从道尔顿到原子电影
前不久，IBM公司用5000个原子拍摄了一部世界上最小的电影——《一个男孩和他的原子》。在此之前，荷兰研究人员还拍摄到世界首张原子内部结构图。由于原子内部微粒非常微小、脆弱，拍摄原子内部结构照片曾被认为是不可能完成的任务。但研究者用激光、显微镜和能够把拍摄对象放大2万倍的特殊镜头对氢原子内部进行观察研究，并对其进行了拍摄。这项实验又一次改变了科学家对原子结构的看法。其实，纵观科学史，在探索原子内部结构的过程中，经历了许多失败和曲折，一个个模型被建立又被推翻，但也在这个过程中诞生了一个个享誉世界的科学大师。
原子结构的历史变迁
最先给原子建立科学模型的是19世纪的英国科学家道尔顿。他把原子描述成一个不可再分的、坚硬的实心小球。道尔顿认为，化学元素均由不可再分的微粒组成，这种微粒就是原子；原子在一切化学变化中均保持其不可再分性；同一元素的所有原子，在质量和性质上都相同。尽管这是一个并不完美的模型，但它首次将原子的概念从哲学引入到科学。
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道尔顿认为原子是不可再分的，然而几十年后，英国科学家汤姆森却发现了从原子中射出的电子。汤姆森还因此发现获得了1906年的诺贝尔物理学奖。根据原子中存在电子的事实，汤姆森于1904年提出原子的葡萄干蛋糕模型。他将原子想象成一块均匀带正电荷的“蛋糕”，带负电荷的电子则像葡萄干一样镶嵌在蛋糕里面。然而，葡萄干蛋糕模型“好景不长”，很快就被汤姆森的得意门生卢瑟福否定了。
卢瑟福对铀盐、钍盐、镭所放出的射线进行了广泛深入的研究，从而发现了α粒子。通过观察α粒子在电场和磁场中的表现，卢瑟福弄清楚了这种粒子的性质。由于研究α衰变对原子研究的重要贡献，卢瑟福被授予1908年的诺贝尔化学奖。
卢瑟福发现α粒子带正电荷，数值是电子电荷数量的两倍。既然α粒子是从原子中“跑出来”的带正电荷的“东西”，卢瑟福自然地联想到了老师汤姆森的原子模型。α粒子是不是从那个模型中分裂出来的一小块“蛋糕”呢？看起来却不像，因为α粒子的质量比电子质量大得多，大约是电子质量的7300多倍。均匀分布着正电荷的蛋糕，不可能有如此大的质量密度。
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但是，蛋糕模型只是汤姆森提出的假说，对错与否还需要实验的验证。于是，卢瑟福产生了一个新奇的想法：何不利用这种高速而又质量颇大的粒子，来探测原子的内部结构呢？也就是说，把α粒子当作一个特务，打入原子内部去进行间谍活动，看看原子到底是怎么回事。
卢瑟福和他的助手汉斯·盖革博士立即开始了实验。他们利用镭所发射的α粒子束，轰击一片非常薄的金箔。经过金箔散射后的α粒子以及它们在金箔原子中探测到的情报，最后则会被设置于各个方向的荧光屏记录下来。
这些α粒子的能量很大，跑得极快，速度约为光速的十二分之一!从原子旁边只能一晃而过，要想让它们像真正的特务那样“潜伏”在原子内部是不可能的。不过，卢瑟福和盖革的实验方法是以多取胜。他们做了一次又一次的实验，每次都派出了大批的α粒子，结果，他们发现：
1. 大部分α粒子都能毫无阻碍地通过金箔，沿着原来的方向到达荧光屏；
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2. 一小部分α粒子穿过金箔到达荧光屏时，稍微受了点儿干扰，方向偏转了一个小角度；
3. 个别的α粒子就惨了，好像挨了当头一棒，找不着北了，方向偏离了很多，甚至有时被直接向后反弹回去。
通过这些α粒子提供的大量情报，卢瑟福脑海中构造出了一个与老师的葡萄干蛋糕图景不太一样的原子模型——行星模型：原子中的大部分地方是空的；原子的中心有一个很小很重的带正电荷的原子核； 带负电的、比原子核小得多轻得多的电子在原子的其余空间中绕核运动。
但是卢瑟福的行星模型，很快就遭遇了经典电磁场理论的当头一棒。根据麦克斯韦的理论，如果电子是在绕着原子核不停地转圈的话，这个运动电荷应该不停地发射出电磁波，电子也就会连续不停地损失能量，轨道半径将连续地变小，最后，所有电子全奔向原子核。换言之，行星模型不稳定!
另外，麦克斯韦的理论加上卢瑟福的模型，也难以解释氢原子的光谱为什么不是连续的，而是一条一条分离的、线状的。
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量子论与波尔模型
20世纪初，量子理论的思想正处于“小荷才露尖尖角”的萌芽状态。普朗克和爱因斯坦催生了这颗小芽，但他们俩人却都不怎么喜欢它。不过，丹麦物理学家玻尔发展了量子论。这个年轻人喜欢“量子”这个新鲜概念，并立刻发现：在原子的尺度上，应该用量子论来替代经典的电磁理论。
卢瑟福的行星模型碰到的困难都和“连续”有关。第一个困难是：经典的电磁理论预言，原子会因“连续”发射电磁波而塌缩；第二个困难则是：氢原子的光谱不“连续”这个事实。然而，量子理论的中心思想就是不连续，它就是专门用来对付这些因“连续”而产生的困难的。
1913年，玻尔便用量子的思想改进了卢瑟福的行星模型，建立了波尔的原子模型。玻尔保留了卢瑟福模型中的电子轨道，但这些轨道不是任意的、连续的，而是量子化的。这些电子遵循泡利不相容原理，各自霸占着特别的轨道，也不能随便地、任意地发射或吸收电磁波，而是当且仅当它从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才“一份一份地、不连续地”辐射或吸收能量。
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玻尔模型成功地克服了上述的两个困难。不过，波尔虽然对量子情有独钟，当时却对它的“行为”还了解不深。所以，波尔模型并不是完全基于量子力学理论。对原子模型的真正量子力学描述，则是在奥地利科学家薛定谔建立了他的波动方程之后。
量子力学中最令人迷惑的是测不准原理和波粒二象性。薛定谔根据“电子的波动解释”，认为电子并无固定的轨道，而是由于绕核运动时在空间各点出现的概率不同，形成一个带负电荷的云团，故称之为“电子云”。
电子云模型一直沿用至今。随着现代实验技术的发展，通过扫描隧道显微镜技术，科学家们不仅直接观察到了原子和电子云，还能操纵和控制原子。这样才有了IBM公司用5000个原子拍摄的世界上最小的电影。
【责任编辑】张小萌, http://www.100md.com(张天蓉)
原子结构的历史变迁
最先给原子建立科学模型的是19世纪的英国科学家道尔顿。他把原子描述成一个不可再分的、坚硬的实心小球。道尔顿认为，化学元素均由不可再分的微粒组成，这种微粒就是原子；原子在一切化学变化中均保持其不可再分性；同一元素的所有原子，在质量和性质上都相同。尽管这是一个并不完美的模型，但它首次将原子的概念从哲学引入到科学。
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道尔顿认为原子是不可再分的，然而几十年后，英国科学家汤姆森却发现了从原子中射出的电子。汤姆森还因此发现获得了1906年的诺贝尔物理学奖。根据原子中存在电子的事实，汤姆森于1904年提出原子的葡萄干蛋糕模型。他将原子想象成一块均匀带正电荷的“蛋糕”，带负电荷的电子则像葡萄干一样镶嵌在蛋糕里面。然而，葡萄干蛋糕模型“好景不长”，很快就被汤姆森的得意门生卢瑟福否定了。
卢瑟福对铀盐、钍盐、镭所放出的射线进行了广泛深入的研究，从而发现了α粒子。通过观察α粒子在电场和磁场中的表现，卢瑟福弄清楚了这种粒子的性质。由于研究α衰变对原子研究的重要贡献，卢瑟福被授予1908年的诺贝尔化学奖。
卢瑟福发现α粒子带正电荷，数值是电子电荷数量的两倍。既然α粒子是从原子中“跑出来”的带正电荷的“东西”，卢瑟福自然地联想到了老师汤姆森的原子模型。α粒子是不是从那个模型中分裂出来的一小块“蛋糕”呢？看起来却不像，因为α粒子的质量比电子质量大得多，大约是电子质量的7300多倍。均匀分布着正电荷的蛋糕，不可能有如此大的质量密度。
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但是，蛋糕模型只是汤姆森提出的假说，对错与否还需要实验的验证。于是，卢瑟福产生了一个新奇的想法：何不利用这种高速而又质量颇大的粒子，来探测原子的内部结构呢？也就是说，把α粒子当作一个特务，打入原子内部去进行间谍活动，看看原子到底是怎么回事。
卢瑟福和他的助手汉斯·盖革博士立即开始了实验。他们利用镭所发射的α粒子束，轰击一片非常薄的金箔。经过金箔散射后的α粒子以及它们在金箔原子中探测到的情报，最后则会被设置于各个方向的荧光屏记录下来。
这些α粒子的能量很大，跑得极快，速度约为光速的十二分之一!从原子旁边只能一晃而过，要想让它们像真正的特务那样“潜伏”在原子内部是不可能的。不过，卢瑟福和盖革的实验方法是以多取胜。他们做了一次又一次的实验，每次都派出了大批的α粒子，结果，他们发现：
1. 大部分α粒子都能毫无阻碍地通过金箔，沿着原来的方向到达荧光屏；
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2. 一小部分α粒子穿过金箔到达荧光屏时，稍微受了点儿干扰，方向偏转了一个小角度；
3. 个别的α粒子就惨了，好像挨了当头一棒，找不着北了，方向偏离了很多，甚至有时被直接向后反弹回去。
通过这些α粒子提供的大量情报，卢瑟福脑海中构造出了一个与老师的葡萄干蛋糕图景不太一样的原子模型——行星模型：原子中的大部分地方是空的；原子的中心有一个很小很重的带正电荷的原子核； 带负电的、比原子核小得多轻得多的电子在原子的其余空间中绕核运动。
但是卢瑟福的行星模型，很快就遭遇了经典电磁场理论的当头一棒。根据麦克斯韦的理论，如果电子是在绕着原子核不停地转圈的话，这个运动电荷应该不停地发射出电磁波，电子也就会连续不停地损失能量，轨道半径将连续地变小，最后，所有电子全奔向原子核。换言之，行星模型不稳定!
另外，麦克斯韦的理论加上卢瑟福的模型，也难以解释氢原子的光谱为什么不是连续的，而是一条一条分离的、线状的。
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量子论与波尔模型
20世纪初，量子理论的思想正处于“小荷才露尖尖角”的萌芽状态。普朗克和爱因斯坦催生了这颗小芽，但他们俩人却都不怎么喜欢它。不过，丹麦物理学家玻尔发展了量子论。这个年轻人喜欢“量子”这个新鲜概念，并立刻发现：在原子的尺度上，应该用量子论来替代经典的电磁理论。
卢瑟福的行星模型碰到的困难都和“连续”有关。第一个困难是：经典的电磁理论预言，原子会因“连续”发射电磁波而塌缩；第二个困难则是：氢原子的光谱不“连续”这个事实。然而，量子理论的中心思想就是不连续，它就是专门用来对付这些因“连续”而产生的困难的。
1913年，玻尔便用量子的思想改进了卢瑟福的行星模型，建立了波尔的原子模型。玻尔保留了卢瑟福模型中的电子轨道，但这些轨道不是任意的、连续的，而是量子化的。这些电子遵循泡利不相容原理，各自霸占着特别的轨道，也不能随便地、任意地发射或吸收电磁波，而是当且仅当它从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才“一份一份地、不连续地”辐射或吸收能量。
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玻尔模型成功地克服了上述的两个困难。不过，波尔虽然对量子情有独钟，当时却对它的“行为”还了解不深。所以，波尔模型并不是完全基于量子力学理论。对原子模型的真正量子力学描述，则是在奥地利科学家薛定谔建立了他的波动方程之后。
量子力学中最令人迷惑的是测不准原理和波粒二象性。薛定谔根据“电子的波动解释”，认为电子并无固定的轨道，而是由于绕核运动时在空间各点出现的概率不同，形成一个带负电荷的云团，故称之为“电子云”。
电子云模型一直沿用至今。随着现代实验技术的发展，通过扫描隧道显微镜技术，科学家们不仅直接观察到了原子和电子云，还能操纵和控制原子。这样才有了IBM公司用5000个原子拍摄的世界上最小的电影。
【责任编辑】张小萌, http://www.100md.com(张天蓉)
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