物体的带电行为了。为什么原来不带电的物体经过摩擦后就变成带电的呢？

19世纪的最后几年，人们陆续发现了电子、X射线和几种放射性现象。电子与放射性现象的发现揭示出：原子不再是物质组成的永恒不变的最小单位，它们具有复杂的结构，并且可以互相转化。中性的原子可以放出带负电的 β 粒子，这个现象表明，原子内部必定由带正电和带负电的粒子组成。这样，原子的内部结构及其运动规律的问题就成了人们关心的问题。

汤姆逊的原子模型

一块可口的

葡萄干蛋糕

1904年，汤姆逊构想了这样一个原子模型：原子由带正电的和带负电的两种成份组成。原子中带正电的成份均匀地分布在整个原子中，带负电的成份就是电子，它们散落在带正电的成份之中，整个原子就像把葡萄干撒在面团中做成的葡萄干蛋糕一样。因此，汤姆逊的原子模型也被戏称为葡萄干蛋糕模型。根据原子的葡萄干蛋糕模型，物体原先不带电，是因为在物体内部的原子中，带正电的成份和带负电的成份数量相等，致使整个原子以及整块物体呈电中性。可是，当我们把两个物体放在一起相互接触进行摩擦之后，电子就会从对负电荷的“亲和力”比较弱的物体跑到对负电荷的“亲和力”比较强的物体上去。这样，相互接触的两个物体就带上了不同符号的电荷。这个模型也是有成效的，它能够定性地说明物体的带电行为。不过，我们无法用它来解释物体的发光现象。

高速的带正电的α粒子射向金箔，与金箔中的原子碰撞，被碰撞的α粒子向各个方向散射。实验结果与用汤姆逊模型做出的预言不一致。

α粒子散射实验

20世纪初，卢瑟福在做α粒子与重原子量的物质碰撞的实验时发现，汤姆逊的模型无法解释他在实验中发现的现象。根据汤姆逊的模型，在重原子量的物质内部，原子中的正电荷均匀地分布在整个原子的范围，形成一个松散的结构。当高速的带正电的α粒子射向这个“软绵绵”的原子时，很容易克服正电荷之间的排斥力，以一个比较小的角度偏离原子并穿透整个原子。可是，卢瑟福在实验中却发现，情况并不是这样。当高速的带正电的α粒子射向原子时，有很多α粒子以一个很大的角度被反弹回来，甚至有一些α粒子以接近180°的角度被直接反弹回来。这种情况就好像原子的中心区有一个很硬的核心，而其他区域则空空荡荡，一无所有。

由于α粒子的能量极高，电子对它的运动影响甚微。根据汤姆逊的原子模型，当α粒子进入原子内部时，由于正电荷均匀分布，α粒子受到的排斥合力很小，偏转的角度不大。

卢瑟福的实验结果促使他构想出一个新的原子模型。在这个模型中，原子中带正电的部分集中在中心一个很小的区域，原子的质量主要集中在正电荷部分，这个部分后来被称为原子核。原子中带负电的部分就是电子，它们在一个广大的区域中绕原子核运动。

根据卢瑟福的原子模型，当α粒子进入原子内部时，大部分粒子离原子核很远，受到的排斥力很小，运动方向几乎不改变。只有非常接近原子核的α粒子受到较大的排斥力而发生大角度偏转。在描述卢瑟福的新的原子模型时，我们用了“广大的区域”这个词，是想要说明原子的内部是如此空虚，以至除了很小的原子核以及若干个电子之外，根本就是空无一物。想象在一个运动场的正中央放着一颗葡萄核，外围的跑道上有几颗灰尘在飘荡，其他地方什么也没有，你就能够体会原子中的空虚了。卢瑟福的这个原子模型被称为有核模型，由于它与太阳系中行星绕太阳转动的景象很相似，完全可以称得上是一个微型的行星系，因此又被戏称为原子的行星系模型。

卢瑟福的原子模型

一个微型的

行星系

卢瑟福的行星系模型很好，它能够定性地说明物体的发光机理。当电子在原子核的外围运动时会有加速度，根据经典电磁理论，一个有加速度的带电物体会发射电磁波。

欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871~1937)，新西兰物理学家，原子核物理学的祖师爷，被公认为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。

由于在研究放射性现象和原子结构方面的重大贡献，卢瑟福被授予1906年度的诺贝尔化学奖。

细心地想一想就会发现，卢瑟福的原子模型是有问题的。我们知道，电磁波是携带能量的，当电子发射电磁波的时候，会将自己的运动能量转变成电磁波的能量，从而自身的能量就会减少，运动速率就会降低，运动轨道的半径也就减小。这种情况导致电子将沿着螺旋式的路径运动，最终因失去全部的动能而掉落到原子核上，原子也就不复存在了。但是，在现实世界中，原子却稳定地存在着。由此看来，卢瑟福的行星系模型与实验事实相违背，它不能给出一个稳定的原子。