物理学史81原子模型的历史演变

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1、8.1原子模型的历史演变电子的发现，证明原子内含有确定数目的电子，而光谱的发射似乎与电子的行为有密切关系。这个问题的澄清有极为重要的意义。在这以前，人们对原子的内部状态一无所知，只能把原子看成是一个不可分的整体，顶多假设它是一个谐振了在作机械运动或是一个赫兹振了在作电磁振荡。从这些假设出发，虽然也可进行数学计算，但对物质结构的了解，却无济于事。而在发现电子、确证原子可分之后，才有可能真正建立原子结构的模型。探索原子结构的理论，从而对光谱的发射和其他原子现象作出正确的解释。所谓原子结构模型(以下我们简称为原子模型)，实际上也就是针对下列问题给出答

2、案：原子内部有带负电的电子，但原子是中性的，所以必定还有带正电的部分，这些止电荷具有什么性质？是怎样分布的？止、负电荷Z间如何和互作用？原了内究竟有多少屯子？屯子的数目如何决定？怎样才能保持原子的稳定状态？怎样解释元素的周期性？怎样解释线光谱？怎样解释放射性？等等。面对这些问题，物理学家们根据口己的实践和见解从不同的角度提出各种不同的模型。经过实践的检验，冇的成功，有的失败。下而选取一些冇代表性的例子来说明原子模型的历史演变。8.1.1长岗的土星模型长岗半太郎(1865—1950)是日本东京大淫教授，1903年根据麦克斯韦的土星卫环理论推测原子

3、的结构，他的论文题目是：《用粒子系统的运动学阐明线光谱、带光谱和放射性》，发表于1904年《哲学杂志》，在论文屮，长岗写道:“我要讨论的系统，是由很多质量相同的质点，联接成圆，间隔角度相等，互相间以与距离成平方反比的力相互排斥。在圆屮心有一•大质量的质点对其它质点以同样定律的力吸引。如果这些互相排斥的质点以儿乎相同的速度绕吸引屮心旋转，只要吸引力足够大，即使有小的干扰，这系统一般将保持稳定。”然后，长岗仿照麦克斯韦的理论进行计算，说明电子运动和光谱的关系。虽然长岗的理论很不完善，但他实际上已经提出了原子核的观念，为后來卢瑟福的有核原了模型开辟了

4、道路。其实，核的观念并不是长岗首先提出来的，在他之前，斯坦尼讨论过这种可能性，1901年佩兰(Perrin)在论文中也曾假设过类似的模型，即原了有止核,外面围绕着负电了，电了沿轨道运行的频率是辐射的光波频率。还有，洛奇也曾指出，麦克斯韦的土星系也许适用于电子系统。可见，原子的冇核模型由来已久,只是未获充分证据而已。然而，它的致命弱点是无法满足经典理论提出的稳定性要求，所以长岗的论文发表不久，就有人写文驳斥。8.1.2勒纳德的中性微粒模型1920年勒纳德已经接受了阴极射线是电了朿的结论。这时他对赫兹和他口己发现的阴极射线穿透金属箔的现象作出新的解

5、释。他认为这件事说明金属中的原子并非实心的弹性球，其中必有大量的空隙。他假设原子内的电子和相应的正电荷组成屮性微粒，取名为“动力子”(dynamids),无数动力子浮游在原子内部的空间。他的模型未获实验证实，因此影响不大。8.1.3里兹的磁原子模型1908年里兹捉出原子光谱的组合原理，同时也指出：从已知光谱规律来看,这些规律仅仅涉及频率v,而不涉及V2,可见电子所受作用力不是与其位移成正比，而是与其速度成正比。根据电磁理论，这种情况正好与电荷在电磁场屮运动的情况相当。曲此他提出一个假说，光谱线的频率决定于磁场作用力。里兹进一步假设磁场是由分子磁

6、棒产生的，磁分子的磁极强度为u,磁极距离为1,电荷e处于沿磁棒轴线上距最近的磁极为r的某一点上，该点磁场为：在磁场作用下，电荷c将在与磁场垂直的平面内作螺旋运动，频率为这个方程与氢光谱的巴耳末公式:里兹根据电磁理论，进一步推测分了磁棒是由I员I柱形的电了沿轴旋转。（有趣的是，他比乌伦贝克和高斯密特的自旋电子概念述早17年！）里兹述推导岀光谱的一些性质，与实验结果很符合。8.1.4汤姆生的实心带电球模型J.J.汤姆生的原子模型在1910年Z前是彩响最大的一种。他父*1902年开尔文提出的实心带电球的想法，对原子结构进行了吵疋诘难芯浚*1904年发

7、表论文，题为：《论原子的构造：关于沿一圆周等距分布的一•些粒子的稳定性和振荡周期的研究》。①在这篇论文里，他运用经典力学理论，根据电荷之间的平方反比作用力，进行了大量计算，求证电子稳定分布所应处的状态。他假设原子带止电的部分象“流体”一样均匀分布在球形的原了体积内，而负电了则尿在球体的某些固定位置。电子一方而要受正电荷的吸引，一方而又要自相排斥，因此,必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成环，然而六个以上的电子不能稳定在一个环上，数口更多就要组成二个以上的环。汤姆生还借助磁棒吸引水面上漂浮的磁针（1878年A.梅尼作过的实验），用模

8、拟实验方法证明自己理论的止确性。在汤姆生的原子模型中最重要的是原子内的电子数no开始他根据量)，再假设正负电荷具有对称的性质，估计原子中的电子数n约为