搜索
LOGOLOGO§8.1原子模型的历史演变•原子内部有带负电的电子,但原子是中性的,所以必定还有带正电的部分,这些正电荷具有什么性质?是怎样分布的?正、负电荷之间如何相互作用?原子内究竟有多少电子?电子的数目如何决定?怎样才能保持原子的稳定状态?怎样解释元素的周期性?怎样解释线光谱?怎样解释放射性?LOGO§8.1原子模型的历史演变•8.1.1长岗的土星模型•长岗半太郎(1865—1950)是日本东京大学教授,1903年根据麦克斯韦的土星卫环理论推测原子的结构,他的论文题目是:《用粒子系统的运动学阐明线光谱、带光谱和放射性》,发表于1904年《哲学杂志》。LOGO•我要讨论的系统,是由很多质量相同的质点,联接成圆,间隔角度相等,互相间以与距离成平方反比的力相互排斥。在圆中心有一大质量的质点对其它质点以同样定律的力吸引。如果这些互相排斥的质点以几乎相同的速度绕吸引中心旋转,只要吸引力足够大,即使有小的干扰,这系统一般将保持稳定。”§8.1原子模型的历史演变LOGO•核的观念并不是长岗首先提出来的,在他之前,斯坦尼讨论过这种可能性,1901年佩兰(Perrin)在论文中也曾假设过类似的模型,即原子有正核,外面围绕着负电子,电子沿轨道运行的频率是辐射的光波频率。还有,洛奇也曾指出,麦克斯韦的土星系也许适用于电子系统。可见,原子的有核模型由来已久,只是未获充分证据而已。§8.1原子模型的历史演变LOGO•8.1.2勒纳德的中性微粒模型•1920年勒纳德已经接受了阴极射线是电子束的结论。这时他对赫兹和他自己发现的阴极射线穿透金属箔的现象作出新的解释。他认为这件事说明金属中的原子并非实心的弹性球,其中必有大量的空隙。他假设原子内的电子和相应的正电荷组成中性微粒,取名为“动力子”(dynamids),无数动力子浮游在原子内部的空间。§8.1原子模型的历史演变LOGO•8.1.3里兹的磁原子模型•1908年里兹提出原子光谱的组合原理,同时也指出:从已知光谱规律来看,这些规律仅仅涉及频率v,而不涉及v2,可见电子所受作用力不是与其位移成正比,而是与其速度成正比。根据电磁理论,这种情况正好与电荷在电磁场中运动的情况相当。由此他提出一个假说,光谱线的频率决定于磁场作用力。•§8.1原子模型的历史演变LOGO•里兹进一步假设磁场是由分子磁棒产生的,磁分子的磁极强度为μ,磁极距离为l,电荷e处于沿磁棒轴线上距最近的磁极为r的某一点上,该点磁场为:•在磁场作用下,电荷e将在与磁场垂直的平面内作螺旋运动,频率为(内c为光速)。§8.1原子模型的历史演变LOGO§8.1原子模型的历史演变LOGO•里兹根据电磁理论,进一步推测分子磁棒是由圆柱形的电子沿轴旋转。(有趣的是,他比乌伦贝克和高斯密特的自旋电子概念还早17年!)里兹还推导出光谱的一些性质,与实验结果很符合。§8.1原子模型的历史演变LOGO•8.1.4汤姆生的实心带电球模型•J.J.汤姆生的原子模型在1910年之前是影响最大的一种。他根据1902年开尔文提出的实心带电球的想法,对原子结构进行了长期的研究,于1904年发表论文,题为:《论原子的构造:关于沿一圆周等距分布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究》。•§8.1原子模型的历史演变LOGO•在这篇论文里,他运用经典力学理论,根据电荷之间的平方反比作用力,进行了大量计算,求证电子稳定分布所应处的状态。他假设原子带正电的部分象“流体”一样均匀分布在球形的原子体积内,而负电子则嵌在球体的某些固定位置。电子一方面要受正电荷的吸引,一方面又要自相排斥,因此,必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成球,然而六个以上的电子不能稳定在一个环上,数目更多就要组成二个以上的环。汤姆生还借助磁棒吸引水面上漂浮的磁针(1878年A.梅尼作过的实验),用模拟实验方法证明自己理论的正确性。§8.1原子模型的历史演变LOGO•图7－10梅尼磁针实验LOGO•图7－11梅尼磁针的分布图LOGO•在汤姆生的原子模型中最重要的是原子内的电子数n。开始他根据电子荷质比实验,得知电子质量me≈1mH(其中mH为氢原子质量1836),再假设正负电荷具有对称的性质,估计原子中的电子数n约为原子量A的一千倍,即n=1000A。这个数究竟符不符合实际,唯一的检验标准就是实验。为此,汤姆生设计了X射线和β射线的散射实验,希望通过射线和原子中电子的相互作用,探明原子内部电子的数目。§8.1原子模型的历史演变LOGO•然而,从巴克拉(Barkla)的X散射实验,得到的结果是n≈2A;而从β散射实验,得到n≈0.2A。据此汤姆生判定n与A同数量级。1910年,克劳瑟根据汤姆生的β散射理论,推证得出n=3A,而卢瑟福从α散射实验得到n≈0.5A。§8.1原子模型的历史演变LOGO•8.1.5哈斯将量子假说运用于原子模型的尝试•哈斯(A.E.Haas,1884—1941)是奥地利的一位年青物理学家,他在研究黑体辐射时很早就注意到了量子论。哈斯的论文发表于1910年。他在汤姆生模型的基础上,设想电子在原子内部以振荡频率v旋转,运用普通力学公式计算原子的能量。•哈斯的文章受到了洛仑兹的注意,后来,洛仑兹曾把哈斯的工作介绍到1911年的第一届索尔威会议上,引起了与会者的兴趣,大家对这个问题还进行了一番讨论。•§8.1原子模型的历史演变LOGO•8.1.6尼科尔松的量子化原子模型•尼科尔松(J.W.Nicholson)是英国颇有名气的数学和天文物理学家,擅长于星光光谱和日冕光谱的研究。1911—1912年间,他发表了一系列关于天体光谱的论文,其中也讨论到原子模型。他从力学原理计算系统的能量,发射能量与振动频率之间有一确定的比值,这使他想到可以把原子看成普朗克振子。•§8.1原子模型的历史演变LOGO•“由于这一类原子系统的能量的可变部分与mna2ω2成正比(其中m是电子质量,n是电子数,a是电子环半径,ω是振动角频率),E/频率=mnfa2ω或mnav,即等于电子绕核旋转的总角动量。所以,如果普朗克常数,像索末菲所主张的那样,有原子意义,也就意味着当电子离开或返回时,原子的角动量只能以一分立值来增减。”•这正是玻尔后来在原子理论中得到的一条重要结论,玻尔在第一篇论文中还特地提到尼科尔松。§8.1原子模型的历史演变LOGO•不过,尼科尔松只是照搬普朗克的振子概念,认为辐射的光频率就是振子的振动频率,也就是说,原子以什么频率振动,就以什么频率发射,于是不得不对光谱系的分立值武断地解释为:“一个谱系的各条谱线也许不是由同一个原子发出,⋯⋯而是由不同的原子,其内在的角动量由于辐射或其它原因而受到阻滞,因此与标准值相差某些分立值。例如,氢原子就可能有好几类,这几类的化学性质甚至重量都相等,只是内部运动不同而已。”他这样解释分立的线光谱,当然不可能成功。§8.1原子模型的历史演变LOGO•卢瑟福在1898年研究放射性时发现α、β射线,并经过多年工作,在1908—1909年证明α粒子就是氦离子He++。他在研究α射线对物质的作用时,发现α射线在底片上形成的图象会由于极薄物质的散射作用而变得边缘模糊。根据J.J.汤姆生的散射理论可以解释这个现象。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•1908年卢瑟福的助手盖革(H.Geiger,1882—1945)在用闪烁法观测α散射时,发现金箔的散射作用比铝箔强。卢瑟福建议盖革系统地考察不同物质的散射作用,以便在“这些物质的散射能力和遏止能力之间建立某种联系”,并让学生马斯登(E.Marsden)协助工作。他们的α射线管长达4米,本来是希望使α射束尽量地窄,以便测出准确数据。然而,出乎意料地却在闪锌屏上总出现不正常的闪光,有可能是经管壁反射所致。为此,卢瑟福建议他们试试让α粒子从金属表面上直接反射,这就导致了马斯登发现了α射线大角度散射的惊人结果。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•图7－12卢瑟福和盖革在用闪烁法观测散射LOGO•1909年,他们报导说:•“α粒子的漫反射取得了判决性证据。一部分落到金属板上的α粒子方向改变到这样的地步,以致于重现在入射的一边。”α粒子经反射后落到闪锌屏上,平均角度为90°,在屏上不同位置统计反射粒子数,得到“入射的α粒子中每8000个粒子有一个要反射回来”的统计结果。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•当卢瑟福知道这个结果时,实在难以置信,因为这无法用J.J.汤姆生的实心带电球原子模型和散射理论解释。即使用汤姆生后来提出的多次散射理论,也只能定性地说明这一反常现象,而多次散射的几率则小到微不足道,比1/8000的结果相差太远了。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•卢瑟福对这个问题苦思了好几星期,终于在1910年底,经过数学推算,证明“只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径,a粒子穿越单个原子时,才有可能产生大角度散射。”•1911年,卢瑟福在《哲学杂志》上发表了题为《物质对α、β粒子的散射和原子构造》的论文。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•众所周知,α、β粒子与物质原子碰撞之后将从其直线运动偏折。对于β粒子,要比α粒子散射得更厉害,因为β粒子的动量和能量小得多。这些快速运动粒子的轨道会穿越原子,并且观测到的偏折是由于原子系统中存在着强电场,这两点似已无疑问。一般都假设,α、β射线在穿过物质薄片时遭到的散射是由于物质原子多次微弱散射的结果。但是盖革和马斯登的α射线散射观测却表明α射线有一部分经单次碰撞必定会遭到大于直角的偏折。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•例如他们发现,入射α射线的一小部分,大约两万分之一,在穿过约0.00004厘米厚的金箔时发生了平均为90°角的偏折。盖革随后证明,α射线束穿过这样厚的金箔,其偏折角的最可几值约为0.87°。根据概率论作一简单计算,表明α粒子偏折到90°角的机会是极小的。另外,可以看到,如果把大角度偏折看成是多次小偏折造成的,则α粒子的大角度偏折应按期待的概率规律有一定分布,(但实际上)并不服从这个概率规律。似乎有理由假设,大角度偏折是由于单个原子碰撞,因为第二次碰撞能产生大角度偏折的机会在大多数情况下是极为微小的。简单的计算表明,原子一定是处于强大电场的位置中,以致于一次碰撞竟能产生这样大的偏折。”§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•卢瑟福接着写到:“由于α、β粒子穿越原子,应有可能从周密研究偏折的性质中,形成原子结构的某些概念,正是这种结构产生出上述效应。实际上,高速带电粒子受物质原子的散射是解决这个问题的最适宜的方法之一。”然后,卢瑟福从理论上探讨能够产生a粒子大角度偏折的简单原子模型,再将理论推出的结果与当时的实验数据比较。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•图7－13卢瑟福（1911年）理论推导图LOGO•图7－14卢瑟福1911年的手迹，左上角的草图画的是J.J.汤姆生原子模型，•左下角画的是大角度散射LOGO•盖革和马斯登对α散射实验又作了许多改进,在1913年发表了全面的实验数据,进一步肯定了卢瑟福的理论。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•卢瑟福提出有核原子模型是经过深思熟虑的。他清楚地知道,这个模型面临与经典理论相矛盾的危险,因为正负电荷之间的电场力无法满足稳定性要求。卢瑟福在论文最后特别提到“长岗曾从数学上考虑过‘土星’原子的性质”,他肯定知道长岗的土星模型和佩兰1901年提过的核模型都因上述困难而未获成功。但他却大胆地坚决地站在他们这一边,勇敢地向经典理论挑战,因为他有大角度a散射的实验事实作为依据。§8.2α散射和卢瑟福有核原子模型LOGO•他相信自己的散射理论要比J.J.汤姆生的散射理论更具有普遍性,既能解释a大角度散射,又能解释β散射,是经得起实践检验的。不过,在论文中他的提法很慎重,只是确认“正电荷集中在原子中心”这一点,没有作更多的推断。至于稳定性问题,他并不讳言,在论文一开始,就申明:“在现阶段,不必考虑所提原子的稳定性,因为显然这将取决于原子的细微结构和带电的组成部分的运动。”§8.