量子史话（七）汤姆逊、长冈、卢瑟福构建原子模型

上期视频讲了人们是如何一步步确认原子的存在的。虽然我们看不到原子本身，但在19世纪末，物理学家在实验室中看到了原子的一系列变化。这些包括元素的放射性、元素的转变和电子的发现。

特别是1905年，爱因斯坦还从理论上证实了原子的存在，也就是我们熟悉的布朗运动。

知道了原子的真实性，接下来的工作就是建立原子模型。

第一个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。他父亲的出版社经常为大学印刷教材。家庭条件相当好，经常能接触到大学教授和各种书籍。

的影响力和良好的教育让汤姆逊14岁考入曼彻斯特大学。1876年，21岁的汤姆逊被推荐到剑桥大学，1880年获得博士学位并留校去教。

1884年，剑桥大学卡文迪什实验室主任瑞丽勋爵任期5年后辞职。瑞丽这个名字我们耳熟能详。在解释黑体辐射的分布时，他提到了瑞丽公式，而当我们解释天空为什么是蓝色的时候，我们经常提到瑞丽散射。

瑞丽勋爵是卡文迪许实验室的第二任主任。第一个是麦克斯韦。瑞丽辞职后，剑桥大学开始物色新的物理系主任。他先后找到了来自德国霍茨的开尔文勋爵和赫尔姆，这两个人加起来快130岁了，而且都取得了巨大的成功，所以都直接拒绝了邀请。

但对于年轻人来说，这个职位是他们梦寐以求的。然而，当时就读于剑桥大学的汤姆逊却看到了扭转人生的机会，大胆地申请了该校。既然没人做，不如让我先试试。VendishLabs的第三任负责人。

事实证明，汤姆逊是一个非常优秀的领导者。在他的麾下培养了包括欧内斯特·卢瑟福在内的9位诺贝尔奖获得者。

这个老师比他老师好。在他的带领下培养了11位诺贝尔奖获得者，堪称诺贝尔奖幼儿园。后面我们会提到卢瑟福，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。这一发现使他获得了1906年的诺贝尔奖。性，那么原子中一定有带正电的部分。

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

他勾勒出这样一幅图，原子是球形的，电子嵌在同心圆的正电荷云中。整个结构看起来像一个嵌有葡萄干的布丁。

而汤姆逊并不清楚一个元素的原子中有多少个电子，只是给出了一个大概的数字范围。

例如，原子量为1的氢原子可能只有一个电子，原子量为4的氦原子可能有两个、三个或四个电子，这是不清楚的。

主要是当时人们还不知道元素周期表中元素的排列顺序。它们实际上是根据原子核中正电荷的数量排列的。当然，他们不知道原子核中有多少个正电荷，所以汤姆逊不知道一个原子中应该有多少个电子。

当时人们用来排列元素顺序的指标是原子的重量，即原子量。

比如氢原子的原子量为1，排在第一位。下一个原子量最小的元素是氦，它的原子量是4，排在第二位。第三位原子量为6，即锂，排名第三。

可见当时人们对元素周期表的了解非常有限，连最基本的排列规律都不清楚，尤其是1907年人们发现同位素后，元素按原子量排列的元素周期表变得混乱。

直到1910年，玻尔才第一次给出正确答案。说到玻尔的时候我们会详细讲，这里暂时略过。

很明显，汤姆逊提出的原子模型与实际情况有很大偏差，但当时没有人知道原子的结构。既然汤姆逊提出了这个模型，那我们就做实验来验证一下吧。

做这个实验的人是汤姆逊的学生卢瑟福。

卢瑟福1871年出生在新西兰的一个村庄，他比爱因斯坦大8岁，比玻尔大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住在简陋的木屋里，日子过得十分艰难。

卢瑟福的学术生涯一路走来，全靠奖学金。1895年，卢瑟福来到剑桥大学，在卡文迪什实验室为汤姆逊工作。

恰好今年伦琴发现了X射线，引起了巨大的轰动。喜欢研究原子现象的汤姆逊对这种诡异的X射线产生了浓厚的兴趣。

他给卢瑟福的研究课题是测量X射线穿过气体的效果，并证实了X射线可以使气体电离。在接下来的两年里，卢瑟福发表了4篇关于X射线的论文，并获得了博士学位。该学位还让卢瑟福在科学界崭露头角。

我们在上一个视频中也提到，卢瑟福通过研究各种射线的穿透力，将贝克勒尔射线分为α射线和β射线，并将杰拉尔德施密特发现的放射性辐射命名为伽马射线。

后来证实X射线和伽马射线是电磁波，β射线是电子，α射线是氦原子核。

有了这些成就，卢瑟福已经成为当时放射性研究的先驱，继续当汤姆逊的助手未免太居高临下了。卢瑟福已经具备独立进行科学研究的能力。

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慷慨激昂的推荐信。9月底，27岁的卢瑟福抵达蒙特利尔，并在这里待了9年。

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

1905年在蒙特利尔，卢瑟福用α粒子轰击云母片，发现α粒子的轨迹发生了偏移。虽然没有深入研究，但卢瑟福将这一现象牢记在心。

1907年5月，卢瑟福来到曼彻斯特大学任全职教授。他的主要研究课题是α粒子的散射。

卢瑟福设计了一个简单的实验，用α粒子轰击金箔，观察α粒子穿过金箔后的轨迹变化。屏幕上留下了微弱的闪光。

而且还需要用alpha粒子连续轰击金箔几个小时。卢瑟福将这项艰巨的任务交给了他的新助手汉斯·盖革，也参与了这项研究，他们发现大部分α粒子可以沿直线穿过金箔，部分α粒子会偏转一个小角度，小部分α粒子会发生偏转在一个大角度。很少有alpha粒子会被直接弹回。

1909年6月，盖格和马斯登发表了实验过程和结果。卢瑟福没有对论文中的实验结果发表任何评论。

因为这个结果，卢瑟福百思不得其解。在卢瑟福看来，alpha粒子被直接弹了回来，就像用38厘米的炮弹轰击一张纸，炮弹却返回来击中了自己，不可思议。

按照他的老师汤姆逊提出的原子模型，只要一个α粒子能顺利穿过金箔，那么所有的α粒子应该都能穿过，不会被直接弹回来。

卢瑟福大胆抛弃汤姆逊的原子模型，于1910年12月提出了自己的原子模型，史称“行星原子模型”。

他构想了这样一个画面：卢瑟福认为在原子的中心，有一个带正电的原子核承载着原子的全部质量，但原子核的大小只有原子的1/100,000。尺寸是10^-8厘米，原子核的尺寸是10^-13厘米，

比如说，如果原子核的尺寸是针尖，那么电子在100米之外，就像行星绕着地球转太阳，围绕原子核运行。这种原子模型与α粒子的散射实验是一致的，那些罕见的被反弹回来的α粒子是因为它们迎面撞上了原子核。

卢瑟福本人就是一个非常典型的实验物理学家。他不喜欢毫无根据的猜测。当然，他也不喜欢理论物理学家的研究方式。一开始是基于假设，整个过程都是猜测。

于是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，可以预测在特定的偏转角度下会有多少α粒子发生偏转。

盖革通过实验发现，α粒子散射后的分布与卢瑟福的预测完全一致。

卢瑟福在1911年就大胆地公布了他的原子模型，相信大家可以看到，卢瑟福的原子模型相比汤姆逊的原子模型有了很大的进步，更加接近真实情况，但是同样的问题是卢瑟福也分不清原子中电子的数量，他还说，目前还不清楚电子在原子核外是如何分布的。

而卢瑟福的原子模型也面临着非常严重的问题。电子像行星一样在原子核外绕原子核运行。牛顿力学告诉我们，圆周运动是加速运动。麦克斯韦的电磁理论告诉我们，加速后的电子会释放出电磁辐射，不断损失能量。

这样，电子会在极短的时间内落入原子核，整个原子就会彻底坍塌，而客观世界的存在，则强烈说明卢瑟福的原子模型存在不稳定性问题。

这个问题在1913年被玻尔解决了，当时玻尔还是卢瑟福的学生。在接下来的几个视频中，我将详细解释玻尔是如何建立量子化原子模型的。

简单说一下大家不熟悉的长冈模型。卢瑟福宣布他的原子模型后，收到了一封来自日本的信件。写这封信的人是长冈半太郎。

在信中说，5年前，我提出了一个类似于你的原子模型，我的叫土星模型。卢瑟福承认他的原子模型与长冈半太郎的原子模型有相似之处，但也有本质区别。

在长冈半太郎的土星模型中，原子核和土星一样巨大，占据了原子的大部分空间，而电子就像土星的卫星，围绕着土星运行。

很明显，长冈半太郎的模特很有可能被猜到。如果他像卢瑟福那样做过α粒子的散射实验，就不会提出原子核有土星那么大。

所以一般情况下，我们很少会提到长冈模式。

好了，今天的视频就到这里，下一个视频的主角就轮到玻尔了。他与普朗克、爱因斯坦并称为旧量子论三巨头。里久的量子论也会达到巅峰，到时候就是小伙子们的天下了。