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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970777]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 3．原子模型
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虽然都被称为“原子”，但其内含的基本概念已经经过了多次的历史变迁。
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1803年，道尔顿基于实验的基础上，将古希腊哲学家德谟克利特等人的原子猜想引入到化学中，建立了原子的实心小球模型。道尔顿认为所有物质都由原子组成，同种物质的所有原子都相同，而不同的物质有不同的原子。此外，道尔顿认为原子是不可再分的，他还最先从事了测定原子量的工作，提出用相对比较的办法求取各元素的原子质量，并发表了第一张原子量表。道尔顿首次将原子的研究从哲学引进到科学后，提出了科学的原子学说。
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在对世界本源的探索中，最激动人心的进展开始于19世界末。1897年，约瑟夫·汤姆逊（Joseph Thomson，1856—1940年）发现电子，这是科学家发现的第一个微观粒子，也是迄今为止一直被认为是基本粒子的一种粒子。此后，越来越多的微观粒子被陆续发现，质子、中子、介子、超子、中微子……相应的，相关理论也一步步被构建起来。
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约瑟夫·汤姆逊于1904年提出原子的西瓜（或葡萄干蛋糕）模型。他将原子想象成一个类似西瓜的小东西，均匀带正电荷的部分是红色的瓜瓤，带负电荷的电子则像西瓜子一样镶嵌在瓜瓤中。不过汤姆逊的原子模型好景不长，很快就被他的得意门生卢瑟福否定了。
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英国物理学家卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937年）和他的助手汉斯·盖革博士，对铀、钍、镭等放出的射线进行研究，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衰变对原子研究作出的重要贡献，卢瑟福被授予1908年的诺贝尔化学奖。
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卢瑟福用α粒子来探测原子的内部结构，从这些α粒子提供的大量实验结果，卢瑟福脑海中构造出了一个与老师的西瓜图景不太一样的原子模型，称之为“行星模型”。
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行星模型与西瓜模型的区别主要是带正电荷的质量在原子中的分布情况。西瓜模型中是均匀分布，而行星模型则类似于太阳系，质量集中在“原子核”的一块极小的区域内。除了原子核以及那些“星星点点”似地绕着原子核转圈且比原子核小得多、轻得多的电子之外，原子中大部分区域是空空荡荡的。原子核到底有多小呢？稍微计算一下可知，即使是一座大山，将它包括的所有原子核加起来，恐怕也只有一个皮球那么大。
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卢瑟福的行星模型，很快就遭遇到经典电磁场理论的当头一棒。电子毕竟不同于行星，行星在引力场中的运动受到的是万有引力，行星的椭圆轨道被庞加莱等人证明是稳定的。而当电子绕核运动时，受到的是电磁力。根据麦克斯韦理论，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携带能量的电磁波。根据能量守恒定律，电子也就会连续不停地损失能量，其轨道半径将连续地变小又变小，最后所有电子将会全部奔向原子核。如此一来，原子的行星模型就不会稳定！
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这时候，玻尔登上了历史舞台。他改进了卢瑟福的行星模型，将电子的轨道量子化，建立了玻尔的半经典、半量子的原子理论，被称为玻尔模型的“三部曲”。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，各自霸占着一条一条分离而特别的轨道。电子也不能随便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可能的轨道时，才会“一份一份的、不连续的”辐射或吸收能量。
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玻尔量子化的原子模型成功地克服了卢瑟福经典模型的2个困难。不过，玻尔虽然对“量子”情有独钟，当时却对它的行为还了解不深。所以，玻尔模型还不是彻底的量子力学。原子模型的真正量子力学描述，是在薛定谔建立了波动方程之后，被物理界所公认的电子云模型。
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根据量子力学中最令人迷惑的测不准原理和波动解释，原子的电子云模型摒弃了行星模型的轨道概念，认为电子并无固定的轨道，而是绕核运动形成一个带负电荷的云团，故称为“电子云”。
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图4-3-1 从经典的实心球原子模型到IBM控制原子制成的超微型原子“电影”
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在电子扫描隧道显微镜发明之前，原子是“看不见”的。这种种原子模型，都是物理学家们根据间接的实验数据，进行逻辑推论及发挥超常想象力的结果。不过，大多数人仍然信奉“眼见为实”，既然无法看见，你怎么知道就一定是你说的那个样子呢？
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在1981年，苏黎世的IBM实验室的科学家盖尔德·宾尼（Gerd Bining）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）发明了电子扫描隧道显微镜，他们为此赢得了1986年度的诺贝尔物理学奖。
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图4-3-2 用扫描隧道显微镜排列和观察原子
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1990年，IBM(1)公司的科学家用扫描隧道显微镜排列和观察原子，他们的结果让全世界为之惊叹。如图4-3-2所示，那是在金属镍表面用35个惰性气体氙原子组成的“IBM”3个英文字母。
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通过扫描隧道电子显微镜，我们不仅看到了原子。还能操控原子，图4-3-1（b）是美国IBM公司操控原子而拍出的世界上最小的电影。
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科学探索无止境，原子的电子云模型，甚至量子理论本身，都一定不会是永远完美无缺的。人们对原子结构的探索不会停止。刚才我们说原子核只集中在原子中心极小的一个区域内，事实上，根据现有的标准模型，原子核中的质子和中子也不是最基本的粒子，而是由更为基本的夸克构成的。对基本粒子的深入研究必将影响到更深一层的原子结构理论，物理研究的大门始终敞开着，等待年轻有志者的到来。
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