通俗详细讲解卢瑟福和玻儿的原子模型，让你打开量子力学大门！

1911年欧内斯特·卢瑟福通过放射源α粒子(我们现在知道他们是氦原子核）轰击一个非常薄的金板的实验首次描述出了原子内部结构，这就是早期的卢瑟福原子模型，卢瑟福为我们打开了量子世界的大门。

欧内斯特·卢瑟福

卢瑟福的太阳系原子模型

卢瑟福计算得出，只能假定原子是由中心非常小的核和围绕它的电子组成，原子核几乎包含了原子的所有质量。氢是最简单的元素，它的核由单个质子组成，半径约1.75×10^-15米。如果你不熟悉这个符号，这意味着0.0000000000000175米，或换句话说，1米的1750万亿分之一。就我们今天认识到的是，单个电子呈点状，围绕着氢核旋转，其轨道半径为氢核半径的大约100000倍。核中有一个正电荷，电子有一个负电荷，这意味着它们之间有一种吸引力，类似保持地球围绕太阳旋转的引力。这又意味着原子的大部分空间是空的。如果你想象把一个原子核扩大到网球的大小，那么小小的电子会小于一粒尘埃，它的轨道在距离网球1公里处。这些数字是相当令人吃惊的，因为对固体物质而言，我们显然感觉不到它是空的。

卢瑟福原子模型

卢瑟福核原子为当时的物理学家们提出了一系列问题。例如：轨道电荷理论和无xi线电波(海因里希·赫兹在1887年发明了无线电发射机)，一个同样让人费解的现象是当原子被加热时会发出光的秘密。

尼尔斯·玻尔促进了现代量子理论的发展

在1912年3月份，丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)迷上了原子结构问题。波尔认为，尝试从光谱学数据解开原子内部运作的秘密，就像是从蝴蝶的彩色翅膀得出同源的生物学基础一样。卢瑟福的太阳系原子给玻尔提供了需要的线索，并且在1913年玻尔发表了第一篇原子结构的量子理论文章。这个理论肯定有它的问题，但是它包含了几个关键的思想，促进了现代量子理论的发展。

玻尔

玻尔发现，电子只能采取围绕原子核的一定的轨道运行，能级最低的轨道最靠近核心。电子能够在这些轨道之间跃迁。当它们吸收能量后(以点火管中的火花为例)跳跃到更高的轨道，经过一段时间之后，又跳落回原来的轨道，在此过程中发出光。光的颜色直接由两个轨道的能量之差确定。

图4玻尔的原子模型，说明了当一个电子从一个轨道向下跳落到另一个轨道时会发射一个光子。

图4说明了基本概念，箭头代表一个电子从第三能级跳回到第二能级，同时发出光线(由波浪线代表)。在玻尔的模型中，电子只容许在这些特殊的“量子化”(quantized)的轨道中的一个轨道上绕质子旋转；螺旋向内是完全禁止的。用这种方式，玻尔用他的模型计算被昂斯特伦观察到的光的波长(即颜色)——这些波长(即颜色)的产生归因于一个电子从第五轨道跳回到第二轨道(紫色光),从第四轨道下降到第二轨道(蓝绿色光),或从第三轨道下降到第二轨道(红色光)的结果。玻尔的模型还正确地预测，当电子跳回到第一轨道时应该有光线发射出来。这个光是在光谱的紫外线部分，人的眼睛看不见，因此昂斯特伦也没有看见。

然而，在1906年哈佛大学的物理学家西奥多·李曼(Theodore Lyman)发现了这个看不见的紫外光，并且玻尔的模型完美地描述了李曼的数据。虽然玻尔没有把他的模型扩展到氢原子以外，但他所引人的思想可以用到其他的原子上。特别是，如果假设每个元素的原子有唯一一组轨道，那么它们永远只能发出某些颜色的光。因此，一个原子发出颜色的行为就好像指纹，天文学家们无疑会迫不及待地考察原子发出的光谱线的独特性，作为一种确定星体化学成分的方法。

原子光谱

玻尔模型是一个好的开始，但它显然是不能令人满意的：为什么电子被禁止螺旋向内移动呢？因为我们都知道电子发射电磁波时会失去能量，由于无线电出现在现实生活中，这个想法是根深蒂固的。还有，为什么首先是电子轨道量子化呢？以及，氢原子以外的重元素会怎样呢？人们怎样才能理解它们的结构？虽然玻尔的理论可能不成熟，但它是关键的一步，是量子力学怎样取得进展的一个例子。这就是早期量子论思想的的历史，这些问题是量子理论的早期创始人所面对的。

20世纪智囊团

结束语：总起来说，在普朗克、爱因斯坦引入光是由粒子构成的想法之后，由麦克斯韦证明光还表现得像波。卢瑟福和玻尔是引导了解原子结构的先驱，但原子内部电子的行为与任何已知的宏观物理理论不符合。综合起来统称为放射性，即原子不知何故自发分裂的各种各样现象仍然是个谜，尤其是因为它引进一个令人不安的不确定性元素到物理学中。毫无疑问的是：在亚原子世界里，正在进行着一些奇怪的事！

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