梅子布丁模型

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原子的梅子布丁模型展示圖.在湯姆森的數學模型裏,帶負電荷的粒子(現在稱為電子)非隨機的分佈於幾個同心圓球面。

梅子布丁模型英语Plum pudding model,又称枣糕模型葡萄干蛋糕模型湯姆森模型等)是1904年約瑟夫·湯姆森提出的原子结构模型。

湯姆森模型[编辑]

1897年,約瑟夫·湯姆森突破性地從陰極射線中,發現了電子的存在。在這歷史性的大發現之後,他认识到原子的道爾頓模型是错误的,原子可以分割;原子有帶著負電荷的電子,可以從原子中移開。1904年,湯姆森设计了原子的梅子布丁模型。這模型是由許多電子(那時,湯姆森稱之為粒子。雖然喬治·斯托尼英语George Johnstone Stoney已建議稱呼帶負電荷的粒子為電子[1]。),電平衡地懸浮移動於帶正電荷的濃湯或雲球裏,就好像帶負電荷的梅子分佈於帶正電荷的布丁裏.這些粒子被認為分佈於幾個同心圓球面。

湯姆森的論文發表於哲學雜誌的1904年3月刊,那時候最權威的英國科學期刊。湯姆森闡明[2]

我們假定,在原子的內部,有幾個粒子,移動於一個正電荷均勻分佈的圓球.我們需要解答的問題是 (1) 原子的內部結構細節,也就是說,粒子怎樣擺設自己於圓球內? (2) 這結構會給予原子什麼樣的性質?

——約瑟夫·湯姆森,《Philosophical Magazine》,March 1904, p. 237-265

在湯姆森模型裏,自由的移動於正價的布丁或雲球之間的電子,為了要維持穩定平衡,會自動地移動於一個圓球面。這圓球面是一系列同心的圓球面中間的一個。假若,一個電子往外移動,離開圓球面,它會感覺到有一股力量將它往球心拉引,因為,在它所處的球面,內部會有更多量的正電荷(參閱高斯定律)。所以,它必定會穩定的移動於同一個圓球面。另外,電子與電子之間的排斥作用也提供了更多穩定效應。

每一個圓球面有其伴隨的能量。電子從一個圓球面往內躍遷至另一個圓球面,會釋放能量,因而會產生光譜。湯姆森嘗試將模型計算結果匹配幾個重要的譜線,可是並沒有得到顯著的成功。雖然如此,湯姆森模型(還有1904年長岡半太郎半太郎模型,一個從馬克士威的土星環穩定理論得到的點子[3] ,模擬土星環的原子模型。)預告了後來更成功的,太陽系統似的波耳模型

拉塞福模型[编辑]

1909年,在歐尼斯特·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。這就是著名的拉塞福散射[4]。假若梅子布丁模型是正確的,由於正電荷完全均勻地散開,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改變。

然而,他們得到的實驗結果与梅子布丁模型预测的结果不同,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改變(超過90°);而其它粒子都径直通過位勢,方向沒有任何改變。因此,汤姆森的梅子布丁模型被抛弃。

1911年,歐尼斯特·拉塞福發表了拉塞福模型[5],大多數的質量,都集中於一個很小的正價區域(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。

波耳模型[编辑]

1913年,尼爾斯·波耳發表了波耳模型。在原子內部,電子環繞著原子核作軌道運動,就像行星環繞著恒星作軌道運動。


參考文獻[编辑]

  1. ^ Stoney, G. Johnstone, Of the "Electron," or Atom of Electricity, Philosophical Magazine. October 1894, 38 (5): p. 418-420, Excerpt 
  2. ^ 湯姆森, 約瑟夫, On the Structure of the Atom: an Investigation of the Stability and Periods of Oscillation of a number of Corpuscles arranged at equal intervals around the Circumference of a Circle; with Application of the Results to the Theory of Atomic Structure, Philosophical Magazine. March 1904, 7 (6): p. 237-265, 摘錄 
  3. ^ James Clerk Maxwell on the nature of Saturn's rings. JOC/EFR. 2006.3 [2008-12-20]. 
  4. ^ Geiger, Hans; Marsden, Ernest, On a Diffuse Reflection of the α-Particles, Proceedings of the Royal Society. 1909, 82 (A): p. 495-500 
  5. ^ 拉塞福, 歐尼斯特. The Scattering of α and β Particles by Matter and the Structure of the Atom. Philosophical Magazine. May 1911, 21: p. 669–688.