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原子的行星模型。 科学发现的历史和本质
在第一原子论中 道尔顿 人们假设世界由一定数量的原子（基本构件）组成，这些原子具有永恒不变的特性。 这些想法在电子被发现后发生了巨大的变化。 所有原子都必须包含电子。 但是它们中的电子是如何排列的呢？ 物理学家只能根据他们对经典物理学的知识进行哲学思考，逐渐所有观点都集中在了由他提出的一个模型上。 J·J·汤姆森. 根据这个模型，原子由带正电的物质组成，其中散布着电子（可能在很多运动中），因此原子类似于葡萄干布丁。 汤姆森的原子模型无法直接测试，但各种类比都证明了它的支持。 1903年，德国物理学家菲利普·莱纳德提出了一个“空”原子模型，其中一些未被发现的中性粒子“飞行”，由相互平衡的正负电荷组成。 莱纳德甚至给他的不存在的粒子起了一个名字——动力...... 然而，唯一被严格、简单和美丽的实验证明存在的权利是卢瑟福的模型。 欧内斯特卢瑟福 （1871-1937）出生于尼尔森市（新西兰）附近的一个苏格兰移民家庭。 从当时家人居住的哈夫洛克的学校毕业后，他获得了奖学金，在尼尔森省立学院继续学业，并于 1887 年进入该学院。 两年后，欧内斯特通过了新西兰大学克里切斯特分校坎特伯雷学院的考试。 在大学里，卢瑟福深受老师的影响：物理和化学老师 E.W. Bickerton 和数学家 J.H.H. 厨师。 1892 年获得文学学士学位后，卢瑟福继续留在坎特伯雷学院，并获得数学奖学金继续学习。 次年，他以最好的成绩通过了数学和物理考试，成为了文学硕士。 1894 年，他的第一部印刷作品《高频放电对铁的磁化》出现在新西兰哲学研究所论文集上。 1895年，科学教育奖学金空缺，该奖学金的第一位候选人因家庭原因被拒绝，第二位候选人是卢瑟福。 抵达英国后，卢瑟福收到了 J. J. Thomson 的邀请，前往剑桥的卡文迪什实验室工作。 1898 年，卢瑟福接受了蒙特利尔麦吉尔大学的教授职位，在那里他开始了一系列有关铀元素放射性发射的重要实验。 在加拿大，他做出了重大发现：他发现了钍的放射物，并揭示了所谓的“诱导放射性”的本质； 他与索迪一起发现了放射性衰变及其规律。 在这里，他写了《放射性》一书。 在他们的经典著作中，卢瑟福和索迪触及了放射性转化能量的基本问题。 计算镭发射的k粒子的能量，他们得出的结论是“放射性转化的能量至少是任何分子转化的能量的20万倍，甚至可能高出一百万倍”。 卢瑟福和索迪得出结论，“隐藏在原子中的能量比普通化学转化释放的能量大很多倍”。 他们认为，“在解释空间物理学现象时”应该考虑到这种巨大的能量。 特别是，太阳能的恒定性可以用“太阳上正在发生亚原子转化过程”这一事实来解释。 卢瑟福在蒙特利尔的广泛科学工作——他个人和与其他科学家共同发表了 66 篇文章，不包括《放射性》一书——使卢瑟福成为一流的研究员。 他收到了在曼彻斯特担任主席的邀请。 24 年 1907 月 XNUMX 日，卢瑟福回到欧洲。 他人生的新时期开始了。 1908年，卢瑟福因“在放射性物质化学中对元素衰变的研究”而获得诺贝尔化学奖。 第二年，卢瑟福向欧内斯特·马斯登提出挑战，要求他找出阿尔法粒子是否可以从金箔上反弹。 卢瑟福绝对相信，大量的阿尔法粒子在穿过金箔时应该只会经历很小的偏转。 它们中的大多数实际上都穿过了箔片，只是微弱地偏离了。 但一些阿尔法粒子——正如马斯登指出的那样，大约是两万分之一——弯曲的角度大于 20 度。 马斯登甚至不敢告诉卢瑟福这件事，一开始就小心翼翼地确保他的实验没有任何错误。 卢瑟福几乎不相信这个观察结果。 多年后，卢瑟福回忆说：“这可能是我一生中经历过的最不可思议的事件。就像你向一张薄纸发射 15 英寸的弹丸然后它又回来击中你一样难以置信。 。” 但我不得不相信难以置信的事情，卢瑟福在 1911 年得出结论，金箔散射 α 粒子的实验结果只能通过假设 α 粒子与其他带正电的粒子通过的距离非常小来解释。尺寸远小于原子尺寸的颗粒。 金原子必须由一个带正电的小原子核和周围的电子组成。 这就是原子核概念和物理学的一个新分支——核物理学的诞生。 到 1911 年，这个想法并不是全新的。 它是由约翰斯顿·斯通尼、日本物理学家长冈和其他一些科学家较早提出的。 但所有这些假设都纯粹是推测性的，而卢瑟福的想法是基于实验的。 卢瑟福在 1911 年 XNUMX 月发表的一篇大型文章《物质中 Alpha 和 Beta 粒子的散射和原子结构》中概述了实验结果，这些实验结果使卢瑟福得出了原子行星结构的想法发表于英文《哲学杂志》。 世界各地的物理学家现在可以评估另一个原子结构模型，这次是经过令人信服的实验证实的...... 卢瑟福不知疲倦。 然后他进行了一项新的研究：他开始根据制造箔片的物质原子核的电荷来确定被箔片以不同角度偏转的阿尔法粒子的数量。 研究人员的耐心得到了回报。 分析这些实验的结果，卢瑟福推导出了一个公式，该公式将偏转一定角度的 α 粒子数与目标箔物质的核电荷相关联。 现在可以通过 α 粒子散射实验确定目标材料的性质。 第一种核化学分析方法出现在研究人员手中！ 科学家们比较了由各种材料制成的目标的行为，发现核电荷越大，偏离直线路径的阿尔法粒子就越多。 在这里，物理实验第一次揭开了元素周期律的神秘面纱。 根据卢瑟福的实验，如果 门捷列夫 随着原子核电荷的增加，将元素排列成一行，那么就不需要排列！ 物理学家已经阐明了周期律的表述，元素的化学性质不依赖于元素的原子质量，而是依赖于其原子核的电荷。 根据门捷列夫对元素化学性质的百科全书式知识，元素按照原子核电荷的大小排列。 是什么阻止电子落到大质量的原子核上？ 当然是围绕它快速旋转。 但在原子核场中加速旋转的过程中，电子必须向各个方向辐射部分能量，并逐渐减速，但仍落到原子核上。 这个想法一直困扰着原子行星模型的作者们。 新物理模型道路上的下一个障碍似乎是破坏原子结构的整个图景，而这个图景是经过如此困难的构建并通过明确的实验证明的...... 卢瑟福确信会找到解决方案，但他无法想象会这么快发生。 原子行星模型中的缺陷将由丹麦物理学家尼尔斯·玻尔纠正。 几乎在全世界科学家收到卢瑟福关于原子结构的文章的《哲学杂志》的同时，XNUMX岁的尼尔斯·玻尔成功通过了他关于金属电子理论的论文答辩。在哥本哈根大学。 丹麦物理学家尼尔斯·亨利克·大卫·玻尔（1885-1962）出生于哥本哈根，是克里斯蒂安·玻尔和艾伦（前阿德勒）玻尔三个孩子中的老二。 他的父亲是哥本哈根大学著名的生理学教授。 他在哥本哈根的 Gammelholm 文法学校学习，并于 1903 年毕业。 玻尔和他成为著名数学家的兄弟哈拉尔德在学生时代都是狂热的足球运动员。 后来，尼尔斯喜欢上了滑雪和航海。 如果在学校里尼尔斯·玻尔被普遍认为是一个能力一般的学生，那么在哥本哈根大学，他的天赋很快就让他谈论了自己。 尼尔斯被认为是一位非常有能力的研究人员。 在他的毕业项目中，他通过水射流的振动确定了水的表面张力，为他赢得了丹麦皇家科学院的金质奖章。 1907年，他成为了一名单身汉。 1909年获得哥本哈根大学硕士学位。 他关于金属中电子理论的博士论文被认为是一项精湛的理论研究。 1911年，玻尔决定去剑桥，在电子的发现者J.J.汤姆森的实验室工作几个月。 Niels 的母亲和他的兄弟 Harald 赞同这个想法。 也许他的未婚妻玛格丽特不太高兴，但她也同意了。 玻尔随后痛苦地思考卢瑟福的模型，并寻找令人信服的解释来解释自然界中明显发生的事情，尽管存在种种疑问：电子不会落在原子核上，也不会飞离原子核，而是不断地围绕它们的原子核旋转。 这是 K. Manolov 和 V. Tyutyunnik 在《原子传记》一书中所写的： “如果氢只有一个电子，如何解释它发射几种不同波长的光线这一事实？” 博尔想。 他再次回到尼科尔森的理论。 计算出的光谱波长比与观测到的光谱波长比之间的出色一致性是支持该理论的有力论据。 然而，尼科尔森将辐射频率与机械系统的振动频率联系起来。 但是频率是能量函数的系统不能发射有限量的均匀辐射，因为它们的频率会在辐射过程中发生变化。 此外，尼科尔森计算的系统对于某些模态形状将不稳定。 最后，尼科尔森的理论无法解释巴尔默和里德伯格的序列定律。 - 汉森，我想有一个答案！ 博尔说。 - 借助我导出的原子中电子轨道的稳定性条件，可以计算出电子在轨道上的速度、半径以及任意轨道上电子的总能量。 而且，所有公式都包含相同的因子，即所谓的量子数，它取相同的整数值1、2、3、4等。这些数字中的每一个都对应于一定的轨道半径…… -玻尔停顿了一下，继续说道。 - 嗯，当然，现在一切都清楚了。 原子只能在某些静止状态下存在而不辐射能量，每个静止状态都有其自己的能量值。 如果电子从一个轨道移动到另一个轨道，原子就会以特殊部分（量子）的形式发射或吸收能量！... - 这就是秘密！ 韩森惊呼道。 - 所以，原子的光谱反映了它的结构！ - 现在一切都已就绪。 氢原子发射多种射线的原因很清楚。 如果我们从最靠近原子核的轨道开始对轨道进行编号，那么我们可以说电子从第四个轨道跳跃到第一个轨道，从第三个轨道跳跃到第一个轨道，从第三个轨道跳跃到第二个轨道，依此类推。每次跳跃都是伴随着相应波长的光的发射。 我真的希望能够找到数量上的依赖…… 1913年，尼尔斯·玻尔发表了冗长的思考和计算的结果，其中最重要的结果被称为玻尔假设：原子中总是存在大量稳定且严格定义的轨道，电子可以沿着这些轨道无限期地奔跑，因为作用在其上的所有力都是平衡的； 电子只能在原子中从一个稳定轨道移动到另一个同样稳定的轨道。 如果在这种跃迁过程中，电子远离原子核，那么就需要从外部赋予它一定的能量，该能量等于电子在上轨道和下轨道的能量储备之差。 如果电子接近原子核，那么它就会以辐射的形式“重置”多余的能量...... 玻尔的假设可能在卢瑟福获得的对新物理事实的许多有趣解释中占据了一个适度的位置，如果不是因为一个重要的情况。 玻尔利用他发现的关系，能够计算出氢原子中电子的“允许”轨道半径。 知道了这些轨道中电子能量之间的差异，就可以构建一条曲线来描述处于各种激发态的氢的辐射光谱，并确定如果向氢原子提供过量能量，氢原子应该特别容易发射的波长是什么。外部，例如，借助明亮的水银灯。灯。 这条理论曲线与瑞士科学家 J. Balmer 在 1885 年测量的受激氢原子的发射光谱完全一致！ 原子的行星模型得到了强有力的支持，卢瑟福和玻尔的支持者越来越多。 作者：萨明 D.K.
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