原子模型的发展

20世纪初，围绕“原子是否存在”这个话题仍有大量争论。那些怀疑原子存在的人引用了一个简单的事实，即它们不能被直接观察到。而那些支持原子假说的人则提到了气体动力学理论的非凡成功，该理论能够通过假设气体由数以万亿计的随机运动的微小原子组成来解释气体的宏观性质。然而，争论是短暂的，随后一系列非凡的实验观察只能用原子理论来解释。

1897年，汤姆孙通过实验证明，可以从带正电的离子中提取称为电子的微小带负电粒子。很明显原子并不是不可继续再分的，1904年汤姆孙提出了一个原子模型，他认为原子是由均匀分布在整个原子中的一些带正电的物质形成的，而带负电的电子则像葡萄干布丁一样嵌入在原子内部。

然而，该模型并非没有问题。虽然可以推导出嵌入在带正电介质中的静止电子的一些稳定配置，但他怀疑是原子内部电子的运动决定了磁性材料的特性，然而他的模型没有能力解释原子内电子的运动。

最终，对葡萄干布丁模型造成致命打击的实验是1909年汉斯·盖革和欧内斯特·马斯登著名的α散射实验。该实验向金箔发射一束α粒子流，然后测量它们的偏转角。如果根据Thompson的模型进行计算，那么你会发现几乎没有α粒子被金反射。但是当他们进行散射实验时，他们发现大约每8000个α粒子中的一个会偏转回源头，这与汤姆孙模型相违背。

1911年3月，为了解释盖革和马斯登的实验结果，欧内斯特·卢瑟福提出了一个激进的新模型。根据卢瑟福的模型，原子由一个微小的带正电的原子核组成，该原子核被一些微小的带负电的电子所包围。这些电子占据了原子核周围的广阔空间区域，这解释了为什么大多数α粒子会直接穿过金箔，因为它们只是穿过金原子内部的广阔空间区域。此外，在如此多粒子的情况下，金箔内的原子核有一定概率与α粒子正面碰撞，让其原路返回。

尽管卢瑟福的模型比汤姆孙的模型有显着改进，但如果认为电子存在，它就会受到自身问题的困扰：在原子核周围的空间中，它们到底在做什么？它们不能只是静止不动，因为带正电的原子核和带负电的电子之间的静电吸引力肯定会导致电子被拉入原子核。

这个问题的明显解决方案提出，电子实际上绕着带正电的原子核运行，就像地球绕着太阳运行一样，正是轨道运动阻止了电子落入原子核。然而，根据麦克斯韦的电磁理论，该理论也存在问题。电子的加速度会引起电磁辐射，因此它会慢慢失去能量，最终会减速并螺旋进入原子核。电磁理论预测，这将在不到万亿分之一秒内发生，所以看起来电子不能静止不动，也不能像行星绕太阳一样绕原子核运行。

所以电子到底处于一个什么样的状态？回答这个问题需要将旧的经典电磁学思想与新发展的能量量子化思想结合起来。玻尔认真对待了这一想法，并假设为了使原子稳定，必须存在围绕中心核运行的电子的稳定构型，并且这些稳定的轨道应该总体上取决于普朗克常数。此外，他建议这些稳定状态之间的跃迁将导致离散能量光子的发射。

玻尔的开创性工作集中在最简单的原子氢上，将量子引入原子不仅有助于稳定原子，而且也有助于解释氢原子的发射光谱。但不仅仅是氢原子可以使用玻尔模型来解释，能级和电子跃迁的基本概念最终将解释元素周期表中所有已知元素的发射光谱。玻尔也因此获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

正如物理学中经常发生的那样，对一组问题的解决自然会引发一组新的问题，1913年卢瑟福提出了一些棘手的问题。在玻尔的模型中，一个高能轨道上的电子需要事先知道最终目的地的能量，才能发射恰到好处的辐射。这个简单陈述中的正确波长对新量子理论的影响提出了警告：我们对因果关系的理解。

玻尔模型的成功当然是非常惊人的，但模型所基于的假设“角动量量子化”条件从何而来？以及能级之间电子跃迁背后的机制是什么？这些问题的答案将不得不等待1920年代初薛定谔、海森堡、狄拉克等人的开创性工作。