人类研究原子结构的历史发展历程

人类研究原子结构的历史发展历程

解滨泽

一．道尔顿原子学说

各种物质的原子，它们各自的形状、大小、重量一定是相同的，不同物质的原子，其形状、大小及重量必不相同。为此，他曾经作出这样的推理：假如水的某些原子比其他的水原子重，再假如某一体积的水恰恰由这些较重的水原子组成，那么这一体积的水的比重必然较其他水的比重要大（这显然与事实不符，因为我们知道无论从什么地方得来的纯水的比重都是相同的）。由此及彼，其他物质也是如此。道尔顿又指出，不同气体的原子的大小必然各异。他说，如果将一体积氮与一体积氧进行化合，则会生成二体积的氧化氮，这二体积的氧化氮的数目一定不能多于一体积氮或氧的原子数。因此，他说氧化氮的原子一定比氧、氮的原子大。

在这这种见解的基础上，道尔顿为了进一步解释一种气体扩散于他种气体的理由以及混合气体的压力问题，他又提出：同一化学物质的原子相互排斥。道尔顿又推理说，当两种有弹性的流体混合在一起时，同一种微粒相互排斥，但并不排斥另一种微粒，因此，加在一个微粒上的压力，完全来自与它相同的微粒。由此，他解释了他的分压定律。正如他的一位朋友所说的那样，一种气体对别的任何气体来说都是一种真空。

以后，道尔顿进一步考虑到对各种原子的相对质量进行测量的问题，虽然进行了许多研究工作，但是依据当时的水平所测得的原子量是很不准确的，甚至无法计算各种元素的原子量，因而他不得不作了一些大胆的猜测和假设。他首先为复杂原子进行了命名：二元化合

物、三元化合物和四元化合物。然后，他又很武断地作出了这样的结论：如果两种元素彼此化合，其化合时则遵循从最简单的方式开始，其层次分为4个。道尔顿又据以上原则，以氢原子量为1，以此作为标准，规定了其他元素原子的相对质量。

道尔顿确定的化合物组成的规则是没有什么科学依据的，不能不说是过于主观、随意和武断之举。因此，很多化合物复杂原子的组成被他弄错了，比如水是H2O，而他误作HO，随之氧的原子量也就错了。

1803年，10月18日，道尔顿在曼彻斯特的学会上第一次宣读了他的有关原子论的论文。论文中说了如下几个原子论的要点：

1元素的最终组成称为简单原子，它们是不可见的，既不能创造，也不能毁灭和再分割，它们在一切化学变化中本性不变。

2同一元素的原子，其形状、质量及性质是相同的；不同元素的原子则相反。每一种元素以其原子的质量为其最基本的特征（此点乃道原子论的核心）。

3不同元素的原子以简单数目的比例相结合，形成化合物。化合物的原子称为复杂原子，其质量为所含各元素原子质量的总和。同一种复杂原子，其形状、质量及性质也必然相同。

至此，道尔顿完成了提出原子论的历史使命，由于该学说解决了很多化学基本定律的解释，所以很快为化学界所接受。

二．卢瑟福原子模型

卢瑟福原子模型又称“有核原子模型”、“原子太阳系模型”、“原子行星模型”。关于原子结构的一种模型。1911年由卢瑟福提出。认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域，叫原子核，电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电，电子带负电。三、普朗克解释黑体辐射的量子理论

1900年普朗克获得一个和实验结果一致的纯粹经验公式，1901年他提出了能量量子化假设：辐射中心是带电的线性谐振子，它能够同周围的电磁场交换能量，谐振子的能量不连续，是一个量子能量的整数倍：

式中v是振子的振动频率，h是普朗克常数，它是量子论中最基本的常数。根据这个假设，可以导出普朗克公式：

它给出辐射场能量密度按频率的分布，式中是热力学温度, 是玻耳兹曼常数。如图表示辐射场能量密度随波长变化的曲线，它同实验结果完全一致。

作为黑体的空腔内的辐射场，既可以分解为一系列单色平面波的叠加，又可看作是由光子组成的"气体"。光子的能量ε、动量p、波长λ和频率v之间遵从德布罗意关系ε=hv，

则有ε=сp，在p到p+d p的动量间隔内，光子的量子态数目为

其中V是空腔的体积。只有腔壁不断发射和吸收光子才能在辐射场中建立起热平衡，所以光子"气体"中的光子数就不恒定，这意味着光子"气体"的化学势为零。而且，光子彼此间没有相互作用,光子"气体"是遵从玻色分布的理想气体。于是，每个量子态上的平均光子数应为

这样容易得到普朗克公式。

普朗克公式在高频范围hvkT的极限条件下，过渡到维恩公式

此式表明,w(v,T)随着v的增加很快地趋近于零,也就是说在热平衡状态下，几乎不存在高频光子，这是因为高频光子的能量远大于kT，而腔壁发射这样高能量的光子的几率是极小的。普朗克公式在低频hv<

普朗克通过对黑体辐射的深刻研究而建立起来的公式是物理学的一个重大突破，他首次提出的量子论，开创了理论物理学发展的新纪元。

四．爱因斯坦解释光电效应的量子理论

1905年，爱因斯坦发表论文《关于光的产生和转化的一个试探性观点》，对于光电效应给出另外一种解释。他将光束描述为一群离散的量子，现称为光子，而不是连续性波动。对于马克斯·普朗克先前在研究黑体辐射中所发现的普朗克关系式，爱因斯坦给出另一种诠释：频率为的光子拥有的能量为；其中，因子是普朗克常数。爱因斯坦认为，组成光束的每一个量子所拥有的能量等于频率乘以普朗克常数。假若光子的频率大于某极限频率，则这光子拥有足够能量来使得一个电子逃逸，造成光电效应。爱因斯坦的论述解释了为什么光电子的能量只与频率有关，而与辐照度无关。虽然光束的辐照度很微弱，只要频率足够高，必会产生一些高能量光子来促使束缚电子逃逸。尽管光束的辐照度很强劲，假若频率低于极限频率，则仍旧无法给出任何高能量光子来促使束缚电子逃逸。

爱因斯坦的论述极具想像力与说服力，但却遭遇到学术界强烈的抗拒，这是因为它与詹姆斯·麦克斯韦所表述，而且经过严格理论检验、通过精密实验证明的光的波动理论相互矛盾，它无法解释光波的折射性与相干性，更一般而言，它与物理系统的能量“无穷可分性假说”相互矛盾。甚至在实验证实爱因斯坦的光电效应方程正确无误之后，强烈抗拒仍旧延续多年。爱因斯坦的发现开启了的量子物理的大门，爱因斯坦因为“对理论物理学的成就，特别是光电效应定律的发现”荣获1921年诺贝尔物理学奖。

图为密立根做光电效应实验得到的最大能量与频率关系线。竖轴是能够阻止最大能量光电子抵达阳极的截止电压，P是逸出功，PD是电势差

（potential difference)。