一口气搞懂原子模型

之前我们聊到了拉瓦锡的“化学革命”和道尔顿的“原子论”，这使得化学正式成为一门科学，随后门捷列夫的元素周期律横空出世，解决了一直悬而未决的元素排序问题。但其实一直有个问题还没有解决，无论是拉瓦锡，还是道尔顿，亦或是门捷列夫，他们都没有真真切切地看到过原子。

那真的存在原子么？

这个问题放在现在其实并不难解决，你只要通过扫描隧道显微镜，就可以看到物质表面上单原子级别的起伏。不仅如此，你还可以在低温下利用探针尖端精确操纵单个分子或原子。

不过，这么高精尖的仪器是近几十年才有。可200多年前的的科学家是如何操作呢？

1827年，英国的植物学家罗伯特·布朗就在显微镜下观察到了水面上的花粉在不规则运动，这后来也被叫做布朗运动。1877年科学家德绍儿克思就提出，

花粉的运动是因为水中的水分子热运动造成的。

到了1905年，爱因斯坦通过数学分析的方法证明了布朗运动。

布朗运动间接证明了分子，原子的存在。并且根据布朗运动，还能计算出原子的直径大概为10^-8厘米。

原子到底长啥样？

除此之外，科学家还对原子到底长成什么样子特别感兴趣。只不过当时的科学家不知道，对于原子的研究竟然如此复杂和艰辛。

在这方面最先有成果的是物理学家约瑟夫·汤姆孙，在研究阴极射线时，不仅发现了电子，还发现电子是小于原子的存在，也就是说，彻底打破了一直以来“原子不可再分”的设想。

于是，约瑟夫·汤姆孙就开始思考原子的模型。我们可以来现象一下约瑟夫·汤姆孙当时手头都知道哪些信息：

电子是负电的，小于原子的存在原子是电中性麦克斯韦电磁学理论

从这些信息中心，约瑟夫·汤姆孙最终构建了一个梅子布丁模型（也有叫枣糕模型、西瓜模型的）。在这个模型中，电子均匀镶嵌在整个原子上面。

为了验证老师的实验，卢瑟福在1909年，开始做α粒子轰击金箔的实验。

α粒子就是氦核，有两个质子和两个中子构成，带正电。卢瑟福就是拿氦核来当子弹去打金箔，然后记录散射的情况。

在大量的试验之后，卢瑟福发现有一部分的α粒子偏转角度要远远小于老师约瑟夫·汤姆孙的预测值。大概每8000多个α粒子就会有一个α粒子的移动方向发生很大的角度偏差，其他的α粒子都是直接穿过去去，偏转角度也就在2°到3°以内，甚至还有很多是没有偏转的。

于是，对于这样的实验结果，卢瑟福认为：

大部分的质量和正电荷是集中在一个很小的区域内的，这后来被叫做原子核。由于α粒子是带正电的，所以接近原子核时会产生很强的排斥力，才会以大角度发生偏转。电子在这个区域之外，而不是镶嵌上在这个区域上的。这个小区域（原子核）的尺度很小，应该要小于10^-14米。

然后，卢瑟福也提出了自己的原子模型。在这个原子模型中，电子在外面飘着，原子核带正电位于中心的位置，原子核的尺度很小很小，如果原子有个操场那么大，那么原子核也就是一只蚂蚁的大小。

但是卢瑟福的原子模型某种程度上来说，和约瑟夫·汤姆孙的原子模型结果是类似的。为什么这么说呢？因为根据麦克斯韦的电磁学理论，原子核外的电子在运动过程中会向外辐射电磁波，最终跌落到原子核中。所以，最后还是类似于梅子布丁模型。

为了解决这个问题，卢瑟福有个特别厉害的学生叫做波尔，他就一直致力于解决这个问题，后来有个朋友跟他提起了巴尔末的氢原子光谱，波尔一下子豁然开朗。

所谓的巴尔末的氢原子光谱，其实是说，巴尔末发现氢原子所发射的光谱线在可见光有4个波长，波尔就猜想，

这四条光谱线应该就是吸收光子能量的电子在进入受激态后，又返回量子数n=2的量子态时所释放出来的谱线。

翻译成人话就是，电子会吸收或者释放出特定的能量。

于是，波尔提出了自己的原子模型。

在这个模型中，电子有自己轨道的能级轨道，电子会在轨道上跃迁，这个过程会吸收或者释放出特定的能量。波尔用这样办法去试图去解决电子会跌落到原子核的问题。

波尔的模型其实当时还是很受欢迎的，因为他的模型和太阳系特别像，物理学家特别热衷于统一，把微观和宏观进行统一更是了不得的大事。可惜，好久不长。波尔的模型用在氢原子还好，一旦外层电子数一多，这个模型就不太好用了。

接下来出场的是波尔的学生：海森堡。他就觉得他的老师在鬼扯，什么轨道，能级都是凭空假想出来的，物理学纯粹一点不好么？

1926年，海森堡建立了量子矩阵力学，并且提出了著名的不确定性原理。相关的描述就是：

粒子的位置与动量不可能同时被确定，位置的不确定性越小，则动量的不确定性越大，反之亦然。

也有把不确定性原理翻译成测不准原理，说的就是我们没有办法同时测量到粒子的位置和动量。

根据海森堡的不确定性原理，电子在原子核的位置就比较奇葩了，我们已经没办法用确定性的来描述电子准确的位置，我们只知道它出现在某个位置的概率是多少。所以，电子在原子核外的分布是概率云的样式。电子自己也不知道自己到底下一刻会出现在哪里。

而根据海森堡不确定性原理推导而来的原子模型一直沿用至今，这也是目前科学界对于原子模型的主流看法。可以说，这是历经了4代的师生，将近30年的时间，才最终完成了原子模型的建立。

不过，科学家虽然对原子模型有了了解，但是电子带来的启示：原子并非是不可再分。也让科学家们开始思考，原子核或者电子是不是可以再继续往下分？那究竟是不是可以继续往下分呢？我们下期再继续聊。

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元素周期表的诞生

寻找万物的本源，现代化学的起源