量子史话（七）汤姆逊、长冈、卢瑟福构建原子模型

　　上个视频我们说了，人们是怎样一步一步地确认原子的存在，虽然我们看不到原子本身，但19世纪末的物理学家在实验室看到了原子产生的一系列变化。其中包括元素的放射性、元素的嬗变、电子的发现。

　　尤其是在1905年，爱因斯坦从理论的角度，也确认了原子的存在，就是我们熟知的布朗运动。

　　既然已经知道了原子的真实性，那么接下来的工作就是要构建原子模型。

　　最先提出原子模型的人是电子的发现者——约翰·汤姆逊。

　　汤姆逊出生在曼彻斯特，父亲的出版社经常给大学印刷教材，家庭条件相当不错，而且能够经常接触到大学教授，以及各类的书籍。

　　耳濡目染，以及良好的教育使得汤姆逊，在14岁就考上了曼彻斯特大学，1876年，21岁的汤姆逊就被保送到了剑桥大学，1880年获得博士学位，并留校任教。

　　1884年剑桥大学的卡文迪许实验室主任瑞丽勋爵，在5年任期到了以后直接甩手不干了，瑞丽这个名字我们很熟悉，在解释黑体辐射分布的时候，说到过瑞丽公式，还有我们在解释天空为什么是蓝色的时候，也经常提到瑞丽散射。

　　瑞丽勋爵是第二任卡文迪许实验室的主任，第一任是麦克斯韦，瑞丽辞职以后，剑桥大学就开始物色新的物理系主任，先后找了开尔文勋爵，和德国的赫尔姆霍兹，这两位加起来已经快一百三十岁的人了，功成名就，所以都直接拒绝了邀请。

　　不过对于年轻人来说，这个职位做梦都不敢想。不过在剑桥大学的汤姆逊看到了人生翻转的机会，斗胆向学校提出申请，既然没人干，那要不先让我试一下，在瑞丽的支持下，28岁的汤姆逊成为了卡文迪许实验室的第三任掌门人。

　　事实证明，汤姆逊是一个很好的领导者，在他的手下出了9位诺奖获得者，其中就包括欧纳斯特·卢瑟福。

　　这位比他的老师更牛，在他的手下出了11位诺奖获得者，堪称诺贝尔奖幼儿园。后面我们还会提到卢瑟福，他也是我们今天的主角。

　　1897年汤姆逊发现阴极射线其实就是电子，这一发现让他获得了1906年的诺贝尔奖，在发现电子以后，汤姆逊认为电子是原子的组成部分，且原子呈电中性，那么原子中肯定有带正电的部分。

　　在没有实验证据的情况下，1903年汤姆逊纯靠想象提出了自己的原子模型，史称“葡萄干布丁”模型。

　　他勾勒出了这样一个图景，原子呈球形，电子以同心圆的方式镶嵌在正电荷云里，整个结构看起来就像一块布丁里面镶嵌着葡萄干一样。

　　而且汤姆逊也说不清楚，一种元素的原子里，有多少个电子，只是给出了一个大致的数量范围。

　　比如原子重量为1的氢原子，可能只有一个电子，原子重量为4的氦原子，电子数量可能是两个，也可能是3个或者4个，说不清楚。

　　主要原因是，这时人们并不知道元素周期表的元素顺序，其实是按照原子核的正电荷数来排列的，当然也不知原子核里面的正电荷数是多少，所以汤姆逊并不清楚一个原子里应该有几个电子。

　　当时人们对元素顺序的排列依靠的指标是原子的重量，也就是原子量。

　　比如氢原子的原子量是1，它排在了第一位，接下来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，也就是锂元素，排在了第三位。

　　可以看出，当时人们对元素周期表的认识有很大的局限性，并没有弄清楚最基本的排列规律，尤其是1907年的时候，人们发现了同位素以后，以原子量排列的元素周期表变的混乱不堪。

　　这个问题要到1910年的时候，波尔才第一次给出了正确的答案。我们在讲到波尔的时候，会详细说，这里就暂时略过。

　　很明显汤姆逊提出的原子模型，跟实际的情况偏差很大，不过当时也没有人知道原子的结构，既然汤姆逊提出了模型，那么我们就做实验验证一下。

　　做这个实验的人正是汤姆逊的学生卢瑟福。

　　卢瑟福1871年生于新西兰的一个乡村，比爱因斯坦大了8岁，比波尔大了14岁，父亲是亚麻纺织厂的工人，母亲是小学教师，家里有12个孩子，卢瑟福排行老四，一家人挤在一个简陋的木屋中，生活非常艰辛。

　　卢瑟福的求学生涯一路走来，靠的都是奖学金，1895年卢瑟福来到了剑桥大学，在卡文迪许实验室给汤姆逊打下手。

　　正巧这一年伦琴发现了X射线，引起了巨大的轰动，喜欢研究原子现象的汤姆逊就对这种鬼气阴森X射线产生了极大的兴趣。

　　他给卢瑟福的研究课题是测量X射线通过气体时产生的效应，确认了X射线可以电离气体，在接下来的两年中，卢瑟福发表了4篇关于X射线的论文，获得了博士学位，也让卢瑟福在科学界崭露头角。

　　上个视频我们还提到过，卢瑟福通过研究各种射线的穿透性，将贝克勒尔射线分为了α射线和β射线，将杰拉德·施密特发现的放射性辐射命名为γ射线。

　　后来人们也证实了，X射线、伽马射线就是电磁波，β射线是电子，α射线是氦原子核。

　　有了这些成就以后，卢瑟福已经成为了当时放射性研究的先锋人物，继续给汤姆逊当助手就有点太屈才了，卢瑟福已经具备了独立开展科研工作的能力。

　　1898年4月，加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学正在招聘全职教授，汤姆逊为卢瑟福写了一封热情洋溢的推荐信，9月底，27岁的卢瑟福抵达蒙特利尔，在这里待了九年的时间。

　　1901年卢瑟福和25岁的化学家索迪发现了元素的嬗变，这一成就让他获得了1908年的诺贝尔化学奖。

　　1905年，在蒙特利尔的时候，卢瑟福就用α粒子轰击过云母薄片，发现了α粒子的轨迹发生了偏移，虽然没有深入的研究，但卢瑟福把这一现象一直记在心里。

　　1907年5月，卢瑟福来到曼彻斯特大学担任全职教授，首要的研究课题就是α粒子的散射现象。

　　卢瑟福设计了一个简单的实验，用α粒子轰击金箔，观察α粒子通过金箔以后的轨迹变化，这种实验需要在全黑的环境下进行，才能看到α粒子穿过金箔以后，在屏幕上留下的微弱闪光。

　　而且需要在几个小时内不断地用α粒子轰击金箔，卢瑟福把这项艰苦的任务交给了新的助手汉斯·盖革；

　　后来又来了一位研究生马斯登，也参与到了这项研究中，他们发现大部分的α粒子可以沿着直线轨迹穿过金箔，有一部分α粒子会发生小角度的偏转，有一小部分的α粒子会发生大角度的偏转，有极个别的α粒子会直接被反弹回来。

　　1909年6月，盖革和马斯登把这一实验过程和结果发表了出来，卢瑟福在论文中没有对实验结果做任何评论。

　　因为这样的结果，让卢瑟福大惑不解，在卢瑟福看来，α粒子直接被反弹回来，就像是用一颗38厘米的炮弹，轰击一张纸，炮弹却返回来打到了自己，简直不可思议。

　　按照他的老师汤姆逊提出的原子模型，只要有一个α粒子能够顺利地穿过金箔，那么所有的α粒子都应该能够穿过，不存在直接被反弹回来的情况。

　　卢瑟福大胆地放弃了汤姆逊的原子模型，在1910年12月提出了自己的原子模型，史称“行星原子模型”。

　　他构想出了这样一个图景：卢瑟福相信在原子的中心，有一个承载了原子全部质量、且带正电的原子核，但原子核的大小只有原子的1/10万，一般来说原子的尺寸在10^-8厘米，原子核的尺寸在10^-13厘米，

　　比方说，如果原子核的大小是一个针尖，那么电子就在100米开外像行星绕太阳一样，绕着原子核运行。这样的原子模型符合α粒子的散射实验，那些极个别被反弹回来的α粒子是因为一头撞在了原子核上。

　　卢瑟福本人是一个非常典型的实验物理学家，他不喜欢没有依据的猜测，当然他也不喜欢理论物理学家的研究风格，开局靠假设，过程全靠猜。

　　所以卢瑟福并没有急于发表自己的原子模型，而是提出了一个数学公式，这个数学公式可以于预测在特定的偏转角度上，有多少α粒子会被偏转出来。

　　盖革通过实验发现，α粒子被散射后的分布情况和卢瑟福预测的完全一致。

　　这时卢瑟福才放心大胆地在1911年宣布了他的原子模型。相信大家可以看出来，卢瑟福的原子模型相比于汤姆逊的原子模型有了很大的进步，更加接近真实情况，但同样的问题是，卢瑟福也说不清楚原子中电子的数量，也说不清电子在核外是怎样分布的。

　　而且卢瑟福原子模型还面临了一个非常严重的问题，电子像行星一样在核外绕着原子核运行，牛顿力学告诉我们圆周运动是加速运动，麦克斯韦电磁理论告诉我们，加速运动的电子会释放出电磁辐射，不断地损耗能量。

　　这样一来，电子就会在极短的时间内掉入原子核，整个原子会彻底崩溃，而客观世界的存在，就强有力地说明了，卢瑟福原子模型存在不稳定的问题。

　　这个问题是在1913年，被波尔解决的，这时的波尔还是卢瑟福的学生。接下来的几个视频，我会详细地讲波尔是如何构建量子化的原子模型。

　　下面我们在简单地说下，不为大家熟悉的长冈模型，在卢瑟福公布了自己的原子模型以后，他收到了来自日本的一封信，写这封信的人是长冈半太郎。

　　信中说，在5年前，我已经提出了和你的原子模型相像的原子模型，我的叫土星模型。卢瑟福承认，他的原子模型和长冈半太郎的有相似的地方，但是有本质的区别。

　　在长冈半太郎的土星模型中，原子核像土星一样巨大，占据了原子绝大部分的空间，电子像土星的卫星一样，绕着土星运行。

　　很明显，长冈半太郎的模型很可能是猜出来，如果他跟卢瑟福一样做了α粒子的散射实验，就不会提出原子核像土星一样巨大。

　　所以一般情况下，我们很少会提到长冈模型。

　　好了，今天的视频就到这里，下个视频的主人公就要轮到波尔登场了，他和普朗克、爱因斯坦被称为旧量子论的三大巨头，在波尔的手里旧量子论也将达到顶峰，接下来将是年轻小伙们的天下。