從道爾頓到原子電影

前不久，IBM公司用5000個原子拍攝了一部世界上最小的電影——《一個男孩和他的原子》。在此之前，荷蘭研究人員還拍攝到世界首張原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。由于原子內(nèi)部微粒非常微小、脆弱，拍攝原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)照片曾被認為是不可能完成的任務(wù)。但研究者用激光、顯微鏡和能夠把拍攝對象放大2萬倍的特殊鏡頭對氫原子內(nèi)部進行觀察研究，并對其進行了拍攝。這項實驗又一次改變了科學(xué)家對原子結(jié)構(gòu)的看法。其實，縱觀科學(xué)史，在探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的過程中，經(jīng)歷了許多失敗和曲折，一個個模型被建立又被推翻，但也在這個過程中誕生了一個個享譽世界的科學(xué)大師。

原子結(jié)構(gòu)的歷史變遷

最先給原子建立科學(xué)模型的是19世紀的英國科學(xué)家道爾頓。他把原子描述成一個不可再分的、堅硬的實心小球。道爾頓認為，化學(xué)元素均由不可再分的微粒組成，這種微粒就是原子；原子在一切化學(xué)變化中均保持其不可再分性；同一元素的所有原子，在質(zhì)量和性質(zhì)上都相同。盡管這是一個并不完美的模型，但它首次將原子的概念從哲學(xué)引入到科學(xué)。

道爾頓認為原子是不可再分的，然而幾十年后，英國科學(xué)家湯姆森卻發(fā)現(xiàn)了從原子中射出的電子。湯姆森還因此發(fā)現(xiàn)獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎。根據(jù)原子中存在電子的事實，湯姆森于1904年提出原子的葡萄干蛋糕模型。他將原子想象成一塊均勻帶正電荷的“蛋糕”，帶負電荷的電子則像葡萄干一樣鑲嵌在蛋糕里面。然而，葡萄干蛋糕模型“好景不長”，很快就被湯姆森的得意門生盧瑟福否定了。

盧瑟福對鈾鹽、釷鹽、鐳所放出的射線進行了廣泛深入的研究，從而發(fā)現(xiàn)了α粒子。通過觀察α粒子在電場和磁場中的表現(xiàn)，盧瑟福弄清楚了這種粒子的性質(zhì)。由于研究α衰變對原子研究的重要貢獻，盧瑟福被授予1908年的諾貝爾化學(xué)獎。

盧瑟福發(fā)現(xiàn)α粒子帶正電荷，數(shù)值是電子電荷數(shù)量的兩倍。既然α粒子是從原子中“跑出來”的帶正電荷的“東西”，盧瑟福自然地聯(lián)想到了老師湯姆森的原子模型。α粒子是不是從那個模型中分裂出來的一小塊“蛋糕”呢？看起來卻不像，因為α粒子的質(zhì)量比電子質(zhì)量大得多，大約是電子質(zhì)量的7300多倍。均勻分布著正電荷的蛋糕，不可能有如此大的質(zhì)量密度。

但是，蛋糕模型只是湯姆森提出的假說，對錯與否還需要實驗的驗證。于是，盧瑟福產(chǎn)生了一個新奇的想法：何不利用這種高速而又質(zhì)量頗大的粒子，來探測原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)呢？也就是說，把α粒子當(dāng)作一個特務(wù)，打入原子內(nèi)部去進行間諜活動，看看原子到底是怎么回事。

盧瑟福和他的助手漢斯·蓋革博士立即開始了實驗。他們利用鐳所發(fā)射的α粒子束，轟擊一片非常薄的金箔。經(jīng)過金箔散射后的α粒子以及它們在金箔原子中探測到的情報，最后則會被設(shè)置于各個方向的熒光屏記錄下來。

這些α粒子的能量很大，跑得極快，速度約為光速的十二分之一！從原子旁邊只能一晃而過，要想讓它們像真正的特務(wù)那樣“潛伏”在原子內(nèi)部是不可能的。不過，盧瑟福和蓋革的實驗方法是以多取勝。他們做了一次又一次的實驗，每次都派出了大批的α粒子，結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)：

1. 大部分α粒子都能毫無阻礙地通過金箔，沿著原來的方向到達熒光屏；

2. 一小部分α粒子穿過金箔到達熒光屏?xí)r，稍微受了點兒干擾，方向偏轉(zhuǎn)了一個小角度；

3. 個別的α粒子就慘了，好像挨了當(dāng)頭一棒，找不著北了，方向偏離了很多，甚至有時被直接向后反彈回去。

通過這些α粒子提供的大量情報，盧瑟福腦海中構(gòu)造出了一個與老師的葡萄干蛋糕圖景不太一樣的原子模型——行星模型：原子中的大部分地方是空的；原子的中心有一個很小很重的帶正電荷的原子核； 帶負電的、比原子核小得多輕得多的電子在原子的其余空間中繞核運動。

但是盧瑟福的行星模型，很快就遭遇了經(jīng)典電磁場理論的當(dāng)頭一棒。根據(jù)麥克斯韋的理論，如果電子是在繞著原子核不停地轉(zhuǎn)圈的話，這個運動電荷應(yīng)該不停地發(fā)射出電磁波，電子也就會連續(xù)不停地損失能量，軌道半徑將連續(xù)地變小，最后，所有電子全奔向原子核。換言之，行星模型不穩(wěn)定！

另外，麥克斯韋的理論加上盧瑟福的模型，也難以解釋氫原子的光譜為什么不是連續(xù)的，而是一條一條分離的、線狀的。

量子論與波爾模型

20世紀初，量子理論的思想正處于“小荷才露尖尖角”的萌芽狀態(tài)。普朗克和愛因斯坦催生了這顆小芽，但他們倆人卻都不怎么喜歡它。不過，丹麥物理學(xué)家玻爾發(fā)展了量子論。這個年輕人喜歡“量子”這個新鮮概念，并立刻發(fā)現(xiàn)：在原子的尺度上，應(yīng)該用量子論來替代經(jīng)典的電磁理論。

盧瑟福的行星模型碰到的困難都和“連續(xù)”有關(guān)。第一個困難是：經(jīng)典的電磁理論預(yù)言，原子會因“連續(xù)”發(fā)射電磁波而塌縮；第二個困難則是：氫原子的光譜不“連續(xù)”這個事實。然而，量子理論的中心思想就是不連續(xù)，它就是專門用來對付這些因“連續(xù)”而產(chǎn)生的困難的。

1913年，玻爾便用量子的思想改進了盧瑟福的行星模型，建立了波爾的原子模型。玻爾保留了盧瑟福模型中的電子軌道，但這些軌道不是任意的、連續(xù)的，而是量子化的。這些電子遵循泡利不相容原理，各自霸占著特別的軌道，也不能隨便地、任意地發(fā)射或吸收電磁波，而是當(dāng)且僅當(dāng)它從一個軌道躍遷到另一個軌道時，才“一份一份地、不連續(xù)地”輻射或吸收能量。

玻爾模型成功地克服了上述的兩個困難。不過，波爾雖然對量子情有獨鐘，當(dāng)時卻對它的“行為”還了解不深。所以，波爾模型并不是完全基于量子力學(xué)理論。對原子模型的真正量子力學(xué)描述，則是在奧地利科學(xué)家薛定諤建立了他的波動方程之后。

量子力學(xué)中最令人迷惑的是測不準原理和波粒二象性。薛定諤根據(jù)“電子的波動解釋”，認為電子并無固定的軌道，而是由于繞核運動時在空間各點出現(xiàn)的概率不同，形成一個帶負電荷的云團，故稱之為“電子云”。

電子云模型一直沿用至今。隨著現(xiàn)代實驗技術(shù)的發(fā)展，通過掃描隧道顯微鏡技術(shù)，科學(xué)家們不僅直接觀察到了原子和電子云，還能操縱和控制原子。這樣才有了IBM公司用5000個原子拍攝的世界上最小的電影。

【責(zé)任編輯】張小萌