氢的史诗:原子结构的模型
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在氢的可见光谱中,埃斯特朗标出了四条暗线的波长,然后瑞士数学教师巴尔末费老大劲了,终于找出了可以把这四个波长数字联系起来的一个公式。虽然只是一个纯粹的数字游戏,但巴尔末却向世人证明,原子谱线的背后一定有着某种不为人知的物理规律。谁能发现这个规律?巴尔末选择另请高明,而自己还是继续当自己的女子学校老师。
今天的故事要从1897年开始说起。在这一年,约翰-汤姆逊发现了一种新的物质,这个物质便是电子,原子不可继续分割的理论就此打破。不过,汤姆逊还是无法确定电子的质量与电量究竟是多少,他只得出了电子的质量与电量的比值。除此之外,汤姆逊还发现,氢原子的质量与电量之比,要比电子的质量与电量之比,大上1000倍。这就说明,要么就是电子的质量非常非常小,要么就是电子的电量非常非常大,要么就是两者兼而有之。而且更有意思的是,电子的质量与电量比是一个负值,由于质量肯定是正的,这就说明电子所带的是负电。
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汤姆逊
有了电子这一大发现之后,人们终于可以开始讨论,原子究竟拥有着怎样的结构。1900年,爱尔兰物理学家菲茨杰拉德提出,氢原子大约是由500个电子所组成的。三年之后,汤姆逊又提出,氢原子是由1000个电子所组成的。总的来看,这两种模型没有什么区别,无非就是电子到底有多少。但它们却存在着两大致命问题,首先就是,原子本身是电中性的,而电子是带负电的,那么是什么在原子内部提供正电来中和电子的负电呢?其次,原子是稳定的,不会轻易地就分崩离析,但这么多电子挤在一起,同性相斥,原子根本不可能保持稳定。
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菲茨杰拉德
妥了,面对着这两个问题,人们的思路一下就来了,那就是电子既然已经被发现了,那咱们接下来找到原子中的正电部分不就行了么?1902年,开尔文勋爵提出,原子是一个带正电的球体,而电子便镶嵌其中,这便是历史上著名的“葡萄干布丁”模型。
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葡萄干布丁模型
不过到此为止,还有一个的问题没有解决,那就是原子中到底有几个电子呢?1906年,汤姆逊提出,原子中的电子数,与这个原子的原子量大致相同,也就是说,氢原子中应该只有一个电子,氦原子中那就有4个电子。当然了现在我们知道,这个结论其实是错误的,毕竟当时人们还并不知道中子的存在。
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拥有两个电子的氦原子
与此同时,随着实验技术的不断发展,人们也有了新的发现,在实验中,物理学家利用电子轰击金属箔,结果发现,电子居然掌握了穿墙术,它可以毫无阻碍地穿过,而且还丝毫不发生任何偏移。由此人们得出结论,物质虽然是硬邦邦的,但放眼微观,原子里面大部分却是空空如也。这一全新的发现,毫无疑问地否定了开尔文勋爵的“葡萄干布丁”模型,因为布丁可是实心的。
那么原子模型究竟如何呢?对这一问题继续发起挑战的,是欧内斯特-卢瑟福。卢瑟福这哥们特别喜欢α粒子,究其原因,是因为正是卢瑟福在1898年发现了α粒子。1908年,卢瑟福进一步证明,α粒子带两个正电荷。接下来,卢瑟福也开始使用α粒子来轰击金属箔了,主要是两种,铝箔和金箔。结果发现,大部分α粒子都垂直无障碍地通过了铝箔和金箔,但还是有一小部分发生角度上的偏移,而且穿过金箔发生偏移的α粒子数量,要大于穿过铝箔的α粒子。那么既然α粒子可以穿过金箔,又是什么东西造成了它的偏移呢?肯定不是电子,因为当时人们已经了解了电子的质量与电量,渺小的电子根本无法与“庞大”的α粒子相抗衡。
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卢瑟福
自己苦于找不到结果,卢瑟福就去找人帮忙,找的人也是一个大神——德国物理学家汉斯-盖革,盖革计数器那个盖革,同时,盖革还带了一个本科生一起做实验,这哥们名叫欧内斯特-马士登。虽然与卢瑟福进行的实验完全相同,但盖革爷俩却有了更加令人吃惊的发现,那就是当α粒子轰击金箔时,竟然有一些被原路给弹回来了,这种结果非常少见,大约做8000次实验才能出现一次。但你甭管出现多少次,结论是显而易见的,α粒子肯定是碰到了原子中某些非常坚实的东西,这个东西很巨大,也拥有着强电场。这可是个大发现,原子很空,但却并不完全空。今天,这一实验被称为盖革-马士登实验,也被称为卢瑟福散射实验。
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盖革
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马士登
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卢瑟福散射实验
有了实验结果之后,卢瑟福便开始了苦思冥想,具体怎么想的咱就不知道了,总之在1911年年初的一天,当卢瑟福见到盖革时,他说了这样一句话:我知道原子是什么样的了。什么样呢?卢瑟福描述道:原子里面有一个带正电的、比原子本身小10000万倍的中心,这个中心同时也包含了原子的大部分质量,对于金原子来说,这个中心的电量是电子电量的100倍,而电子则围绕着这个带正电的巨大中心,周而复始地做着圆周运动。
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卢瑟福与盖革
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卢瑟福原子模型
1911年秋天,本来工作关系在曼彻斯特大学的卢瑟福,在剑桥大学的一次讲座中,首次公开了自己的原子模型,第二年10月,卢瑟福首次使用原子核来命名这个巨大的中心。而就在剑桥大学的那次讲座中,听众中有一位来自丹麦的26岁年轻人,他本是汤姆逊的学生,但是在听了讲座之后,他毅然地决定离开剑桥大学,投靠到了卢瑟福的门下,这位年轻人便是量子力学革命的灵魂人物——尼尔斯-玻尔。
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玻尔
1912年3月,带着自己的铺盖卷玻尔来到了曼彻斯特,本打算就此常住,结果没想到玻尔只在曼彻斯特呆了4个月就回丹麦老家了。为什么呢?因为去到曼彻斯特之后,他的心思完全不在实验上,而是集中到了卢瑟福原子模型的问题之上,与其在英国那破地方吸雾霾,倒不如回到山清水秀的丹麦老家静静思考。
那么卢瑟福模型究竟面临着怎样的问题呢?玻尔指出,相对于有史以来的所有原子模型,卢瑟福模型确实是最接近原子真实状态的,但它仍然有一个致命伤,那就是不稳定。原因很简单,围绕着原子核运动的电子,会不断地向周围空间释放电磁辐射,从而损失电磁能,这种能量的损失是灾难性的,原子最终会分崩离析,我们的世界也就不复存在。
但现实显然不是如此。于是令人意想不到的一幕出现了,玻尔以一种大无畏的精神,坚定地抛弃了物理学中已经存在的法则,他指出,电子所环绕原子核运行的轨道,是一种“定常轨道”,在定常轨道上,电子发生着没有能量的辐射。不过,辐射虽然没有能量,但根据牛顿物理法则,绕核运动的电子还是应该具有能量的,玻尔表示他可以表示这种能量,而且这种能量还呈现出量子化的特性,这种能量便是所谓的“能态”。
玻尔提出,量子化条件制约着相应的能量和相应的电子轨道,只有某些轨道可能存在,而且这些轨道之间绝不是连续的,电子会从一个轨道突然间“跃迁”到另一个轨道,这是之前任何物理学法则,都不会允许的现象,但微观世界就是这么不走寻常路。具体来看,氢原子的能态越大,电子的轨道也就越大,所以我们可以将玻尔的氢原子模型做这样的描述:位于中心的原子核,被不连续的电子轨道所环绕。最小的轨道能量最低,稍大一些的轨道能量也大一些,以此类推到更大轨道和更大的能量。而在各种不同的能态中,氢原子最稳定的结构是能量最低的能态,一般来说,氢原子都处于这一能级,所以这一能级的轨道,便决定了氢原子的大小。根据这一理论,玻尔计算得出,氢原子的直径为0.11nm,而实验得出的结果为0.1nm,二者基本相符。同时,玻尔还计算出了将电子与原子核完全分离所需要的电离能,他的结果是13V,实验结果为11V,也是十分接近。
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玻尔原子模型
不仅如此,玻尔的原子模型也解释了为什么氢原子光谱上,存在着不连续的暗纹,因为这些暗纹正对应着氢原子不同的能态,而巴尔末所得出的数学规律背后的物理规律,也正在于能级的跃迁。玻尔也利用公式将量子跃迁表达了出来,关于这个公式咱就不细说了,反正你也看不懂,关键是我也看不懂。
毫无疑问,虽然玻尔创造了一个可以定量研究的原子模型,虽然他的模型解释了原子谱线的由来,也虽然很多实验都支持了玻尔的计算结果。但是由于对一些传统观念的彻底颠覆,以及经典物理法则与量子法则一团乱麻的混用,玻尔的理论依然掀起了轩然大波,比如卢瑟福就提出了这样一个关键问题:一个电子离开一个能级时,它怎么知道能去哪里呢?还比如物理学家奥托-斯特恩就曾表示:如果那个疯狂的玻尔模型,最终被证明是正确的,那我就离开物理学界。当然了,他最后不但没有践行自己的诺言,反而成为了玻尔模型的受益者,因为作为一名核物理学家,斯特恩获得了1943年的诺贝尔物理学奖。
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斯特恩
当然了今天我们知道,玻尔的原子模型也并非完美,它的最终完善还需要薛定谔、海森堡等人对量子力学的进一步发展。但玻尔无疑是幸运的,因为他的研究对象选择了氢原子,如果玻尔当初选择的是氦原子,或是其他任何原子的话,他都不可能提出玻尔原子模型,更无法奠定量子力学大厦的基础。而且事实上,氢原子也不是完美的,因为在1891年,迈克尔逊发现,波长为656.2nm的第一条谱线,其实并不是一条线,而是两条非常接近的谱线,玻尔模型还是无法对其进行解释的。
不过这不要紧,因为即便有着些许缺陷,玻尔模型对后世的影响依然是深远的,直到今天,我们依然在说原子的能级,同时,我们对原子和分子光谱的了解,也是以玻尔理论为基础的。也正是由于玻尔的开创性贡献,1925年-1926年,一种全新的解释世界的理论——量子力学,真正诞生了,而玻尔毫无疑问地成为了这个事件的中心人物。正如美国物理学家魏斯科普夫所说:玻尔和他的追随者们,触动了这个宇宙的神经。