Ⅰ 科學家湯姆生、盧瑟福、玻爾、道爾頓關於原子理論（觀點）研究獲得的具體途徑或方法。
湯姆生的"葡萄乾布丁"模型,他認為原子是一個均勻的球體,質子均勻分布其中,而電子就象葡萄乾一樣鑲嵌在其中.他好象通過測定電子的質荷比來提出這個模型的~.(http://www.cnysgz.com:801/ygjy/ygwl/Print.asp?ArticleID=2581 這個是湯姆生的方法的介紹)
盧瑟福,他的模型是"太陽系軌道"模型,他認為原子象太陽系,原子核集中大部分質量和正電荷,而電子象行星一樣在外圍轉動,他是通過阿爾法散射實驗來提出這個模型的,這個實驗高中的原子物理有介紹.
玻爾,是盧瑟福的學生,他的模型和盧瑟福大體相仿,不同的是電子運動的軌道是有限的,電子只能在這些軌道上"躍遷",而躍遷就是吸收和放出能量的過程.他是通過研究氫原子的光譜(巴爾末公式),而這個研究過程在高中原子物理學中也有介紹,可以參看相關的書籍.
道爾頓的原子模型就非常簡單了,他認為原子是不可再分的實心球體.
下面還有相關介紹,看亦可,不看亦可.
原子研究發展史
BC400年希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。
1803年道爾頓提出原子說。
1833年法拉第提出電解定律,此暗示原子帶電,且電可能以不連續的粒子存在。
1874年司通內建議電解過程被交換的粒子叫做「電子」。
1879年克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。
1886年哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。
1897年湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588 × 108 庫侖 / 克
1909年米立坎的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了「電子是粒子」的概念。
1911年拉塞福的α粒子散射實驗,發現原子有核,且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔，發現大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少數成大角度偏折，甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。
1913年莫士勒從 X 一射線光譜波長的關系,建立原子序概念。
1913年湯姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。
1919年拉塞褔發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子 接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論「質子」為元素之原子核共有成分。
1932年查兌克發現中子。其利用α粒子撞擊鈹原子核
1935年湯川秀樹發現介子理論，這種介子使原子核穩定。
1897年，J.J.湯姆遜在研究陰極射線的時候，發現了原子中電子的存在。這打破了從古希臘人那裡流傳下來的「原子不可分割」的理念，明確地向人們展示：原子是可以繼續分割的，它有著自己的內部結構。那麼，這個結構是怎麼樣的呢？湯姆遜那時完全缺乏實驗證據，他於是展開自己的想像，勾勒出這樣的圖景：原子呈球狀，帶正電荷。而帶負電荷的電子則一粒粒地「鑲嵌」在這個圓球上。這樣的一幅畫面，也就是史稱的「葡萄乾布丁」模型，電子就像布丁上的葡萄乾一樣。
但是，1910年，盧瑟福和學生們在他的實驗室里進行了一次名留青史的實驗。他們用α粒子（帶正電的氦核）來轟擊一張極薄的金箔，想通過散射來確認那個「葡萄乾布丁」的大小和性質。但是，極為不可思議的情況出現了：有少數α粒子的散射角度是如此之大，以致超過90度。對於這個情況，盧瑟福自己描述得非常形象：「這就像你用十五英寸的炮彈向一張紙轟擊，結果這炮彈卻被反彈了回來，反而擊中了你自己一樣」。
盧瑟福發揚了亞里士多德前輩「吾愛吾師，但吾更愛真理」的優良品格，決定修改湯姆遜的葡萄乾布丁模型。他認識到，α粒子被反彈回來，必定是因為它們和金箔原子中某種極為堅硬密實的核心發生了碰撞。這個核心應該是帶正電，而且集中了原子的大部分質量。但是，從α粒子只有很少一部分出現大角度散射這一情況來看，那核心占據的地方是很小的，不到原子半徑的萬分之一。
於是，盧瑟福在次年（1911）發表了他的這個新模型。在他描述的原子圖象中，有一個占據了絕大部分質量的「原子核」在原子的中心。而在這原子核的四周，帶負電的電子則沿著特定的軌道繞著它運行。這很像一個行星系統（比如太陽系），所以這個模型被理所當然地稱為「行星系統」模型。在這里，原子核就像是我們的太陽，而電子則是圍繞太陽運行的行星們。
但是，這個看來完美的模型卻有著自身難以克服的嚴重困難。因為物理學家們很快就指出，帶負電的電子繞著帶正電的原子核運轉，這個體系是不穩定的。兩者之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量。作為代價，它便不得不逐漸縮小運行半徑，直到最終「墜毀」在原子核上為止，整個過程用時不過一眨眼的工夫。換句話說，就算世界如同盧瑟福描述的那樣，也會在轉瞬之間因為原子自身的坍縮而毀於一旦。原子核和電子將不可避免地放出輻射並互相中和，然後把盧瑟福和他的實驗室，乃至整個英格蘭，整個地球，整個宇宙都變成一團混沌。
不過，當然了，雖然理論家們發出如此陰森恐怖的預言，太陽仍然每天按時升起，大家都活得好好的。電子依然快樂地圍繞原子打轉，沒有一點失去能量的預兆。而丹麥的年輕人尼爾斯.玻爾照樣安安全全地抵達了曼徹斯特，並開始譜寫物理史上屬於他的華彩篇章。
玻爾沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這一理論，畢竟它有著α粒子散射實驗的強力支持。相反，玻爾對電磁理論能否作用於原子這一人們從未涉足過的層面，倒是抱有相當的懷疑成分。曼徹斯特的生活顯然要比劍橋令玻爾舒心許多，雖然他和盧瑟福兩個人的性格是如此不同，後者是個急性子，永遠精力旺盛，而他玻爾則像個害羞的大男孩，說一句話都顯得口齒不清。但他們顯然是絕妙的一個團隊，玻爾的天才在盧瑟福這個老闆的領導下被充分地激發出來，很快就在歷史上激起壯觀的波瀾。
1912年7月，玻爾完成了他在原子結構方面的第一篇論文，歷史學家們後來常常把它稱作「曼徹斯特備忘錄」。玻爾在其中已經開始試圖把量子的概念結合到盧瑟福模型中去，以解決經典電磁力學所無法解釋的難題。但是，一切都只不過是剛剛開始而已，在那片還沒有前人涉足的處女地上，玻爾只能一步步地摸索前進。沒有人告訴他方向應該在哪裡，而他的動力也不過是對於盧瑟福模型的堅信和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當時對原子光譜的問題一無所知，當然也看不到它後來對於原子研究的決定性意義，不過，革命的方向已經確定，已經沒有什麼能夠改變數子論即將嶄露頭角這個事實了。
在濃雲密布的天空中，出現了一線微光。雖然後來證明，那隻是一顆流星，但是這光芒無疑給已經僵硬而老化的物理世界注入了一種新的生機，一種有著新鮮氣息和希望的活力。這光芒點燃了人們手中的火炬，引導他們去尋找真正的永恆的光明。
終於，7月24日，玻爾完成了他在英國的學習，動身返回祖國丹麥。在那裡，他可愛的未婚妻瑪格麗特正在焦急地等待著他，而物理學的未來也即將要向他敞開心扉。在臨走前，玻爾把他的論文交給盧瑟福過目，並得到了熱切的鼓勵。只是，盧瑟福有沒有想到，這個青年將在怎樣的一個程度上，改變人們對世界的終極看法呢？
是的，是的，時機已到。偉大的三部曲即將問世，而真正屬於量子的時代，也終於到來。
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飯後閑話：諾貝爾獎得主的幼兒園
盧瑟福本人是一位偉大的物理學家，這是無需置疑的。但他同時更是一位偉大的物理導師，他以敏銳的眼光去發現人們的天才，又以偉大的人格去關懷他們，把他們的潛力挖掘出來。在盧瑟福身邊的那些助手和學生們，後來絕大多數都出落得非常出色，其中更包括了為數眾多的科學大師們。
我們熟悉的尼爾斯.玻爾，20世紀最偉大的物理學家之一，1922年諾貝爾物理獎得主，量子論的奠基人和象徵。在曼徹斯特跟隨過盧瑟福。
保羅.狄拉克（Paul Dirac），量子論的創始人之一，同樣偉大的科學家，1933年諾貝爾物理獎得主。他的主要成就都是在劍橋卡文迪許實驗室做出的（那時盧瑟福接替了J.J.湯姆遜成為這個實驗室的主任）。狄拉克獲獎的時候才31歲，他對盧瑟福說他不想領這個獎，因為他討厭在公眾中的名聲。盧瑟福勸道，如果不領獎的話，那麼這個名聲可就更響了。
中子的發現者，詹姆斯.查德威克（James Chadwick）在曼徹斯特花了兩年時間在盧瑟福的實驗室里。他於1935年獲得諾貝爾物理獎。
布萊克特（Patrick M. S. Blackett）在一次大戰後辭去了海軍上尉的職務，進入劍橋跟隨盧瑟福學習物理。他後來改進了威爾遜雲室，並在宇宙線和核物理方面作出了巨大的貢獻，為此獲得了1948年的諾貝爾物理獎。
1932年，沃爾頓（E.T.S Walton）和考克勞夫特（John Cockcroft）在盧瑟福的卡文迪許實驗室里建造了強大的加速器，並以此來研究原子核的內部結構。這兩位盧瑟福的弟子在1951年分享了諾貝爾物理獎金。
這個名單可以繼續開下去，一直到長得令人無法忍受為止：英國人索迪（Frederick Soddy），1921年諾貝爾化學獎。瑞典人赫維西（Georg von Hevesy），1943年諾貝爾化學獎。德國人哈恩（Otto Hahn），1944年諾貝爾化學獎。英國人鮑威爾（Cecil Frank Powell），1950年諾貝爾物理獎。美國人貝特（Hans Bethe），1967年諾貝爾物理獎。蘇聯人卡皮查（P.L.Kapitsa），1978年諾貝爾化學獎。
除去一些稍微疏遠一點的case，盧瑟福一生至少培養了10位諾貝爾獎得主（還不算他自己本人）。當然，在他的學生中還有一些沒有得到諾獎，但同樣出色的名字，比如漢斯.蓋革（Hans Geiger，他後來以發明了蓋革計數器而著名）、亨利.莫斯里（Henry Mosley，一個被譽為有著無限天才的年輕人，可惜死在了一戰的戰場上）、恩內斯特.馬斯登（Ernest Marsden，他和蓋革一起做了α粒子散射實驗，後來被封為爵士）……等等，等等。
盧瑟福的實驗室被後人稱為「諾貝爾獎得主的幼兒園」。他的頭像出現在紐西蘭貨幣的最大面值——100元上面，作為國家對他最崇高的敬意和紀念。
五
1912年8月1日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠的一個小鎮上結婚，隨後他們前往英國展開蜜月。當然，有一個人是萬萬不能忘記拜訪的，那就是玻爾家最好的朋友之一，盧瑟福教授。
雖然是在蜜月期，原子和量子的圖景仍然沒有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福就此再一次認真地交換了看法，並加深了自己的信念。回到丹麥後，他便以百分之二百的熱情投入到這一工作中去。揭開原子內部的奧秘，這一夢想具有太大的誘惑力，令玻爾完全無法抗拒。
為了能使大家跟得上我們史話的步伐，我們還是再次描述一下當時玻爾面臨的處境。盧瑟福的實驗展示了一個全新的原子面貌：有一個緻密的核心處在原子的中央，而電子則繞著這個中心運行，像是圍繞著太陽的行星。然而，這個模型面臨著嚴重的理論困難，因為經典電磁理論預言，這樣的體系將會無可避免地釋放出輻射能量，並最終導致體系的崩潰。換句話說，盧瑟福的原子是不可能穩定存在超過1秒鍾的。
玻爾面臨著選擇，要麼放棄盧瑟福模型，要麼放棄麥克斯韋和他的偉大理論。玻爾勇氣十足地選擇了放棄後者。他以一種深刻的洞察力預見到，在原子這樣小的層次上，經典理論將不再成立，新的革命性思想必須被引入，這個思想就是普朗克的量子以及他的h常數。
應當說這是一個相當困難的任務。如何推翻麥氏理論還在其次，關鍵是新理論要能夠完美地解釋原子的一切行為。玻爾在哥本哈根埋頭苦乾的那個年頭，門捷列夫的元素周期律已經被發現了很久，化學鍵理論也已經被牢固地建立。種種跡象都表明在原子內部，有一種潛在的規律支配著它們的行為，並形成某種特定的模式。原子世界像一座蘊藏了無窮財寶的金字塔，但如何找到進入其內部的通道，卻是一個讓人撓頭不已的難題。
然而，像當年的貝爾佐尼一樣，玻爾也有著一個探險家所具備的最寶貴的素質：洞察力和直覺，這使得他能夠抓住那個不起眼，但卻是唯一的，稍縱即逝的線索，從而打開那扇通往全新世界的大門。1913年初，年輕的丹麥人漢森（Hans Marius Hansen）請教玻爾，在他那量子化的原子模型里如何解釋原子的光譜線問題。對於這個問題，玻爾之前並沒有太多地考慮過，原子光譜對他來說是陌生和復雜的，成千條譜線和種種奇怪的效應在他看來太雜亂無章，似乎不能從中得出什麼有用的信息。然而漢森告訴玻爾，這裡面其實是有規律的，比如巴爾末公式就是。他敦促玻爾關心一下巴爾末的工作。
突然間，就像伊翁（Ion）發現了藏在箱子里的繪著戈耳工的麻布，一切都豁然開朗。山重水復疑無路，柳暗花明又一村。在誰也沒有想到的地方，量子得到了決定性的突破。1954年，玻爾回憶道：當我一看見巴爾末的公式，一切就都清楚不過了。
要從頭回顧光譜學的發展，又得從偉大的本生和基爾霍夫說起，而那勢必又是一篇規模宏大的文字。鑒於篇幅，我們只需要簡單地了解一下這方面的背景知識，因為本史話原來也沒有打算把方方面面都事無巨細地描述完全。概括來說，當時的人們已經知道，任何元素在被加熱時都會釋放出含有特定波長的光線，比如我們從中學的焰色實驗中知道，鈉鹽放射出明亮的黃光，鉀鹽則呈紫色，鋰是紅色，銅是綠色……等等。將這些光線通過分光鏡投射到屏幕上，便得到光譜線。各種元素在光譜里一覽無余：鈉總是表現為一對黃線，鋰產生一條明亮的紅線和一條較暗的橙線，鉀則是一條紫線。總而言之，任何元素都產生特定的唯一譜線。
但是，這些譜線呈現什麼規律以及為什麼會有這些規律，卻是一個大難題。拿氫原子的譜線來說吧，這是最簡單的原子譜線了。它就呈現為一組線段，每一條線都代表了一個特定的波長。比如在可見光區間內，氫原子的光譜線依次為：656，484，434，410，397，388，383，380……納米。這些數據無疑不是雜亂無章的，1885年，瑞士的一位數學教師巴爾末（Johann Balmer）發現了其中的規律，並總結了一個公式來表示這些波長之間的關系，這就是著名的巴爾末公式。將它的原始形式稍微變換一下，用波長的倒數來表示，則顯得更加簡單明了：
ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）
其中的R是一個常數，稱為里德伯（Rydberg）常數，n是大於2的正整數（3，4，5……等等）。
在很長一段時間里，這是一個十分有用的經驗公式。但沒有人可以說明，這個公式背後的意義是什麼，以及如何從基本理論將它推導出來。但是在玻爾眼裡，這無疑是一個晴天霹靂，它像一個火花，瞬間點燃了玻爾的靈感，所有的疑惑在那一刻變得順理成章了，玻爾知道，隱藏在原子里的秘密，終於向他嫣然展開笑顏。
我們來看一下巴耳末公式，這裡面用到了一個變數n，那是大於2的任何正整數。n可以等於3，可以等於4，但不能等於3.5，這無疑是一種量子化的表述。玻爾深呼了一口氣，他的大腦在急速地運轉，原子只能放射出波長符合某種量子規律的輻射，這說明了什麼呢？我們回憶一下從普朗克引出的那個經典量子公式：E = hν。頻率（波長）是能量的量度，原子只釋放特定波長的輻射，說明在原子內部，它只能以特定的量吸收或發射能量。而原子怎麼會吸收或者釋放能量的呢？這在當時已經有了一定的認識，比如斯塔克（J.Stark）就提出，光譜的譜線是由電子在不同勢能的位置之間移動而放射出來的，英國人尼科爾森（J.W.Nicholson）也有著類似的想法。玻爾對這些工作無疑都是了解的。
一個大膽的想法在玻爾的腦中浮現出來：原子內部只能釋放特定量的能量，說明電子只能在特定的「勢能位置」之間轉換。也就是說，電子只能按照某些「確定的」軌道運行，這些軌道，必須符合一定的勢能條件，從而使得電子在這些軌道間躍遷時，只能釋放出符合巴耳末公式的能量來。
我們可以這樣來打比方。如果你在中學里好好地聽講過物理課，你應該知道勢能的轉化。一個體重100公斤的人從1米高的台階上跳下來，他/她會獲得1000焦耳的能量，當然，這些能量會轉化為落下時的動能。但如果情況是這樣的，我們通過某種方法得知，一個體重100公斤的人跳下了若干級高度相同的台階後，總共釋放出了1000焦耳的能量，那麼我們關於每一級台階的高度可以說些什麼呢？
明顯而直接的計算就是，這個人總共下落了1米，這就為我們台階的高度加上了一個嚴格的限制。如果在平時，我們會承認，一個台階可以有任意的高度，完全看建造者的興趣而已。但如果加上了我們的這個條件，每一級台階的高度就不再是任意的了。我們可以假設，總共只有一級台階，那麼它的高度就是1米。或者這個人總共跳了兩級台階，那麼每級台階的高度是0.5米。如果跳了3次，那麼每級就是1/3米。如果你是間諜片的愛好者，那麼大概你會推測每級台階高1/39米。但是無論如何，我們不可能得到這樣的結論，即每級台階高0.6米。道理是明顯的：高0.6米的台階不符合我們的觀測（總共釋放了1000焦耳能量）。如果只有一級這樣的台階，那麼它帶來的能量就不夠，如果有兩級，那麼總高度就達到了1.2米，導致釋放的能量超過了觀測值。如果要符合我們的觀測，那麼必須假定總共有一又三分之二級台階，而這無疑是荒謬的，因為小孩子都知道，台階只能有整數級。
在這里，台階數「必須」是整數，就是我們的量子化條件。這個條件就限制了每級台階的高度只能是1米，或者1/2米，而不能是這其間的任何一個數字。
原子和電子的故事在道理上基本和這個差不多。我們還記得，在盧瑟福模型里，電子像行星一樣繞著原子核打轉。當電子離核最近的時候，它的能量最低，可以看成是在「平地」上的狀態。但是，一旦電子獲得了特定的能量，它就獲得了動力，向上「攀登」一個或幾個台階，到達一個新的軌道。當然，如果沒有了能量的補充，它又將從那個高處的軌道上掉落下來，一直回到「平地」狀態為止，同時把當初的能量再次以輻射的形式釋放出來。
關鍵是，我們現在知道，在這一過程中，電子只能釋放或吸收特定的能量（由光譜的巴爾末公式給出），而不是連續不斷的。玻爾做出了合理的推斷：這說明電子所攀登的「台階」，它們必須符合一定的高度條件，而不能像經典理論所假設的那樣，是連續而任意的。連續性被破壞，量子化條件必須成為原子理論的主宰。
我們不得不再一次用到量子公式E = hν，還請各位多多包涵。史蒂芬.霍金在他那暢銷書《時間簡史》的Acknowledgements裡面說，插入任何一個數學公式都會使作品的銷量減半，所以他考慮再三，只用了一個公式E = mc2。我們的史話本是戲作，也不考慮那麼多，但就算列出公式，也不強求各位看客理解其數學意義。唯有這個E = hν，筆者覺得還是有必要清楚它的含義，這對於整部史話的理解也是有好處的，從科學意義上來說，它也決不亞於愛因斯坦的那個E = mc2。所以還是不厭其煩地重復一下這個方程的描述：E代表能量，h是普朗克常數，ν是頻率。
回到正題，玻爾現在清楚了，氫原子的光譜線代表了電子從一個特定的台階跳躍到另外一個台階所釋放的能量。因為觀測到的光譜線是量子化的，所以電子的「台階」（或者軌道）必定也是量子化的，它不能連續而取任意值，而必須分成「底樓」，「一樓」，「二樓」等，在兩層「樓」之間，是電子的禁區，它不可能出現在那裡。正如一個人不能懸在兩級台階之間漂浮一樣。如果現在電子在「三樓」，它的能量用W3表示，那麼當這個電子突發奇想，決定跳到「一樓」（能量W1）的期間，它便釋放出了W3-W1的能量。我們要求大家記住的那個公式再一次發揮作用，W3-W1 = hν。所以這一舉動的直接結果就是，一條頻率為ν的譜線出現在該原子的光譜上。
玻爾所有的這些思想，轉化成理論推導和數學表達，並以三篇論文的形式最終發表。這三篇論文（或者也可以說，一篇大論文的三個部分），分別題名為《論原子和分子的構造》（On the Constitution of Atoms and Molecules），《單原子核體系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核體系》（Systems Containing Several Nuclei），於1913年3月到9月陸續寄給了遠在曼徹斯特的盧瑟福，並由後者推薦發表在《哲學雜志》（Philosophical Magazine）上。這就是在量子物理歷史上劃時代的文獻，亦即偉大的「三部曲」。