上個(gè)視頻我們說了，人們是怎樣一步一步地確認(rèn)原子的存在，雖然我們看不到原子本身，但19世紀(jì)末的物理學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室看到了原子產(chǎn)生的一系列變化。其中包括元素的放射性、元素的嬗變、電子的發(fā)現(xiàn)。

尤其是在1905年，愛因斯坦從理論的角度，也確認(rèn)了原子的存在，就是我們熟知的布朗運(yùn)動(dòng)。

既然已經(jīng)知道了原子的真實(shí)性，那么接下來的工作就是要構(gòu)建原子模型。

最先提出原子模型的人是電子的發(fā)現(xiàn)者——約翰·湯姆遜。

湯姆遜出生在曼徹斯特，父親的出版社經(jīng)常給大學(xué)印刷教材，家庭條件相當(dāng)不錯(cuò)，而且能夠經(jīng)常接觸到大學(xué)教授，以及各類的書籍。

耳濡目染，以及良好的教育使得湯姆遜，在14歲就考上了曼徹斯特大學(xué)，1876年，21歲的湯姆遜就被保送到了劍橋大學(xué)，1880年獲得博士學(xué)位，并留校任教。

1884年劍橋大學(xué)的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任瑞麗勛爵，在5年任期到了以后直接甩手不干了，瑞麗這個(gè)名字我們很熟悉，在解釋黑體輻射分布的時(shí)候，說到過瑞麗公式，還有我們?cè)诮忉屘炜諡槭裁词撬{(lán)色的時(shí)候，也經(jīng)常提到瑞麗散射。

瑞麗勛爵是第二任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的主任，第一任是麥克斯韋，瑞麗辭職以后，劍橋大學(xué)就開始物色新的物理系主任，先后找了開爾文勛爵，和德國的赫爾姆霍茲，這兩位加起來已經(jīng)快一百三十歲的人了，功成名就，所以都直接拒絕了邀請(qǐng)。

不過對(duì)于年輕人來說，這個(gè)職位做夢(mèng)都不敢想。不過在劍橋大學(xué)的湯姆遜看到了人生翻轉(zhuǎn)的機(jī)會(huì)，斗膽向?qū)W校提出申請(qǐng)，既然沒人干，那要不先讓我試一下，在瑞麗的支持下，28歲的湯姆遜成為了卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的第三任掌門人。

事實(shí)證明，湯姆遜是一個(gè)很好的領(lǐng)導(dǎo)者，在他的手下出了9位諾獎(jiǎng)獲得者，其中就包括歐納斯特·盧瑟福。

這位比他的老師更牛，在他的手下出了11位諾獎(jiǎng)諾獎(jiǎng)獲得者，堪稱諾貝爾獎(jiǎng)幼兒園。后面我們還會(huì)提到盧瑟福，他也是我們今天的主角。

1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)陰極射線其實(shí)就是電子，這一發(fā)現(xiàn)讓他獲得了1906年的諾貝爾獎(jiǎng)，在發(fā)現(xiàn)電子以后，湯姆遜認(rèn)為電子是原子的組成部分，且原子成電中性，那么原子中肯定有帶正電的部分。

在沒有實(shí)驗(yàn)證據(jù)的情況下，1903年湯姆遜純靠想象提出了自己的原子模型，史稱“葡萄干布丁”模型。

他勾勒出了這樣一個(gè)圖景，原子呈球形，電子以同心圓的方式鑲嵌在正電荷云里，整個(gè)結(jié)構(gòu)看起來就像一塊布丁里面鑲嵌著葡萄干一樣。

而且湯姆遜也說不清楚，一種元素的原子里，有多少個(gè)電子，只是給出了一個(gè)大致的數(shù)量范圍。

比如原子重量為1的氫原子，可能只有一個(gè)電子，原子重量為4的氦原子，電子數(shù)量可能是兩個(gè)，也可能是3個(gè)或者4個(gè)，說不清楚。

主要原因是，這時(shí)人們并不知道元素周期表的元素順序，其實(shí)是按照原子核的正電荷數(shù)來排列的，當(dāng)然也不知原子核里面的正電荷數(shù)是多少，所以湯姆遜并不清楚一個(gè)原子里應(yīng)該有幾個(gè)電子。

當(dāng)時(shí)人們對(duì)元素順序的排列依靠的指標(biāo)是原子的重量，也就是原子量。

比如氫原子的原子量是1，它排在了第一位，接下來原子量最小的元素是氦，它的原子量是4，排在了第二位，第三位原子量是6，也就是鋰元素，排在了第三位。

可以看出，當(dāng)時(shí)人們對(duì)元素周期表的認(rèn)識(shí)有很大的局限性，并沒有弄清楚最基本的排列規(guī)律，尤其是1907年的時(shí)候，人們發(fā)現(xiàn)了同位素以后，以原子量排列的元素周期表變的混亂不堪。

這個(gè)問題要到1910年的時(shí)候，波爾才第一次給出了正確的答案。我們?cè)谥v到波爾的時(shí)候，會(huì)詳細(xì)說，這里就暫時(shí)略過。

很明顯湯姆遜提出的原子模型，跟實(shí)際的情況偏差很大，不過當(dāng)時(shí)也沒有人知道原子的結(jié)構(gòu)，既然湯姆遜提出了模型，那么我們就做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證一下。

做這個(gè)實(shí)驗(yàn)的人正是湯姆遜的學(xué)生盧瑟福。

盧瑟福1871年生于新西蘭的一個(gè)鄉(xiāng)村，比愛因斯坦大了8歲，比波爾大了14歲，父親是亞麻紡織廠的工人，母親是小學(xué)教師，家里有12個(gè)孩子，盧瑟福排行老四，一家人擠在一個(gè)簡陋的木屋中，生活非常艱辛。

盧瑟福的求學(xué)生涯一路走來，靠的都是獎(jiǎng)學(xué)金，1895年盧瑟福來到了劍橋大學(xué)，在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室給湯姆遜打下手。

正巧這一年倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線，引起了巨大的轟動(dòng)，喜歡研究原子現(xiàn)象的湯姆遜就對(duì)這種鬼氣陰森X射線產(chǎn)生了極大的興趣。

他給盧瑟福的研究課題是測量X射線通過氣體時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)，確認(rèn)了X射線可以電離氣體，在接下來的兩年中，盧瑟福發(fā)表了4篇關(guān)于X射線的論文，獲得了博士學(xué)位，也讓盧瑟福在科學(xué)界嶄露頭角。

上個(gè)視頻我們還提到過，盧瑟福通過研究各種射線的穿透性，將貝克勒爾射線分為了α射線和β射線，將杰拉德·施密特發(fā)現(xiàn)的放射性輻射命名為γ射線。

后來人們也證實(shí)了，X射線、伽馬射線就是電磁波，β射線是電子，α射線是氦原子核。

有了這些成就以后，盧瑟福已經(jīng)成為了當(dāng)時(shí)放射性研究的先鋒人物，繼續(xù)給湯姆遜當(dāng)助手就有點(diǎn)太屈才了，盧瑟福已經(jīng)具備了獨(dú)立開展科研工作的能力。

1898年4月，加拿大蒙特利爾的麥吉爾大學(xué)正在招聘全職教授，湯姆遜為盧瑟福寫了一封熱情洋溢的推薦信，9月底，27歲的盧瑟福抵達(dá)蒙特利爾，在這里待了九年的時(shí)間。

1901年盧瑟福和25歲的化學(xué)家索迪發(fā)現(xiàn)了元素的嬗變，這一成就讓他獲得了1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

1905年，在蒙特利爾的時(shí)候，盧瑟福就用α粒子轟擊過云母薄片，發(fā)現(xiàn)了α粒子的軌跡發(fā)生了偏移，雖然沒有深入的研究，但盧瑟福把這一現(xiàn)象一直記在心里。

1907年5月，盧瑟福來到曼徹斯特大學(xué)擔(dān)任全職教授，首要的研究課題就是α粒子的散射現(xiàn)象。

盧瑟福設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單的實(shí)驗(yàn)，用α粒子轟擊金箔，觀察α粒子通過金箔以后的軌跡變化，這種實(shí)驗(yàn)需要在全黑的環(huán)境下進(jìn)行，才能看到α粒子穿過金箔以后，在屏幕上留下的微弱閃光。

而且需要在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)不斷地用α粒子轟擊金箔，盧瑟福把這項(xiàng)艱苦的任務(wù)交給了新的助手漢斯·蓋革；

后來又來了一位研究生馬斯登，也參與到了這項(xiàng)研究中，他們發(fā)現(xiàn)大部分的α粒子可以沿著直線軌跡穿過金箔，有一部分α粒子會(huì)發(fā)生小角度的偏轉(zhuǎn)，有一小部分的α粒子會(huì)發(fā)生大角度的偏轉(zhuǎn)，有極個(gè)別的α粒子會(huì)直接被反彈回來。

1909年6月，蓋革和馬斯登把這一實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果發(fā)表了出來，盧瑟福在論文中沒有對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果做任何評(píng)論。

因?yàn)檫@樣的結(jié)果，讓盧瑟福大惑不解，在盧瑟?？磥?，α粒子直接被反彈回來，就像是用一顆38厘米的炮彈，轟擊一張紙，炮彈卻返回來打到了自己，簡直不可思議。

按照他的老師湯姆遜提出的原子模型，只要有一個(gè)α粒子能夠順利地穿過金箔，那么所有的α粒子都應(yīng)該能夠穿過，不存在直接被反彈回來的情況。

盧瑟福大膽地放棄了湯姆遜的原子模型，在1910年12月提出了自己的原子模型，史稱“行星原子模型”。

他構(gòu)想出了這樣一個(gè)圖景：盧瑟福相信在原子的中心，有一個(gè)承載了原子全部質(zhì)量、且?guī)д姷脑雍?，但原子核的大小只有原子?/10萬，一般來說原子的尺寸在10^-8厘米，原子核的尺寸在10^-13厘米，

比方說，如果原子核的大小是一個(gè)針尖，那么電子就在100米開外像行星繞太陽一樣，繞著原子核運(yùn)行。這樣的原子模型符合α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，那些極個(gè)別被反彈回來的α粒子是因?yàn)橐活^撞在了原子核上。

盧瑟福本人是一個(gè)非常典型的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他不喜歡沒有依據(jù)的猜測，當(dāng)然他也不喜歡理論物理學(xué)家的研究風(fēng)格，開局靠假設(shè)，過程全靠猜。

所以盧瑟福并沒有急于發(fā)表自己的原子模型，而是提出了一個(gè)數(shù)學(xué)公式，這個(gè)數(shù)學(xué)公式可以于預(yù)測在特定的偏轉(zhuǎn)角度上，有多少α粒子會(huì)被偏轉(zhuǎn)出來。

蓋革通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，α粒子被散射后的分布情況和盧瑟福預(yù)測的完全一致。

這時(shí)盧瑟福才放心大膽地在1911年宣布了他的原子模型。相信大家可以看出來，盧瑟福的原子模型相比于湯姆遜的原子模型有了很大的進(jìn)步，更加接近真實(shí)情況，但同樣的問題是，盧瑟福也說不清楚原子中電子的數(shù)量，也說不清電子在核外是怎樣分布的。

而且盧瑟福原子模型還面臨了一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，電子像行星一樣在核外繞著原子核運(yùn)行，牛頓力學(xué)告訴我們圓周運(yùn)動(dòng)是加速運(yùn)動(dòng)，麥克斯韋電磁理論告訴我們，加速運(yùn)動(dòng)的電子會(huì)釋放出電磁輻射，不斷地?fù)p耗能量。

這樣一來，電子就會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)掉入原子核，整個(gè)原子會(huì)徹底崩潰，而客觀世界的存在，就強(qiáng)有力地說明了，盧瑟福原子模型存在不穩(wěn)定的問題。

這個(gè)問題是在1913年，被波爾解決的，這時(shí)的波爾還是盧瑟福的學(xué)生。接下來的幾個(gè)視頻，我會(huì)詳細(xì)地講波爾是如何構(gòu)建量子化的原子模型。

下面我們?cè)诤唵蔚卣f下，不為大家熟悉的長岡模型，在盧瑟福公布了自己的原子模型以后，他收到了來自日本的一封信，寫這封信的人是長岡半太郎。

信中說，在5年前，我已經(jīng)提出了和你的原子模型相像的原子模型，我的叫土星模型。盧瑟福承認(rèn)，他的原子模型和長岡半太郎的有相似的地方，但是有本質(zhì)的區(qū)別。

在長岡半太郎的土星模型中，原子核像土星一樣巨大，占據(jù)了原子絕大部分的空間，電子像土星的衛(wèi)星一樣，繞著土星運(yùn)行。

很明顯，長岡半太郎的模型很可能是猜出來，如果他跟盧瑟福一樣做了α粒子的散射實(shí)驗(yàn)，就不會(huì)提出原子核像土星一樣巨大。

所以一般情況下，我們很少會(huì)提到長岡模型。

好了，今天的視頻就到這里，下個(gè)視頻的主人公就要輪到波爾登場了，他和普朗克、愛因斯坦被稱為舊量子論的三大巨頭，在波爾的手里舊量子論也將達(dá)到頂峰，接下來將是年輕小伙們的天下。

股民技術(shù)：K線入門圖解

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