量子史話（七）湯姆遜、長岡、盧瑟福構建原子模型

盧瑟福發現了什麼粒子

上個影片我們說了，人們是怎樣一步一步地確認原子的存在，雖然我們看不到原子本身，但19世紀末的物理學家在實驗室看到了原子產生的一系列變化。其中包括元素的放射性、元素的嬗變、電子的發現。

尤其是在1905年，愛因斯坦從理論的角度，也確認了原子的存在，就是我們熟知的布朗運動。

既然已經知道了原子的真實性，那麼接下來的工作就是要構建原子模型。

最先提出原子模型的人是電子的發現者——約翰·湯姆遜。

湯姆遜出生在曼徹斯特，父親的出版社經常給大學印刷教材，家庭條件相當不錯，而且能夠經常接觸到大學教授，以及各類的書籍。

耳濡目染，以及良好的教育使得湯姆遜，在14歲就考上了曼徹斯特大學，1876年，21歲的湯姆遜就被保送到了劍橋大學，1880年獲得博士學位，並留校任教。

1884年劍橋大學的卡文迪許實驗室主任瑞麗勳爵，在5年任期到了以後直接甩手不幹了，瑞麗這個名字我們很熟悉，在解釋黑體輻射分佈的時候，說到過瑞麗公式，還有我們在解釋天空為什麼是藍色的時候，也經常提到瑞麗散射。

瑞麗勳爵是第二任卡文迪許實驗室的主任，第一任是麥克斯韋，瑞麗辭職以後，劍橋大學就開始物色新的物理系主任，先後找了開爾文勳爵，和德國的赫爾姆霍茲，這兩位加起來已經快一百三十歲的人了，功成名就，所以都直接拒絕了邀請。

不過對於年輕人來說，這個職位做夢都不敢想。不過在劍橋大學的湯姆遜看到了人生翻轉的機會，斗膽向學校提出申請，既然沒人幹，那要不先讓我試一下，在瑞麗的支援下，28歲的湯姆遜成為了卡文迪許實驗室的第三任掌門人。

事實證明，湯姆遜是一個很好的領導者，在他的手下出了9位諾獎獲得者，其中就包括歐納斯特·盧瑟福。

這位比他的老師更牛，在他的手下出了11位諾獎諾獎獲得者，堪稱諾貝爾獎幼兒園。後面我們還會提到盧瑟福，他也是我們今天的主角。

1897年湯姆遜發現陰極射線其實就是電子，這一發現讓他獲得了1906年的諾貝爾獎，在發現電子以後，湯姆遜認為電子是原子的組成部分，且原子成電中性，那麼原子中肯定有帶正電的部分。

在沒有實驗證據的情況下，1903年湯姆遜純靠想象提出了自己的原子模型，史稱“葡萄乾布丁”模型。

他勾勒出了這樣一個圖景，原子呈球形，電子以同心圓的方式鑲嵌在正電荷雲裡，整個結構看起來就像一塊布丁裡面鑲嵌著葡萄乾一樣。

而且湯姆遜也說不清楚，一種元素的原子裡，有多少個電子，只是給出了一個大致的數量範圍。

比如原子重量為1的氫原子，可能只有一個電子，原子重量為4的氦原子，電子數量可能是兩個，也可能是3個或者4個，說不清楚。

主要原因是，這時人們並不知道元素週期表的元素順序，其實是按照原子核的正電荷數來排列的，當然也不知原子核裡面的正電荷數是多少，所以湯姆遜並不清楚一個原子裡應該有幾個電子。

當時人們對元素順序的排列依靠的指標是原子的重量，也就是原子量。

比如氫原子的原子量是1，它排在了第一位，接下來原子量最小的元素是氦，它的原子量是4，排在了第二位，第三位原子量是6，也就是鋰元素，排在了第三位。

可以看出，當時人們對元素週期表的認識有很大的侷限性，並沒有弄清楚最基本的排列規律，尤其是1907年的時候，人們發現了同位素以後，以原子量排列的元素週期表變的混亂不堪。

這個問題要到1910年的時候，波爾才第一次給出了正確的答案。我們在講到波爾的時候，會詳細說，這裡就暫時略過。

很明顯湯姆遜提出的原子模型，跟實際的情況偏差很大，不過當時也沒有人知道原子的結構，既然湯姆遜提出了模型，那麼我們就做實驗驗證一下。

做這個實驗的人正是湯姆遜的學生盧瑟福。

盧瑟福1871年生於紐西蘭的一個鄉村，比愛因斯坦大了8歲，比波爾大了14歲，父親是亞麻紡織廠的工人，母親是小學教師，家裡有12個孩子，盧瑟福排行老四，一家人擠在一個簡陋的木屋中，生活非常艱辛。

盧瑟福的求學生涯一路走來，靠的都是獎學金，1895年盧瑟福來到了劍橋大學，在卡文迪許實驗室給湯姆遜打下手。

正巧這一年倫琴發現了X射線，引起了巨大的轟動，喜歡研究原子現象的湯姆遜就對這種鬼氣陰森X射線產生了極大的興趣。

他給盧瑟福的研究課題是測量X射線透過氣體時產生的效應，確認了X射線可以電離氣體，在接下來的兩年中，盧瑟福發表了4篇關於X射線的論文，獲得了博士學位，也讓盧瑟福在科學界嶄露頭角。

上個影片我們還提到過，盧瑟福透過研究各種射線的穿透性，將貝克勒爾射線分為了α射線和β射線，將傑拉德·施密特發現的放射性輻射命名為γ射線。

後來人們也證實了，X射線、伽馬射線就是電磁波，β射線是電子，α射線是氦原子核。

有了這些成就以後，盧瑟福已經成為了當時放射性研究的先鋒人物，繼續給湯姆遜當助手就有點太屈才了，盧瑟福已經具備了獨立開展科研工作的能力。

1898年4月，加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學正在招聘全職教授，湯姆遜為盧瑟福寫了一封熱情洋溢的推薦信，9月底，27歲的盧瑟福抵達蒙特利爾，在這裡待了九年的時間。

1901年盧瑟福和25歲的化學家索迪發現了元素的嬗變，這一成就讓他獲得了1908年的諾貝爾化學獎。

1905年，在蒙特利爾的時候，盧瑟福就用α粒子轟擊過雲母薄片，發現了α粒子的軌跡發生了偏移，雖然沒有深入的研究，但盧瑟福把這一現象一直記在心裡。

1907年5月，盧瑟福來到曼徹斯特大學擔任全職教授，首要的研究課題就是α粒子的散射現象。

盧瑟福設計了一個簡單的實驗，用α粒子轟擊金箔，觀察α粒子透過金箔以後的軌跡變化，這種實驗需要在全黑的環境下進行，才能看到α粒子穿過金箔以後，在螢幕上留下的微弱閃光。

而且需要在幾個小時內不斷地用α粒子轟擊金箔，盧瑟福把這項艱苦的任務交給了新的助手漢斯·蓋革；

後來又來了一位研究生馬斯登，也參與到了這項研究中，他們發現大部分的α粒子可以沿著直線軌跡穿過金箔，有一部分α粒子會發生小角度的偏轉，有一小部分的α粒子會發生大角度的偏轉，有極個別的α粒子會直接被反彈回來。

1909年6月，蓋革和馬斯登把這一實驗過程和結果發表了出來，盧瑟福在論文中沒有對實驗結果做任何評論。

因為這樣的結果，讓盧瑟福大惑不解，在盧瑟福看來，α粒子直接被反彈回來，就像是用一顆38釐米的炮彈，轟擊一張紙，炮彈卻返回來打到了自己，簡直不可思議。

按照他的老師湯姆遜提出的原子模型，只要有一個α粒子能夠順利地穿過金箔，那麼所有的α粒子都應該能夠穿過，不存在直接被反彈回來的情況。

盧瑟福大膽地放棄了湯姆遜的原子模型，在1910年12月提出了自己的原子模型，史稱“行星原子模型”。

他構想出了這樣一個圖景：盧瑟福相信在原子的中心，有一個承載了原子全部質量、且帶正電的原子核，但原子核的大小隻有原子的1/10萬，一般來說原子的尺寸在10^-8釐米，原子核的尺寸在10^-13釐米，

比方說，如果原子核的大小是一個針尖，那麼電子就在100米開外像行星繞太陽一樣，繞著原子核執行。這樣的原子模型符合α粒子的散射實驗，那些極個別被反彈回來的α粒子是因為一頭撞在了原子核上。

盧瑟福本人是一個非常典型的實驗物理學家，他不喜歡沒有依據的猜測，當然他也不喜歡理論物理學家的研究風格，開局靠假設，過程全靠猜。

所以盧瑟福並沒有急於發表自己的原子模型，而是提出了一個數學公式，這個數學公式可以於預測在特定的偏轉角度上，有多少α粒子會被偏轉出來。

蓋革透過實驗發現，α粒子被散射後的分佈情況和盧瑟福預測的完全一致。

這時盧瑟福才放心大膽地在1911年宣佈了他的原子模型。相信大家可以看出來，盧瑟福的原子模型相比於湯姆遜的原子模型有了很大的進步，更加接近真實情況，但同樣的問題是，盧瑟福也說不清楚原子中電子的數量，也說不清電子在核外是怎樣分佈的。

而且盧瑟福原子模型還面臨了一個非常嚴重的問題，電子像行星一樣在核外繞著原子核執行，牛頓力學告訴我們圓周運動是加速運動，麥克斯韋電磁理論告訴我們，加速運動的電子會釋放出電磁輻射，不斷地損耗能量。

這樣一來，電子就會在極短的時間內掉入原子核，整個原子會徹底崩潰，而客觀世界的存在，就強有力地說明了，盧瑟福原子模型存在不穩定的問題。

這個問題是在1913年，被波爾解決的，這時的波爾還是盧瑟福的學生。接下來的幾個影片，我會詳細地講波爾是如何構建量子化的原子模型。

下面我們在簡單地說下，不為大家熟悉的長岡模型，在盧瑟福公佈了自己的原子模型以後，他收到了來自日本的一封信，寫這封信的人是長岡半太郎。

信中說，在5年前，我已經提出了和你的原子模型相像的原子模型，我的叫土星模型。盧瑟福承認，他的原子模型和長岡半太郎的有相似的地方，但是有本質的區別。

在長岡半太郎的土星模型中，原子核像土星一樣巨大，佔據了原子絕大部分的空間，電子像土星的衛星一樣，繞著土星執行。

很明顯，長岡半太郎的模型很可能是猜出來，如果他跟盧瑟福一樣做了α粒子的散射實驗，就不會提出原子核像土星一樣巨大。

所以一般情況下，我們很少會提到長岡模型。

好了，今天的影片就到這裡，下個影片的主人公就要輪到波爾登場了，他和普朗克、愛因斯坦被稱為舊量子論的三大巨頭，在波爾的手裡舊量子論也將達到頂峰，接下來將是年輕小夥們的天下。