拉塞福模型

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原子的拉塞福模型,經過美工處理後的示意圖

拉塞福模型,或太阳系模型,是物理大師歐尼斯特·拉塞福創立的原子模型。1909 年,拉塞福領導設計與發展成功的拉塞福散射,證實了原子核存在於原子中心處[1]。從此,拉塞福推翻了約瑟夫·湯姆孫主張的梅子布丁模型。拉塞福設計的新模型,根據他的實驗結果,擁有幾個重要的特色。大多數的質量和正電荷,都集中於一個很小的區域(原子核);電子則環繞在原子核的外面,像行星的環繞著太陽進行公轉

模型特色[编辑]

  • 在拉塞福散射裏,原子的電子雲不會影響阿爾法粒子散射運動。
  • 原子所有的正電荷,都集中於原子中心的很小區域內,稱為原子核。原子核的庫侖位勢造成了阿爾法粒子的散射。
  • 原子量大的原子(像原子),稱為重原子,其質量幾乎全部都聚集於原子核。實驗結果的分析,顯示出高速度阿爾法粒子的散射並沒有使原子核移動。與電子的動量相比,高速度阿爾法粒子擁有很大的動量,可是比較重原子又小了很多。這事實建議大多數原子的質量都聚集於原子核。

實驗證據[编辑]

拉塞福散射實驗使用阿爾法粒子來探測原子的結構。1909年,在恩師拉塞福的指導下,漢斯·蓋革歐內斯特·馬士登英语Ernest Marsden發射阿爾法粒子射束於很薄很薄,只有幾個原子厚度的金箔紙[2]。在那時代,原子被認為類比於梅子布丁(物理學家湯姆森提出的),負電荷(梅子)分散於正電荷的圓球(布丁)。假若這梅子布丁模型是正確的,由於正電荷完全散開,而不是集中於一個原子核,庫侖位勢的變化不會很大,通過這位勢的阿爾法粒子,其移動方向應該只會有小角度偏差。

然而,他們得到的實驗結果非常詭異,大約每 8000 個阿爾法粒子,就有一個粒子的移動方向會有很大角度的偏差(超過 90° );而其它粒子都直直地衝過金箔紙,沒有任何偏差。從這結果,拉塞福斷定,大多數的質量和正電荷,都集中於一個很小的區域(原子核);電子則包圍在區域的外面。當一個(正價)阿爾法粒子移動到非常接近原子核,它會被很強烈的排斥,以大角度反彈。原子核的小尺寸解釋了為什麼只有少數的阿爾法粒子被這樣排斥。從純屬對稱性和審美性的觀點,這個質量與電荷集中的區域,應該處於原子中心。

1911 年,拉塞福提出他自己的物理模型,詮釋這些突如其來的答案。原子,是由一個帶正電荷的中心區域(這就是現代的原子核,雖然拉塞福沒有想到這術語),和環繞在這區域外面的電子雲層,所構成的。

能量守恆定律,拉塞福推理,知道阿爾法粒子的速度,就可以知道阿爾法粒子的撞擊能夠達到與原子核的最小距離。稍加計算,他得到金原子的原子核半徑必小於 3.4\times 10^{ - 14}\ m\,\! (真實值只是這數值的五分之一)。金原子的半徑大約是 10^{ - 10}\ m\,\! 。這是一個令人驚訝的結果,所有的正電荷都聚集於原子中心一個很小區域,其半徑小於三千分之一原子半徑!

拉塞福模型並沒有給予電子的環繞運動任何結構。在拉塞福的 1911 年論文裏,他提到了長岡半太郎半太郎模型英语Hantaro Model,一個從馬克士威的土星環穩定理論得到的點子[3],建議電子的軌道就像土星環

拉塞福更進一步地建議原子中間的單位電荷數目可能與其原子量成比例(大約一半)。那時,金的原子量估計為 197 amu 。所以,拉塞福猜想單位電荷數目是 98 個單位電荷左右。這數子與金原子的原子序 79 (那個年代,在週期表的位置次序)相差甚遠,拉塞福並沒有正式地建議兩個數量可能完全一樣。

後續模型[编辑]

很快地,學者們發覺拉塞福模型,雖然擁有一些引人欣賞的性質,但也引起一個很嚴重的問題。由於環繞著原子核的電子,不斷地做加速度運動。根據電動力學的經典理論,加速度運動中的電子會發射輻射,同時失去能量,造成了原子的不穩定。為了挽救模型的主要性質,尼爾斯·波耳認為必須修改電子的軌域運動規則。因此,他發表了波耳模型。過了不久,拉塞福模型就被性質比較優秀的波耳模型取代了。這模型引用了一些早期量子力學的實驗結果來設定電子的物理行為,限制電子的軌道為平面的圓形軌道。擴展亨利·莫塞萊的成果,波耳認定原子核的單位電荷數目與原子序有直接的關係。由於波耳模型是拉塞福模型的改良,有些物理學書本將兩個模型合併,將波耳模型稱為拉塞福-波耳模型

這些二十世紀初期的發展,研究原子的物理結構,關鍵地開啟了現代的原子物理學量子力學

參閱[编辑]

參考文獻[编辑]

  1. ^ 拉塞福, 歐尼斯特, The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom, 21. May 1911:  p. 669-688 
  2. ^ Geiger, Hans; Marsden, Ernest, On a Diffuse Reflection of the α-Particles, Proceedings of the Royal Society. 1909, 82 (A): p. 495-500 
  3. ^ James Clerk Maxwell on the nature of Saturn's rings, JOC/EFR. 3 2006 [2008-12-20]