§15-4  氢原子光谱和玻尔的量子论

         一、原子的核型结构模型及其与经典理论的矛盾

         金属受热、光或电场的作用会发射电子,这表示电子是原子的组成部分。在正常情况下物质总是显示电中性的,而电子是带负电的,这说明原子中除了电子以外还包含带等量正电的部分。另外,由于电子的质量比整个原子的质量小得多,可以断定原子的质量主要是由除电子以外的其余部分提供的。那么质量很小的电子和质量很大的正电部分是如何组成原子的呢?

         1903年汤姆孙(J.J.Thomson, 1856-1940)提出了一种原子结构的模型,在这种模型中,原子是一个球体,原子的正电部分均匀分布在整个原子球体内,电子则一粒粒对称地镶嵌在球内的不同位置上。这种模型历史上称为汤姆孙模型。后来发现汤姆孙模型与许多实验相矛盾,其中最著名的是a粒子散射实验。

         1909年盖革(H.W.Geiger, 1882-1945)和马斯顿(E.Marsden, 1889-1970)在卢瑟福(E.Rutherford, 1871-1976)的引导下,用a粒子去轰击金箔中的原子。实验发现绝大多数a粒子穿过金箔后沿原方向(即散射角为零)运动,或散射角很小(一般只有1°、2°),也有少数a粒子发生了较大角度的散射,还有个别a粒子(约占1/8000)散射角超过90°,甚至被反弹回去。这些实验事实是对汤姆孙模型的否定。

图15-8

         1911年卢瑟福提出了原子的核型结构模型。在这个模型中,原子中央有一个带正电的核,称为原子核,它几乎集中了原子的全部质量。电子以封闭的轨道绕原子核旋转,如同行星绕太阳的运动。原子核的半径比电子的轨道半径小得多,对于电中性原子,全部电子所带的负电荷的总量等于原子核所带的正电荷。

         根据卢瑟福的模型,绝大多数a粒子可以从原子内部穿越,而不会受到原子核的显著的斥力作用,因而散射角很小,如图15-8中轨迹1所示。少数a粒子打在原子核附近,因而有较大的散射角, 如图15-8中轨迹2所示。个别a粒子几乎对着原子核入射,因而被反弹回去,如图15-8中轨迹3所示。

         原子的核型结构模型表明,原子是由原子核和绕核旋转的电子所组成。但是按照经典物理学理论,当带电粒子作加速运动时要辐射电磁波。同时,由于电磁能量的不断释放,原子系统的能量不断减少,电子的轨道半径将随之不断减小。所以,经典物理学理论对于原子的核型结构必定会得到以下两点结论:

         (1) 原子不断地向外辐射电磁波,随着电子运动轨道半径的不断减小,辐射的电磁波的频率将发生连续变化;

         (2) 原子的核型结构是不稳定结构,绕核旋转的电子最终将落到原子核上。

         经典物理学理论的上述结论是与实际情况不符的。首先,在正常情况下原子并不辐射能量,只在受到激发时才辐射电磁波,即发光。原子发光的光谱是线光谱,而不是经典物理学理论所预示的连续谱。另外,实验表明,原子的各种属性都具有高度的稳定性,并且同一种原子若处于不同条件下,其属性总是一致的。而这种属性的稳定性正说明原子结构的稳定性。

       
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