盧瑟福和玻爾的原子結構，引導量子力學先驅！看下他們心中的原子

1911年歐內斯特·盧瑟福透過放射源α粒子（我們現在知道他們是氦原子核）轟擊一個非常薄的金板的實驗首次描述出了原子內部結構，這就是早期的盧瑟福原子模型，盧瑟福為我們打開了量子世界的大門。

歐內斯特·盧瑟福

盧瑟福的太陽系原子模型

盧瑟福計算得出，只能假定原子是由中心非常小的核和圍繞它的電子組成，原子核幾乎包含了原子的所有質量。氫是最簡單的元素，它的核由單個質子組成，半徑約1。75×10^-15米。如果你不熟悉這個符號，這意味著0。0000000000000175米，或換句話說，1米的1750萬億分之一。就我們今天認識到的是，單個電子呈點狀，圍繞著氫核旋轉，其軌道半徑為氫核半徑的大約100000倍。核中有一個正電荷，電子有一個負電荷，這意味著它們之間有一種吸引力，類似保持地球圍繞太陽旋轉的引力。這又意味著原子的大部分空間是空的。如果你想象把一個原子核擴大到網球的大小，那麼小小的電子會小於一粒塵埃，它的軌道在距離網球1公里處。這些數字是相當令人吃驚的，因為對固體物質而言，我們顯然感覺不到它是空的。

盧瑟福原子模型

盧瑟福和核原子為當時的物理學家們提出了一系列問題。例如：軌道電荷理論和無限電波（海因裡希·赫茲在1887年發明了無線電發射機），一個同樣讓人費解的現象是當原子被加熱時會發出光的秘密。

尼爾斯·玻爾促進了現代量子理論的發展

在1912年3月份，丹麥物理學家尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）迷上了原子結構問題。波爾認為，嘗試從光譜學資料解開原子內部運作的秘密，就像是從蝴蝶的彩色翅膀得出同源的生物學基礎一樣。盧瑟福的太陽系原子給玻爾提供了需要的線索，並且在1913年玻爾發表了第一篇原子結構的量子理論文章。這個理論肯定有它的問題，但是它包含了幾個關鍵的思想，促進了現代量子理論的發展。

玻爾

玻爾發現，電子只能採取圍繞原子核的一定的軌道執行，能級最低的軌道最靠近核心。電子能夠在這些軌道之間躍遷。當它們吸收能量後（以點火管中的火花為例）跳躍到更高的軌道，經過一段時間之後，又跳落回原來的軌道，在此過程中發出光。光的顏色直接由兩個軌道的能量之差確定。

圖4玻爾的原子模型

圖4說明了基本概念，箭頭代表一個電子從第三能級跳回到第二能級，同時發出光線（由波浪線代表）。在玻爾的模型中，電子只容許在這些特殊的“量子化”（quantized）的軌道中的一個軌道上繞質子旋轉；螺旋向內是完全禁止的。用這種方式，玻爾用他的模型計算被昂斯特倫觀察到的光的波長（即顏色）——這些波長（即顏色）的產生歸因於一個電子從第五軌道跳回到第二軌道（紫色光），從第四軌道下降到第二軌道（藍綠色光），或從第三軌道下降到第二軌道（紅色光）的結果。玻爾的模型還正確地預測，當電子跳回到第一軌道時應該有光線發射出來。這個光是在光譜的紫外線部分，人的眼睛看不見，因此昂斯特倫也沒有看見。

然而，在1906年哈佛大學的物理學家西奧多·李曼（Theodore Lyman）發現了這個看不見的紫外光，並且玻爾的模型完美地描述了李曼的資料。雖然玻爾沒有把他的模型擴充套件到氫原子以外，但他所引人的思想可以用到其他的原子上。特別是，如果假設每個元素的原子有唯一一組軌道，那麼它們永遠只能發出某些顏色的光。因此，一個原子發出顏色的行為就好像指紋，天文學家們無疑會迫不及待地考察原子發出的光譜線的獨特性，作為一種確定星體化學成分的方法。

原子光譜

玻爾模型是一個好的開始，但它顯然是不能令人滿意的：為什麼電子被禁止螺旋向內移動呢？因為我們都知道電子發射電磁波時會失去能量，由於無線電出現在現實生活中，這個想法是根深蒂固的。還有，為什麼首先是電子軌道量子化呢？以及，氫原子以外的重元素會怎樣呢？人們怎樣才能理解它們的結構？雖然玻爾的理論可能不成熟，但它是關鍵的一步，是量子力學怎樣取得進展的一個例子。這就是早期量子論思想的的歷史，這些問題是量子理論的早期創始人所面對的。

20世紀智囊團

結束語：總起來說，在普朗克、愛因斯坦引入光是由粒子構成的想法之後，由麥克斯韋證明光還表現得像波。盧瑟福和玻爾是引導瞭解原子結構的先驅，但原子內部電子的行為與任何已知的宏觀物理理論不符合。綜合起來統稱為放射性，即原子不知何故自發分裂的各種各樣現象仍然是個謎，尤其是因為它引進一個令人不安的不確定性元素到物理學中。毫無疑問的是：在亞原子世界裡，正在進行著一些奇怪的事！

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