卢瑟福原子模型的提出方式

卢瑟福（E.Rutherford，1871—1937）的祖籍是苏格兰，他的祖父带领全家移民到英国的殖民地新西兰，在那里务农和从事手工业。卢瑟福生性朴实、诚恳、爽直并富有才智，他在新西兰读了小学和中学之后，进入坎特伯雷学院读物理，并在毕业后留校继续研究无线电通信。1895年，汤姆孙在卡文迪什实验室改革传统的和烦琐的研究生制度。卢瑟福有幸被录取，带着他的仪器来到了剑桥大学。年仅38岁的汤姆孙思想开放、学风民主，学生们思想十分活跃，甚至敢大胆批评教授的看法。卢瑟福的才智在这里得到了发挥，并且积极地学习，在不到一年的时间里，他使无线电收发的距离达到3.3公里，而且登上皇家学会的崇高殿堂讲解和表演自己的实验，甚至将论文发表在皇家学会的刊物上，这在英国大学的历史上是少见的。卢瑟福等学生的成绩轰动了剑桥，各个学院纷纷以卡文迪什实验室为榜样，改革旧的研究生制度。三年后，研究生的招生范围扩大到了全世界，法国著名的物理学家郎之万（P.Langevin）就是来自非殖民地的第一位研究生。卢瑟福以他熟练的电磁实验技术帮助汤姆孙制作发现电子的仪器，使这位不善于动手和实验能力不强的教授如虎添翼，终于在1897年发现了电子。

卢瑟福在1898年毕业后，汤姆孙推荐他到加拿大蒙特利尔的麦克吉尔大学任物理教授，他在那里与助手索迪一起，不但发现了放射性元素自发衰变现象，而且发现了它们的半衰期各自是恒定的，与外界条件无关，因而发现了放射性元素衰变家族图谱和放射性元素衰变的定律。他是原子能的第一个提出者和原子破裂的第一个发现者，而且还发现了根据放射性元素含量和半衰期计算矿石、地球和太阳年纪的方法。今天，人们所知的地球存在了45亿年和太阳存在了近50亿年就是他首先计算出来的。由于这些重大贡献，他在1908年获得了诺贝尔化学奖，他在获得诺贝尔奖的讲话中说，世界上的事物变化是很快的，而今天我感到变化最快的是我由一位物理学家变成为化学家。

图1.6　卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）

1907年，他到英国的曼彻斯特大学任实验物理教授，他在曼彻斯特大学物理系建立了一个放射性研究中心，世界各地的很多优秀青年物理学家慕名云集到他的门下，他用汤姆孙的办学方法，使这些青年人思想极其活跃，他们为了做出新的科学发现而齐心协力。这个研究中心培养出很多人才，获得了许多举世瞩目的成果，其中最主要的就是发现和证实了原子核的存在并提出了原子有核模型。

（1）一个意外发现的新奇现象

1907年12月，卢瑟福在曼彻斯特大学刚刚搭起自己的放射性实验班子之后，他就着手用他发现的铀放出的α、β和γ射线作为手段来打击重元素的原子，因为他在加拿大时就知道，放射性元素放射的辐射中α射线的能量占总放射能量的99%，用它做子弹轰击元素的原子不但能将某些原子打破，而且或许从它打入原子后走过的径迹能够对原子的结构情况有真实的了解。1908年1月，他与助手盖革（H.Geiger）用自己设计的计数器数出原子的个数，这是人类历史上第一次用实验发现的单个原子，因为他们已经证实α粒子就是带两个正电荷的氦离子。随后，他让盖革和研究生马斯顿（E.Marsden）用α粒子轰击金的原子，看看会发生什么情况。当马斯顿做实验后，竟发现α粒子打到金的原子上后被弹回来，散射的角度大于90°。按他的预计α粒子应当穿过原子而呈直线或稍有弯曲地前进，于是他惊慌了，跑去向教授报告，卢瑟福到荧光屏上看了后也很惊奇，并且说这有些像炮手将一颗炮弹射到纸上而由于某种原因又被弹射回来一样。实验的情况如图1.7所示，α粒子从P射向原子O，被沿曲线弹向P′，反射角有时等于甚至大于90°，呈漫散射现象。实验过后，盖革和马斯顿继续做他们原来的工作，而感到这点小事没有什么。但是，经验丰富和富于深邃洞察力的卢瑟福却感到这个反常现象的背后一定大有文章，他不声不响地思考下去，而让他们两个人把这个实验整理一下，写成实验报告准备发表。这就是十分著名的“α粒子被金原子大角散射的现象”的发现。

图1.7　α粒子被金原子大角散射的径迹

卢瑟福的思考延续了一年多。这位一向以实验准确、从不放过一件反常情况的科学家，从不讲空话并且没有准确的把握绝不声张和发表任何言论，治学极其严谨。他的很多助手和学生甚至感到事情已经过去了，却不知道他们教授的头脑中正在酝酿着一件大事。

（2）审视和批评汤姆孙的原子模型

汤姆孙对于用他的原子模型说明α粒子被金原子大角散射的现象，提出了“小角复合散射理论”，这就是α粒子打到原子内的很多电子上，电子虽然体积和质量小，但是由于一个个电子对它散射的小角叠加起来就构成了大角散射。他的学生和助手克洛瑟（J.A.Crowther）立即用铝和铂材料对β粒子做散射实验，因为β粒子是电子，而铝和铂的原子比β粒子自然要大得多，在1910年6月发表了一篇论文，说明散射的几率（可理解为机会）与材料的厚度呈曲线关系，因为材料厚了，β粒子就要穿透更多的原子，逐次被散射，自然复合成的散射角就大了。所以，他得出结论：汤姆孙模型预示的曲线形状与实验得出的很符合，也就是说汤姆孙的原子模型被他的实验证明是正确的。不少科学家在当时误以为真，说这是对汤姆孙原子模型的一次“判决实验”，判定它是正确的。果真如此，汤姆孙设想的原子结构就是真实的，大家不必再研究，相信它就是了。但是，汤姆孙的两个老学生布拉格（W.H.Bragg，1862—1942）和卢瑟福根据他们的实验和了解，却认为克洛瑟的实验和结论有问题。卢瑟福认为克洛瑟的实验只是一种偶然的符合，当大角散射时这条曲线的开始部分应当是接近于直线而不是克洛瑟说的曲线，因而不能说是符合和证实了汤姆孙的原子模型。布拉格在1884年之后曾经在卡文迪什实验室做过汤姆孙的助手，不久之后到澳大利亚做物理教授，1908年到英国的里兹大学任物理教授，在1915年获得了诺贝尔物理奖。他在1911年1月从里兹写信给克洛瑟，批评后者的实验有问题。卢瑟福在2月又写信给布拉格说，他对克洛瑟的实验和曲线，越考虑越感到他在凑合汤姆孙的理论，两天后他又在信中说：“我完全肯定曲线的开始部分是编造的，这是克洛瑟的科学想象”。由此可见，汤姆孙三个时期的助手和学生对于他们老师的原子模型的看法发生了争论，而他的两位老助手却治学更加严谨，在怀疑他的原子模型及其对大角散射现象解释的正确性。卢瑟福甚至认为，汤姆孙原子模型假设正电均匀分布在原子球体中是出于数学上的考虑，也就是原子内正电和负电应当相当和平衡，而不是实验得出的，因而是靠不住的。据了解，后几年内汤姆孙仍坚持自己的原子模型，甚至在卢瑟福发现原子核之后不长时间内仍未承认自己的模型是不正确的，不过后来他还是接受了事实。

从上述历史情况人们不难看出，卢瑟福根据自己多年的研究和实验对汤姆孙的原子模型不但产生了怀疑，而且提出了批评，特别是不同意正电球体的假设，因为它既是空洞的和没有物质的载体，又没有起码的事实根据，纯粹是数学推理的需要。后来的事实证明，汤姆孙的原子模型中的电子按环或轨道分布是正确的，关键性的错误就是正电球体假设，卢瑟福就是看准了这个要害，予以批评和纠正，才提出了原子有核模型，他的根据就是大角散射实验。(www.xing528.com)

由上述过程可以看出，科学上确实是需要假设和模型的，但是它们的正确与否不是主观臆断和由愿望决定的，决定的因素只能是实验，只有科学实验才是检验真理的唯一标准。此外，做学问不能为了讨好哪个人和只顾人际关系而不顾事实，因为只有事实才是做学问的最可靠的依据，克洛瑟的教训值得人们特别是青年人引以为戒。

（3）原子有核模型是怎样提出的

从发现金原子对α粒子产生大角散射以后，卢瑟福就一直在考虑大角散射是否能够对原子结构的有新的启示和线索。在他批评克洛瑟的实验曲线时，他心里已经有了一些眉目，否则他怎么敢批评他的老师的看法呢？他的想法得到布拉格的支持，而布拉格在那时正在研究放射性，又是他的师兄，自然增加了他的信心。

按照卢瑟福的想法，原子内存在一个强的电场，越靠近中心电场越强，这是实验迹象反映出来的，α粒子被以大的角度散射回来，说明原子内除去能让大部分α粒子通过的空间之外，一定在原子内某处（很可能是中央）存在一个较大质量的粒子，因为质量为α粒子质量的1/6400的一些电子是不可能将如此重而大的α粒子弹回来的。到了1910年12月上旬，原子由中心的带强电场的大质量粒子及其周围环绕着沿轨道旋转的电子的想法已经初步形成，不过在那时他还不敢贸然推翻他的老师汤姆孙的原子模型，而仍保持正电体假设，只不过为了解释原子内的静电平衡，他只有假设原子中心是个带正电的大质量粒子。但是，在1911年初春，他怎么也找不出正电球体到底是怎么一回事，因为电荷总是由粒子携带的，他既然根本否定了以太的存在，则一个空虚的空间怎么会带电荷呢？这是没有科学根据的，但是他又搞不清原子中心处的电性究竟是正的还是负的。所以，他于1911年3月7日在曼彻斯特文学和哲学联合会的会议上宣读的《α和β射线的散射和原子结构》的论文中首次宣布了原子有核结构，却未说原子中心的电荷的性质。他说：“大角散射的主要结果与中心电荷是正还是负无关，尚不可能解决这个符号问题。”到了4月20日以后，他经过进一步的实验和考虑基本上确定中心电荷是正的，这既表现在他给几位国内外朋友的信中，又表现在他于5月初发表在《α和β粒子被物质散射和原子结构》论文中。在这篇正式宣布他的原子有核结构模型的文章中，他分析了汤姆孙的小角复合散射说法和克洛瑟的实验结果，并与他的大角散射理论对比，提出原子内电子对α粒子的复合散射角度是很小的，起主要作用的是中心电荷，也就是后来所说的原子核。他写道：“α和β粒子的单大角偏转主要是由于它们通过中心的强电场所致……具体地说，就是考虑高速α粒子通过了一个有着Ne的正电中心电荷并被N个电子补偿的电荷所包围的原子。”他说的Ne的正电中心电荷，就是带与N个电子的总电荷Ne（e为电子电荷或单位电荷）相等的带正电的原子核。所以，这时他肯定了原子核带正电，其正电量与包围原子核的N个电子的总负电量相等。因此，我们可以说卢瑟福的原子有核模型就是原子由包围原子核的许多沿轨道旋转的电子绕一个带相反的正电量的原子核运行所组成。

图1.8　卢瑟福的氩原子有核结构模型

在这篇文章中，卢瑟福还提出了用原子有核结构说明大角散射的数学公式，这个公式是关于α粒子被大角散射的程度与散射角、材料厚度、材料的原子量和α粒子入射速度间的关系式，由他的助手盖革和学生马斯顿通过仔细的实验一一予以证实，从而基本上确定了公式的正确性并证明了他的原子模型是正确的，这个模型在后来又由几位科学家从不同的角度和用新的方法所一再证实。

（4）原子有核结构的发现是怎样得到广泛承认的

在科学史上，一个新的发现特别是重要的发现往往在出现时不被人们所重视，还可能遭到多年的误解甚至反对，只是经过一再被证实和发现它们有广泛而重要的用途和意义之后，才引起普遍的重视和高度评价，而名垂千古。例如，牛顿在1684年发现了万有引力定律，在几年内未引起人们重视，到17世纪90年代连他所在的剑桥大学都不讲授它，倒是别的大学先讲授，慢慢讲得多了才引起剑桥科学家的重视。宗教界、学者中的教廷卫士和欧洲大陆的很多科学家百般攻击，使牛顿在17世纪90年代患了神经病。爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）提出狭义相对论的论文，在当时德国被轻视，人们认为它没有什么新东西，直到量子理论的提出者普朗克（M.Planck，1858—1947）看到后给予支持才得以发表，而爱因斯坦本人从来没有因为提出狭义相对论和广义相对论而获得诺贝尔奖，他获得诺贝尔奖主要是由于他在光电效应方面的工作。卢瑟福发现原子核和提出原子有核结构模型在后来被认为是极其重要的，原子核的发现堪称至今关于原子内粒子中最重大的发现，他的原子模型几乎变革了19世纪所有学科的基础，被认为是划时代的，但是他的论文发表后几乎未引起什么反响，只有他在曼彻斯特大学的实验室中所有的青年学者日夜为它的证实和应用紧张地工作着。这也许是在那时一大批相关重要发现出自他的实验室的原因，这些发现包括：原子序数、元素光谱谱线与化学元素周期性的关系、同位素、元素在周期表中的位移定律、元素化学性质由核外电子数决定和人工打破原子核等等。

卢瑟福的原子有核结构由于他当时的助手玻尔在1913年提出原子结构量子论获得国际上的极大关注，才为世人所重视，并被称为“卢瑟福—玻尔原子模型”。玻尔是丹麦的青年理论物理学家，被认为是20世纪最大的理论物理学家之一，他因为提出了原子结构量子理论、在创立量子力学中所起的组织作用和作为哥本哈根学派的首领而十分著名。他自己认为，他在1912年3月—7月在卢瑟福的实验室的4个月决定了他一生的道路，因为他在那里刚好赶上原子有核结构模型的提出和验证，他试图将普朗克的量子理论与卢瑟福的原子有核结构相结合，得到卢瑟福的支持和大力帮助，他的很多想法是与卢瑟福商讨后才定下来的，而且他的有关论文也是经卢瑟福修改和推荐而发表，才结出硕果的。1912年正是英国皇家学会成立250周年之际，而该学会是在1660年的私人民间科学组织基础上发展起来的，到成立花了两年时间。卢瑟福的原子有核结构模型是在1911年提出和1913年由玻尔的原子结构量子理论所合理地解释的，也隔了两年。两种情况的偶然巧合，也使英国不少科学家很感兴趣，因此“卢瑟福—玻尔原子模型”的说法也就广泛传开来，不但使卢瑟福的原子有核结构广为人知，而且普遍认识到它的重要意义。