原子模型的演进与科学史课成果

电子作为第一个小于原子的基本粒子得到发现显然是重要的，但是更重要的是由它的发现诱发出来的原子的组成和结构，因为只有这个问题得到合理的和科学的解决，才能够导致对宇宙万物组成的全面理解，这对于揭开微观世界的真实情况和在新的基础上改造和发展各门自然科学是最有价值的。在人类的实验手段和认识尚处于低下的19世纪末和20世纪初，要从实验上揭示原子内的全部结构几乎是空想。但是，人类追求科学真理和探索宇宙奥秘的强烈欲望，始终是科学发展的永恒动力。在未知和追求这个矛盾中，科学家能立即进行的，恐怕只有以假说开路了，而假说的最形象和最有力的方法便是构思模型，只有有了原子模型的图像才能进一步发展理论分析和实验证实，在理论和实验的交互作用中才能一步步接近原子结构的真实，人类对原子结构的认识便是从发现电子之后沿这个治学道路展开的。

（1）汤姆孙在发现电子后提出的原子结构设想

汤姆孙在1884年出任剑桥大学卡文迪什实验物理教授之前，是一位年轻有为的电磁理论物理学家，他早在1881年就根据电磁理论提出了电磁质量概念，即带电物体（如电子）以高速运动时，它的动质量是随运动速度而变化的，并发现它与速度的平方成比例，这是对牛顿的物质质量不变的一大变革。1884年以后，他当了实验物理教授和卡文迪什实验室主任，又转向了实验物理。他是位既擅长于理论思考又懂实验的科学家，这使他在发现电子之后投入了电子与原子的关系和原子结构的探索，并用19世纪典型的模型研究方法试图提出原子由电子构成的模型，但是在开始时，他对此思想和知识准备不足，只能做一些初步的猜测性设想，还谈不上正式的原子模型，实际上这是他下一步正式提出著名的葡萄干—布丁原子模型的前奏。

由于在1897年及其以后多年，科学家们只发现了比原子小的电子，而电子又带负电，可是原子在一般情况下是中性的，所以在那时他天真地认为比原子小的粒子可能只是电子，因此他便设想原子是完全由电子组成的，那么电子是怎样构成原子的？它们的负电性又怎样才能构成中性的原子呢？他经过日夜思考，终于根据经典电动力学的原理和美国科学家迈耶（M.Mayer，1836—1897）发表的一些磁针在水面上漂浮时因斥力和吸力的作用排成有规则的图形（见图1.2），想出了一个电子相当于一个磁针，5个磁针在水面上排成正方形，6个磁针排成正五边形，它们都有一个磁针位于中央。当8个磁针时，有2个在正六边形中央；15个磁针时，按1，5，9排成3层；27个磁针时，排成1，5，9，12四层，以此类推。经过这样的磁针排列和理论计算，他发现它们与化学元素周期表中元素的周期性排列相似，因此他提出了原子由电子构成的初步设想。为了解释原子是中性的，当时他只有假设原子内的空间是带正电的，在总电量上与电子的负电总和相平衡。这样，他便认为原子是由位于各环上均匀分布的电子和正电原子空间或正电体组成。因此，在他于1897年发表发现电子的论文“阴极射线”中提出“在正常的原子中，微粒（即电子）的这样汇集便形成了一个电中性的系统，虽然单个的微粒的行为像负的离子，而且在它们汇集在中性的原子中时，被某种东西所平衡，这种东西成为使微粒能够发挥它们的作用的原因，好像它具有在数量上与所有微粒上的负电荷的总和相等的正电荷数一样”。这种平衡电子负电荷的东西，便是原子内的正电空间或均匀分布正电的球体。他还用这个设想和图案说明放射性现象，他说当原子内的电子过多或电子环层数越多时，因为外面几层的电力弱而不稳定，稍有什么力或其他因素作用，便放出电子而重新排列，产生了放射性现象，他还用这种排列具体说明元素周期表。

图1.2　迈耶的7个磁针在水面上形成的漂浮六边形图

汤姆孙确实不愧为一位著名的理论物理学家兼实验物理学家，他不但用精巧的实验破天荒地第一次发现了比原子还要小的电子，而且还用丰富的想象和理论推导构成了第一个有一定科学根据的原子结构图像，实际是一个虽然粗陋但却有科学道理而不是哲学上想象的原子模型。由于他是电子的发现者，著名的剑桥大学的物理教授，伟大的电磁理论创始人麦克斯韦和理论物理学家第三代瑞利男爵的继任者，他提出的这个原子结构图案或早期原子结构模型在多年内得到国际科学界的普遍接受，人们称之为物质的电结构理论，实际上可以说是物质的电子结构理论。这也是有史以来，科学家而不是哲学家提出的第一个原子结构理论。它成为稍后科学家们提出的各种原子模型参照的基础，并诱发出一系列颇有见地和有所发展的原子模型。汤姆孙由于在气体放电上的研究和发现电子，在1906年获得了诺贝尔物理学奖。他还因为在卡文迪什实验室从1895年开始改革研究生制度，首倡面向全世界择优选择物理研究生和培养出8个诺贝尔奖获得者，而将卡文迪什实验室发展成世界性的科研组织，闻名于世。

应该说明，在汤姆孙于1897年提出他的原子是由电子组成的和第一个比较有科学根据的初步原子模型之前，从道尔顿的化学原子论提出后，先后曾经有一些科学家根据想象提出过一些“原子模型”。如法国的安培（A.M.Ampère，1775—1836）认为原子是由亚原子和电流体构成的，比奥（J.B.Biot，1774—1862）、柯西（A.L.Cauchy，1789—1857）和泊松（S.D.Poisson，1781—1840）等认为原子是由以太包围的块体组成，法拉第在1846年提出了原子是由力线包围的力心组成的，德国的韦伯（W.E.Weber，1804—1891）在1871年提出原子是由带正电的、质量可忽略不计的粒子绕带负电的大质量粒子旋转所组成。1901年，英国的金斯（J.H.Jeans，1877—1946）提出原子是由无数个负离子和正离子组成的。这些早年的所谓原子模型，都是根据当时比较模糊的、科学上的一知半解以及对原子不是最基本的粒子所设想的猜测。由于臆测性很大，只能认为是以思辨为主的设想，还谈不上科学性的原子模型，因此在展开比较科学的原子结构模型的介绍之前，作为人类在19世纪对于经典原子论的一些怀疑，予以说明。显然，只有在真正发现电子之后，根据科学发现的新进展所提出的原子结构设想才具有科学意义上的价值。下面将1900年之后出现的被认为有科学价值的几种原子模型做概要的介绍。

（2）科学的原子模型应具备的条件

按照至今科学界普遍的看法，科学的原子模型应具备以下几个条件：

①科学的原子模型应该建立在必要的实验和合理的科学理论基础之上，实验基础应以发现小于原子的粒子及其与原子的关系为主，理论基础应以至少符合经典电动力学的理论分析为指导，而不是仅凭哲学上的思辨和以猜想为主的。

②科学的原子模型应具有明确的原子结构图像，而且与已有的力学和运动学原理符合，具有很大的科学性和说明的清晰性。

③科学的原子模型必须是与科学假设相对应，它不是无根据的类比和模拟，更不是哲学的推理或推测。

④科学的原子模型应能够比较合理地说明已有的各种主要科学现象，如放射性、元素光谱、放射性元素衰变和其他物理的和化学的性质等。

⑤原子模型的确立应得到当时和后来科学界，特别是有关学科的科学家群体的接受，甚至被很多科学家承认，以及在科学发展上得到部分应用和影响，这种影响应该是积极的和有助于科学发展的。

以上这5个条件是下面要介绍的几种原子模型所初步具备的，虽然其中大部分在后来的科学发展中被证明是不完善的，甚至是不大正确的，但是它们对现代原子理论和物质微观组成理论的发展起过推动或铺垫作用，有的甚至被证实是基本正确的或正确的，应该予以介绍。

（3）开尔文原子模型

英国著名物理学家开尔文勋爵（Lord Kelvin，即William Thomson，1824—1907）以提出绝对温标、热力学第一、二定律的开氏说法和主持与设计第一条横跨大西洋的海底电缆而闻名于世，他还在1860年首次提出了宇宙热寂说（即宇宙最终将因为熵的无限增大，最后趋于热平衡而热死），产生了很大的影响。他在19世纪的国际科学界影响很大，极其著名。

开尔文的原子模型是综合了19世纪电学理论的成就，考虑了电子的发现才提出来的，于1902年在著名的《哲学杂志》上发表，因此被科学界广泛了解。他的名声又使得他的原子模型在当时十分引人注目。他像中年的法拉第一样，认为有比原子还小的电原子，也就是带电的小粒子，它们可以自由地通过原子内空间中的物质（可以称之为电以太）。电原子带负电，那时称为树脂电，电物质则带正电，他称之为玻璃电，电原子之间和电物质之间因为电性都相同而相互之间存在斥力，而电原子与电物质间存在吸引力，这些力的相互作用就形成了原子结构，总的为中性的。所以，在他的原子模型中各粒子处于静电平衡状态，只有当因为某种原因使其中的带电粒子数小于既定数目时，才失去稳定性而进行再分布。他用这种方法和理论解释放射性和真空的绝缘性质。如果用电子学说来翻译他采用的今天难以捉摸的术语，则可以说电原子或树脂电为电子，电物质或玻璃电为带正电的和分布于原子内空间的弥散物质。这样一来，促使汤姆孙1897年提出的初期的原子结构模型明晰化，由于他在这时反对以太说，就设法构思了原子空间均匀分布着正电，至于这正电的载体究竟是什么，他不做回答，而只简单地说是正电球体，以使它与按环分布的电子总电荷平衡，这对汤姆孙在稍后完善自己的原子模型起了桥梁作用。

（4）汤姆孙的葡萄干—布丁原子模型

1904年3月，汤姆孙在经过了5年多的思考和借鉴别人的研究成果之后，在《哲学杂志》上发表了“论原子结构”一文，正式推出了他认为科学的原子模型。在这篇文章中，他不再提迈耶的磁针在水平面上漂浮的几何图形，而是利用电磁力的相互作用和正、负电平衡的理论径直地进行分析，吸取了开尔文勋爵的正电物质弥散地充满原子空间的想法，修正其电以太想法，改为正电均匀分布的球体，以达到按同心环分布的负电子与正电球体进行电性中和的目的。他说：“元素的原子由封闭在带均匀正电的球体之中的大量带负电粒子所组成”。如果说正电球体有如一个英国人说的布丁面包，而电子环就好像镶嵌在布丁中的葡萄干一样，因此后来有人把汤姆孙的原子模型称为葡萄干—布丁原子模型。其实这个譬喻只是个简单的说法，因为汤姆孙认为他的电子是在电子环中不停地匀速旋转的，而不是静止地镶嵌在固定的地方，电子的平衡既是电力上的平衡又是电性上的平衡。他还根据电磁理论进行了详细的计算，提出了电子在各轨道上等速旋转的稳定条件和数学表示式，算出了电子环数与最少中心电子数之间的关系，从而得出某电子环数时中心电子的最少个数。他提出的电子环和电子轨道在那时虽然是由静电力分析得出的，可是在后来却被玻尔在1912—1913年用到自己的原子结构量子论的定态能级轨道和跃迁理论上，对量子论的发展起到了重要作用。

在这篇论文中，汤姆孙进一步将他的同心环电子排列的想法与化学元素周期表协调起来，不但算出了各环的电子数，而且将电子的各种排列分成族，与元素周期表的元素族对应，以便说明环数及其上的电子数与元素的性质间的关系。此外，他还用这个模型解释元素光谱的谱线差异、化合价和放射性等，在当时堪称在理论上比较完整的原子结构模型，其影响自然是很大的。(www.xing528.com)

图1.3　汤姆孙原子模型中19个电子的分布

（5）勒纳德的原子模型

勒纳德原是赫兹的实验助手，在19世纪90年代对阴极射线的性质做了大量的实验研究，做出不少成绩，并在1905年获得了诺贝尔物理学奖。

勒纳德受到克鲁克斯在1879年发表阴极射线的一系列实验和发现它的带电粒子性质的深刻影响，在1892年用实验的方法试图研究阴极射线在克鲁克斯阴极射线管之外的性质，由于没有得出什么结果，就转向研究阴极射线穿过阴极射线管的铝窗口而进入空气中产生的效果。从这些新的实验中他发现阴极射线的穿透性质与材料的密度有很大关系，这使他想起汤姆孙提出的原子是由电子和带正电的球体组成的设想，因而得出原子内除去大部分是中空的之外，尚存在中性的偶极子，这种偶极子是由带正电和负电的“动力子”（dynamides）构成。他经过测算得出，动力子的大小占原子体积的10 9分之一，这个体积很小的动力子“对”（pair）之间的距离小于10-11厘米，因而这个“对”为中性的，它在原子内迅速旋转，不易被电子穿透。因此，勒纳德在1903年提出的原子结构为在空虚的原子空间内存在体积很小的动力偶极子，偶极子在空间内高速旋转。1906年，他在《阴极射线》一书中写道，“借助这些阴极射线可以得到关于分子和原子组成的信息，而原子的质量集中在微小的动力偶极子上”。

后面我们将说明，卢瑟福在1911年发表的原子有核模型是外围电子绕体积很小却质量很大的核心旋转，这使有些物理学家特别是个别的德国物理学家认为，勒纳德的动力偶极子与卢瑟福的原子核有些相像，但很多事实表明这两者并无联系，正如德国著名的理论物理学家玻恩所说：“原子理论之父的名字通常给予卢瑟福，因为他担负了用更合适的仪器和方法进行研究的任务，并且推进得更远，所以我们把具体的、定量的原子结构思想归于他”。勒纳德的确提出过相当于原子核的想法，但是他既未将电子纳入原子结构内，又说动力偶极子高速旋转，显然与后来的科学发现不大相符。

（6）长岗的土星原子模型

早年留学德国并到过曼彻斯特大学物理实验室参观过卢瑟福实验设备的日本物理学家长岗半太郎（H.Nagoaka，1865—1950），1903年在东京大学任物理教授时，在东京的物理和数学学会会议上宣读了一篇引人注目的论文，该文次年发表于《哲学杂志》上。他说，他从汤姆孙的原子结构设想与麦克斯韦的土星光环模型相结合的考虑中，以及从英国物理学家洛奇（O.L.Lodge，1851—1940）在一次讲演中提到卫星系统与原子内的电子排列有相似性中得到启发，只是他用电子之间的斥力和电子与原子中心的大质量粒子的相互吸引力取代万有引力，因为汤姆孙提出了原子内有电子的缘故。这样一来，他一方面采用了土星作为原子的模型，另一方面又用电力取代万有引力，形成了大量带电粒子绕中心处的大质量粒子旋转的原子结构。由于他模拟的是土星及其光环，而土星光环又是位于通过土星的平面上，所以长岗的原子结构模型是个平面结构，这一点值得注意。

长岗在他发表的这篇论文中说：“我要讨论的系统是以等角度的间隔在圆周上排列的和以与距离平方成反比的力相互排斥的大量粒子组成，在圆的中心上放有按同一力学定律吸引其他粒子的大质量粒子，这些相互排斥的粒子以几乎同样的速度绕吸引中心旋转。”从这段话可以看出，长岗说的是“圆中心”而不是球中心，所以他的原子模型像土星光环绕土星一样是平面的。如果他说的“大量粒子”是多环的电子，它们既然与圆心上的大质量粒子相互吸引，则“大质量粒子”必然带正电荷。他认为这个结构在一般情况下保持稳定，因为较小的扰动难以改变异性电体之间的较大的吸引力。

图1.4　长岗的土星原子模型

长岗提出这个原子结构的优点是与阴极射线和放射性的实验情况相符合。因为绝大部分的阴极射线都穿过材料的原子空间，只被吸收了很小的一部分，这可以说成是被大质量中心吸收掉或反射了的。放射性的产生可以用中心周围圆盘式的小粒子数过多和与中心距离较大来解释，因为这时吸引力很弱，容易因某种干扰而失去稳定性，不稳定的粒子是放射性出现的基本原因。他认为此模型的缺点在于无法解释当辐射到一定程度而失去能量或耗尽时，如果不能补充能量，则这个原子系统就将停止运转而处于死亡状态，所以他不得不把其中的小粒子系统是稳定的作为先决条件。

从原子模型的发展情况来看，长岗的原子结构模型与前面说的几种有了明显的进步，因为它提出了外围电子绕带正电的中心大粒子旋转运动的结构，与后来发现的原子有核结构相当接近，但是它的缺点是原子模型的平面结构而不是立体的，而且它是理论推理的产物，没有必要的实验基础，这两个致命的弱点决定了它将是短命的。

（7）尼科尔森的初始物质原子结构模型

尼科尔森（J.W.Nicholson，1881—1955）在1904年获得了剑桥大学数学荣誉学位，后来在卡文迪什实验室任职。由于他多年做汤姆孙的助手，对电子和葡萄干—布丁原子模型有较深的了解，并进一步对原子结构做了研究。1911年他设计了几种在元素周期表中没有列出的“初始物质”，这些初始物质或元素是由两个以上的电子绕带正电的核旋转的原子模型。同年8月，他在英国科学促进协会的年会上宣读了论文“化学元素结构理论”，该论文12月发表在《哲学杂志》上。由于他的原子结构模型和初始元素颇有新的见解，初看起来似乎是在汤姆孙的原子模型的基础上有新的发展，值得予以介绍。

尼科尔森认为，现在的元素周期表中的元素是在初始元素的基础上演化出来的。他根据经典电动力学原理得出，微观的原子内部结构只能是某些带电部分绕具有大的质量的其他带电部分沿轨道旋转所构成的，他说：“负电球必定绕正电球旋转，后者可以称为‘核’，整个系统的运动受电力的平方反比定律所控制”。他说初始物质或元素有四种，第一种初始物质有两个电子绕正电核旋转，第二种初始物质有三个电子绕相对应的核旋转，以此类推，第三种和第四种初始物质分别由四个和五个电子绕它们相对应的核旋转。他并未认为一个电子绕对应的核旋转而构成的原子为最初始的物质，原因在于如果没有其他的电子，就无法使电子的向心加速度或向心力得到平衡。按照他提出的原子结构公式来看，原子要保持它的中性的电性质，其内部的电子数应该为其原子量的2.5倍，这个数字与汤姆孙的另一个助手和后来获得诺贝尔奖的巴克拉（C.G.Barkla）得出的原子内电子数目应当为其元素原子量的一半接近。巴克拉的结论也说明，如果某元素的原子量为1，则它的原子内的核外电子数就应当是两个，显然这支持了尼克尔森的新想法。有一位名叫麦克科尔马赫（R.McCormmach）的科学家在后来说过，尼克尔森的原子具有确定的原子量和光谱频率，在这点上汤姆孙的原子就不能令人满意了。此外，以提出原子结构量子理论而著名的玻尔（Nils Bohr，1885—1962）曾经表示过，尼克尔森的原子结构并不稳定，为了解决这种不稳定性，他研究了原子的量子态和辐射的性质问题，导致他在1913年提出了原子内的核外电子具有定态轨道和电子在轨道间跃迁的假设，从而说明这个原子模型对于玻尔的原子结构量子论的产生有一定的启发作用。

图1.5　尼科尔森的第四种初始物质原子模型

尼克尔森的原子结构模型第一次明确提出原子内有“核”的说法，因为尽管勒纳德的原子模型中说原子中心上有“动力偶极子”和长岗原子模型中也有大质量的粒子，但是都没说它是“核”。卢瑟福的原子有核结构提出的时间比尼克尔森的原子模型要早6个月，公认卢瑟福的原子模型是周围的电子沿轨道绕带正电荷的原子核旋转，而卢瑟福又被认为是原子核的发现者，但是卢瑟福在1911年和1912年8月之前只说它是正电中心，从未称其为原子核，只是到1912年8月16日的论文中才改称为“原子核”。所以，这可以看成尼克尔森的一项功绩。但是，尼克尔森的原子模型却排除了只有一个电子的氢原子，并且认为元素周期表中的元素都是他的初始物质的产物，没有得到后来实验的证实，也很少得到科学家们的承认，因而产生的影响既不大也不持久，只是一种原子结构的设想而已。

（8）卢瑟福的原子有核结构模型

卢瑟福是汤姆孙改革剑桥大学研究生制度和建立面向国内外招收研究生制度后的第一批实验物理研究生，他直接参与了汤姆孙发现电子的工作，并且还设计和制作了实验用的阴极射线管和有关的仪器，一直被汤姆孙视为最得意的学生和卡文迪什实验室传统与学风的正统传人，他自然对汤姆孙的原子模型了解很深并在多年内给予支持和运用。从大量的事实看来，他是在用汤姆孙的原子模型说明后来的许多放射性实验所出现的现象一再发生意外和不符的情况下，才在该模型的基础上予以修改，提出了原子有核结构模型的。由于卢瑟福的原子有核结构模型与大量的实验事实符合并在理论上得到玻尔的原子结构量子论的合理解释，而终于取得了公认，成为科学界至今了解原子内部结构及解释各种物理和化学性质的基础，因而在科学发展史上取得了划时代的成就。由于卢瑟福的原子有核结构模型极其重要，下面将辟一节详细予以介绍和说明。

从上面介绍的几种比较科学的原子模型的提出和演变来看，都是以电子的发现和汤姆孙提出的初期原子结构设想为基础而发展出来的，一方面可以得出汤姆孙发现电子对于现代科学的出现与发展起了革命性的重大作用，另一方面也可以得出科学的原子模型从卡文迪什实验室的主任开始，以他的学生和后来成为他的继任者——新卡文迪什教授卢瑟福提出的原子有核结构模型告终。这个历史事实使国际科学界普遍认为原子物理是由汤姆孙开始并由卢瑟福奠定的。