原子結構——一個故事帶我們釐清人們認識原子內部結構的過程
原子結構——一個故事帶我們釐清人們認識原子內部結構的過程。
今天給各位同學們講一個故事，關於原子結構的故事，我們可以透過這個長長的故事，來釐清人們在研究原子內部結構過程中的脈絡。
在古希臘語中，“原子”一詞的本意是“不可分割”的意思，也就是說，原子是組成這個物質世界的最小、最基本的微粒。但原子究竟可不可以再分呢？首先我們還是要從電子的發現來講起。
一，電子的發現——湯姆孫——“西瓜模型”
19世紀末，一位德國的物理學家，發現當在兩個電極之間加高達近萬伏的高壓時，觀察到兩個電極之間的玻璃管壁上，出現了淡淡的熒光，而且觀察到玻璃管中物體投射到玻璃壁上的影子。由於這種熒光是從電極上的負極（也就是陰極）發出的，於是把它命名為“陰極射線”。
陰極射線是什麼？一種觀點認為陰極射線是一種電磁輻射，而另外一種觀點則認為陰極射線是一種帶電微粒。兩種觀點的支持者爭執不下，誰也說服不了誰，為了找到有利於自己的證據，雙方都做了很多實驗。
英國物理學家，JJ湯姆孫認為陰極射線是帶電離子流。於是，湯姆孫設計了一系列的實驗，來研究這個陰極射線究竟是什麼，他用不同材料的物質作為陰極來做實驗，所得到的離子的比荷都是相同的。
後來，湯姆孫還直接測得了陰極射線粒子的電荷量，儘管測量不很準確，但足以證明這種離子電荷量的大小，與氫原子大致相同，人們把組成陰極射線的這種離子，稱之為“電子”。
因此說，電子是由英國物理學家湯姆生髮現的。電子的質量只比最輕原子的質量的1/2000稍多一點，由此可見，電子應該是原子的組成部分之一，是比原子更小的，更基本的物質單元。電子的發現，證明原子是可以再分的。
既然原子是可以再分的，那麼原子組成原子的物質究竟是什麼呢？雖然說，我們發現了，電子是來自於原子內部，而且電子所帶的電是負電，那麼組成原子的另一部分，人們把它命名為原子核，應該帶正點。
原子是由帶負電的電子，和帶正電的原子核組成，緊接著產生的一個問題就是：電子和原子核以什麼樣的結構方式，在原子內部組成一個原子的呢？湯姆孫提出了他自己關於原子的結構模型，也就是“西瓜模型”。湯姆孫認為：原子就像一個西瓜，電子就像西瓜子一樣鑲嵌在西瓜裡，除西瓜子的其他部分就是原子核。湯姆森的這種模型，看起來原子是一個實心的球體，“西瓜模型”也被當時許多人所接受，原子真的是湯姆孫所描述的這樣嗎？
二，α粒子散射實驗——盧瑟福——核實結構模型
畢竟人們不可能真正觀察到原子究竟是一個什麼樣子，新的實驗，完全否定了湯姆森的模型，也就是α粒子散射實驗。
α粒子散射實驗的裝置，我們同學們是瞭解的，讓高速的α粒子去轟擊金箔，然後觀察記錄穿過金箔的α粒子的數目。實驗的結果是：絕大多數α粒子穿過金箔後仍沿原來的方向前進，但是有少數的α粒子，大概佔到整個α粒子數目的1/8000，發生了大角度的偏轉，有的偏轉角度甚至大於90度，也就是說，這佔有1/8000的α粒子，幾乎是被原子內部一個很實在的東西“撞了”回來。
α粒子散射實驗的這個結果，讓我們不得不回頭審視一下，湯姆孫關於原子的“西瓜模型”。如果“西瓜模型”是正確的，原子是一個實心球體的話，就不會出現大多數α粒子穿過金箔時幾乎沒遇到任何阻礙這種現象，也就是說原子並不是一個實心球體。那原子應該是一個什麼樣的形狀，才更合理呢？
盧瑟福根據α粒子散射實驗的結果，提出了自己對原子結構的認識。盧瑟福認為：原子的內部是很“空曠”的，這才會有大多數α粒子沒有阻礙的痛過，而原子內部有一個，體積很小但擁有原子絕大多數質量的“核”，把1/8000的α粒子“撞”回來的核——原子的核實結構模型。
盧瑟福的核實結構模型很好的解釋了α粒子散射實驗，但是新的問題又產生了。帶正電的原子核和帶負電電子是如何形成一個穩定的原子的呢？
當時人們認為：電子圍繞原子核做高速旋轉，以這樣的一種方式來組成原子。可根據經典物理學的理論來看，當電子圍繞原子核高速旋轉時，這種結構並不是穩定的，因為這樣會不斷的對外輻射能量，最終導致電子會撞擊到原子核上而發生“洇滅”，也就是我們所說原子“坍塌”了。另外一個方面，這種方式也不能解釋原子光譜的分立特徵。
三，玻爾假設——波爾——玻爾的原子理論
盧瑟福的原子核式結構模型，很好的解釋了α粒子散射實驗的結果，但是不能解釋原子的穩定性和原子光譜的分立特徵，這就需要一個新的模型來代替盧瑟福的原子核式結構模型。
丹麥物理學家波爾意識到經典理論在解釋原子結構方面的困難，波爾在普朗克關於黑體輻射量子論和愛因斯坦光子的概念的啟發下，提出了自己的原子結構理論。
波爾認為，原子中的電子在庫侖引力的作用下，繞原子核做圓周運動，服從經典力學的規律，但不同的是，電子運動的軌道半徑不是任意的，只有當半徑的大小符合一定條件時，這樣的軌道才是可能的——軌道量子化，不同軌道對應不同的能量——定態。
按照波爾的這個說法，電子在這些軌道上繞核轉動是穩定的，不對外輻射能量，只有當原子從一個狀態變化到另一個狀態時，才會輻射出光子，輻射出的光子的能量，應該是這兩種兩個能級的能量差來決定。
波爾的原子理論很好的解決了原子不穩定和原子光譜分立特徵這兩個困難。
波爾的關於原子的模型，是不是就是原子的最終模型呢？實驗表明，波爾理論對氫原子光譜的解釋是很好的，但是對其他原子卻出現了很大的偏差，與實驗結果不符。那也就是說，波爾的原子模型，也並不是關於原子的一種最終模型，它也是有侷限性的。
關於原子結構的這個故事也就講完了，但是我們好像還不能夠真正知道原子的確切結構。無論是盧瑟福的核式結構模型還是波爾的原子理論，仍然保留了經典粒子的觀點，仍然把電子運動看作經典力學描述下的軌道運動，也許我們需要拋棄這種觀念，去接近真相，而科學就是讓我們不斷的接近真相，新的學科誕生了——量子力學。
