6.原子为什么没有坍缩
原子为什么没有坍缩？ 这是提给卢瑟福的原子有核结构模型的一个难题。我们知道， 卢瑟福的原子模型的几个基本思想， 被广泛地接受： 原子是电中性的， 原子核所带正电荷的数量与原子中所有电子所带负电荷的数量是相等的； 原子内部有一个体积很小的原子核； 原子核外的电子绕原子核在不停地运动。这个模型的成功， 还表现在它的传播程度上。依据这个原子模型所画出的原子结构示意图， 在相当长的一段时间里， 人都把它当作现代科学技术的象征。
但是， 这个原子模型也遇到了困难。
首先， 是来自理论方面的挑战。物理学家们发现， 按照这个原子模型来描述原子的内部结构， 从理论上分析， 原子是不能稳定的。因为， 如果原子里面的电子在绕原子核不停地旋转运动， 它的运动方向就会不断地改变， 因此它必然具有一定的向心加速度。否则， 电子就只能作匀速直线运动( 或静止) 了。根据19 世纪对电磁现象的研究， 得到了一个基本规律是， 任何一个作加速运动的带电体， 都要不断地向外界辐射能量。这样， 电子在绕原子核旋转的同时， 会不断地向外界辐射电磁波。随之， 电子的能量不断地减少。相应的是， 电子绕原子核旋转运动的轨道也逐渐变小， 电子离原子核越来越近。最终， 电子将掉在原子核上， 这就是“原子坍缩”。经过计算， 如果真的存在电子落在原子核上形成的12原子坍缩， 那么原子的寿命大约只有10 -秒的时间， 可以说是转瞬即逝。不过， 这样一幅图景， 仅仅是由经典电磁理论和卢瑟福原子有核结构模型推出的结果。这一结论显然是错误的。客观世界里， 由原子作为基本组成的各种物体却都稳定地存在着。谁也没有观察到由于原子的坍缩引起原子寿终正寝而造成工厂、楼房、教室等的烟消云散。也就是说，在现实中， 各种物体的稳定存在证明原子是稳定的。这就产生了一个矛盾， 理论上推出的一个结论是存在原子坍缩， 而实际上( 或称观察上) 原子却是稳定的。
理论与观察实验之间出现矛盾， 对于一个具体的理论( 或模型) 来说不是一件好事。但是， 对于物理学的发展来说， 理论( 或模型) 与观察实验构成的基本矛盾， 却是推动物理深入发展的最基本的内在动力。一般来说， 理论( 或模型) 与观察实验的矛盾， 揭示的是理论( 或模型) 的缺陷。这一矛盾的解决需要将理论( 或模型) 作进一步的完善。
其次， 是来自实验方面的挑战。这是原子线状光谱带来的难题。早在19 世纪80 年代， 光谱学已经获得了长足的发展。所谓光谱， 就是当一束光线通过棱镜时， 由于折射作用所形成的单色光按波长次序排列而成的谱像。如果是个含有各种波长的光谱， 看上去就是一个连续的彩色光带， 这就是连续光谱。如果是只含有某些波长的光谱， 看上去就是一些分开的、具有不同颜色的线条， 这就叫做线状光谱。原子发出的光谱都是线状光谱。比如， 一个充有氢气的放电管， 在通电时， 氢分子分解为氢原子。由于能量的激发， 氢原子就会发光。它的光线通过棱镜时， 形成的是如图所示的线状光谱。
物理学家对元素氢的光谱线研究得比较细致。1884 年，瑞士的一位中学教学教师巴耳未发现， 氢原子光谱中4 条谱线Hα、Hβ、Hγ、Hσ的波长可以用一个公式来表示：图5 氢原子光谱2λ= β2n 4， n=3，4， 5，6，nγ= 3645 。 6 埃( A)这是一个常数。
氢原子的线状光谱， 已是一个确定无疑的事实。这一事实也与卢瑟福的原子有核结构模型产生了矛盾。因为如果电子是绕原子核旋转运动， 那么按照经典电磁理论。电子不断地向外辐射能量， 它的能量逐渐变小。这样， 氢原子的光谱应该是连续的， 而不应该是不连续的线状光谱。
这来自理论和实验两方面的挑战， 表明对卢瑟福的原子模型的修改、完善已是迫在眉睫的了。
正在这时， 卢瑟福的一个助手， 28 岁的丹麦物理学家玻尔于1913 年提出了崭新的见解， 从而使原子结构理论又有了新的发展。
玻尔分析， 卢瑟福的原子模型所遇到的困难， 是由于按照经典电磁理论来推断原子中的电子运动所造成的。这实际上是把在宏观现象研究中确立的理论， 用于对微观领域原子结构的描述。基于这种想法， 他在德国物理学家普朗克量子论的启发下， 把量子概念引进原子结构理论。进而， 玻尔提出了两个大胆的假设。
第一个假设是， 电子在稳定轨道上绕原子核旋转运动时， 它的能量是稳定不变的。这一假设也叫定态假设， 按这一假设， 不存在电子落到原子核上的问题， 解决了原子坍缩问题。
第二个假设是， 电子的能量变化是不连续的。原子中的电磁辐射只是在电子能量状态发生变化时才发生， 辐射频率仅和能量状态有关。这一假设也叫频率假设。按这一假设， 氢原子的线状光谱也是自然的事情了。
在这两个假设的基础上， 玻尔形成了他的氢原子结构理论。它的主要内容是：第一， 原子核外的电子不能在任意的轨道上运动， 它们只能处于一组满足特定条件的轨道上。在一定的轨道上运动的电子都具有一定的能量。而且电子在稳定轨道上运动时， 既不吸收能量也不放出能量， 是处于一种定态。
第二， 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量。用能级来刻划电子能量的不同，n 值的大小代表能级的高低，n =1， 即第1 能级， 表示是离原子核最近， 电子能量较低的轨道； n=2 ， 即第2 能级， 表示是离核较远， 电子能量较高的轨道； 以此类推。电子绕原子核运动的轨道也是分立的。
第三， 电子可以从一个特定的轨道跳跃到另一特定的轨道。当它受到外界能量激发时， 可以吸收一定的能量， 由离原子核较近的低能级， 跳跃到离原子核较远的高能级上去。相反， 当电子由较高能级的轨道上， 跳跃到较低能级的轨道上时， 它会放出一定的能量。电子只能从一个能级跳跃到另一个能级， 而不能处于两个能级之间。
用这个理论可以解释原子光谱是分立的事实， 也克服了原子坍缩的理论难题。按照玻尔的理论， 电子不再像经典电磁理论所说的那样， 它不是连续地吸收或辐射任意数值的能量。电子无论是从高能级到低能级， 还是从低能级到高能级， 它吸收或辐射的是特定数值的能量。它的谱线的频率总是与特定轨道之间的能量差有关。另外， 当原子中所有的电子都处在能级尽可能低的轨道上时， 电子无法跳跃到原子核上， 原子就是稳定的。
1914 年， 也就是玻尔理论提出的第二年， 两位德国物理学家佛兰克和赫兹， 通过实验发现电子在与水银原子相撞时， 损失的能量总是一个固定的值―――4. 9 电子伏特， 也就是说， 水银原子只吸收4. 9 电子伏特的能量。少了， 它瞧不起， 一点也不收； 多了， 它也不贪求， 只收4. 9 电子伏特就满足了。进一步的实验还发现， 水银原子除了吸收这一特定值的能量以外， 还吸收6. 67 电子伏特、8. 84 电子伏特等特定值的能量。这个实验证实了玻尔设想的那种分立的、确定的能量状态是存在的。这些分立的能量值就构成了原子的能级图， 每一种原子都具有自己独特的能级图。
玻尔的理论不仅有实验上的支持， 而且根据这一理论预言了未知元素的性质， 并找到了这一元素。这使得这一理论产生了很大的影响。本世纪20 年代， 许多化学家预言在元素周期表上排在第72 号的元素属于稀土元素。应从稀土矿中去寻找， 不过一直没有找到。玻尔则根据原子核外电子按能级分层排布的状况， 找到了元素的电子层结构与元素周期表的关系。由此出发， 他认为第72 号元素不属于稀土元素， 而是与第40 号元素锆属于同一分支， 应到锆矿石中去寻找。果然， 在用X 射线分析锆矿石时， 发现了这个未知元素。为了纪念这个元素的发现地点―――丹麦的哥本哈根， 就把这一元素命名为铪。
玻尔理论的成功， 使得那些习惯于用经典理论来认识原子问题的物理学家感到十分震惊。迫使他们考虑到这样一个问题， 对微观领域的认识需要一种全新的理论。这个理论就是量子理论， 玻尔就是首先把量子概念应用于原子科学的开路人。不过， 也需要指出玻尔应用量子理论并不彻底。因此， 他的理论只限于含有1 个原子核外电子的氢原子。当应用于含有多个原子核外电子的原子时， 理论计算与实验结果之间并不相符。这里的主要原因就在于， 玻尔理论在描述原子核外电子的运动时， 仍然认为电子是沿一定轨道绕电子核运动的。而根据现代实验和量子理论， 原子核外的电子运动没有固定的轨道， 这里电子的运动并不遵从经典力学的规律而是遵守量子力学的统计性规律。量子力学的规律对电子的描述， 不是电子的个别运动， 而是电子的许许多多次运动的统计规律。物理学家把电子在原子核外各处出现机会的多少用一种图来表示， 形象地叫做电子云。电子云图中小黑点的稠稀， 大体说明了电子出现机会的多少。现代原子结构理论， 就是以电子云代替了玻尔的轨道， 从而科学地反映了原子核外电子的运动状态。
§§第三章 打开原子核
但是， 这个原子模型也遇到了困难。
首先， 是来自理论方面的挑战。物理学家们发现， 按照这个原子模型来描述原子的内部结构， 从理论上分析， 原子是不能稳定的。因为， 如果原子里面的电子在绕原子核不停地旋转运动， 它的运动方向就会不断地改变， 因此它必然具有一定的向心加速度。否则， 电子就只能作匀速直线运动( 或静止) 了。根据19 世纪对电磁现象的研究， 得到了一个基本规律是， 任何一个作加速运动的带电体， 都要不断地向外界辐射能量。这样， 电子在绕原子核旋转的同时， 会不断地向外界辐射电磁波。随之， 电子的能量不断地减少。相应的是， 电子绕原子核旋转运动的轨道也逐渐变小， 电子离原子核越来越近。最终， 电子将掉在原子核上， 这就是“原子坍缩”。经过计算， 如果真的存在电子落在原子核上形成的12原子坍缩， 那么原子的寿命大约只有10 -秒的时间， 可以说是转瞬即逝。不过， 这样一幅图景， 仅仅是由经典电磁理论和卢瑟福原子有核结构模型推出的结果。这一结论显然是错误的。客观世界里， 由原子作为基本组成的各种物体却都稳定地存在着。谁也没有观察到由于原子的坍缩引起原子寿终正寝而造成工厂、楼房、教室等的烟消云散。也就是说，在现实中， 各种物体的稳定存在证明原子是稳定的。这就产生了一个矛盾， 理论上推出的一个结论是存在原子坍缩， 而实际上( 或称观察上) 原子却是稳定的。
理论与观察实验之间出现矛盾， 对于一个具体的理论( 或模型) 来说不是一件好事。但是， 对于物理学的发展来说， 理论( 或模型) 与观察实验构成的基本矛盾， 却是推动物理深入发展的最基本的内在动力。一般来说， 理论( 或模型) 与观察实验的矛盾， 揭示的是理论( 或模型) 的缺陷。这一矛盾的解决需要将理论( 或模型) 作进一步的完善。
其次， 是来自实验方面的挑战。这是原子线状光谱带来的难题。早在19 世纪80 年代， 光谱学已经获得了长足的发展。所谓光谱， 就是当一束光线通过棱镜时， 由于折射作用所形成的单色光按波长次序排列而成的谱像。如果是个含有各种波长的光谱， 看上去就是一个连续的彩色光带， 这就是连续光谱。如果是只含有某些波长的光谱， 看上去就是一些分开的、具有不同颜色的线条， 这就叫做线状光谱。原子发出的光谱都是线状光谱。比如， 一个充有氢气的放电管， 在通电时， 氢分子分解为氢原子。由于能量的激发， 氢原子就会发光。它的光线通过棱镜时， 形成的是如图所示的线状光谱。
物理学家对元素氢的光谱线研究得比较细致。1884 年，瑞士的一位中学教学教师巴耳未发现， 氢原子光谱中4 条谱线Hα、Hβ、Hγ、Hσ的波长可以用一个公式来表示：图5 氢原子光谱2λ= β2n 4， n=3，4， 5，6，nγ= 3645 。 6 埃( A)这是一个常数。
氢原子的线状光谱， 已是一个确定无疑的事实。这一事实也与卢瑟福的原子有核结构模型产生了矛盾。因为如果电子是绕原子核旋转运动， 那么按照经典电磁理论。电子不断地向外辐射能量， 它的能量逐渐变小。这样， 氢原子的光谱应该是连续的， 而不应该是不连续的线状光谱。
这来自理论和实验两方面的挑战， 表明对卢瑟福的原子模型的修改、完善已是迫在眉睫的了。
正在这时， 卢瑟福的一个助手， 28 岁的丹麦物理学家玻尔于1913 年提出了崭新的见解， 从而使原子结构理论又有了新的发展。
玻尔分析， 卢瑟福的原子模型所遇到的困难， 是由于按照经典电磁理论来推断原子中的电子运动所造成的。这实际上是把在宏观现象研究中确立的理论， 用于对微观领域原子结构的描述。基于这种想法， 他在德国物理学家普朗克量子论的启发下， 把量子概念引进原子结构理论。进而， 玻尔提出了两个大胆的假设。
第一个假设是， 电子在稳定轨道上绕原子核旋转运动时， 它的能量是稳定不变的。这一假设也叫定态假设， 按这一假设， 不存在电子落到原子核上的问题， 解决了原子坍缩问题。
第二个假设是， 电子的能量变化是不连续的。原子中的电磁辐射只是在电子能量状态发生变化时才发生， 辐射频率仅和能量状态有关。这一假设也叫频率假设。按这一假设， 氢原子的线状光谱也是自然的事情了。
在这两个假设的基础上， 玻尔形成了他的氢原子结构理论。它的主要内容是：第一， 原子核外的电子不能在任意的轨道上运动， 它们只能处于一组满足特定条件的轨道上。在一定的轨道上运动的电子都具有一定的能量。而且电子在稳定轨道上运动时， 既不吸收能量也不放出能量， 是处于一种定态。
第二， 在不同轨道上运动的电子具有不同的能量。用能级来刻划电子能量的不同，n 值的大小代表能级的高低，n =1， 即第1 能级， 表示是离原子核最近， 电子能量较低的轨道； n=2 ， 即第2 能级， 表示是离核较远， 电子能量较高的轨道； 以此类推。电子绕原子核运动的轨道也是分立的。
第三， 电子可以从一个特定的轨道跳跃到另一特定的轨道。当它受到外界能量激发时， 可以吸收一定的能量， 由离原子核较近的低能级， 跳跃到离原子核较远的高能级上去。相反， 当电子由较高能级的轨道上， 跳跃到较低能级的轨道上时， 它会放出一定的能量。电子只能从一个能级跳跃到另一个能级， 而不能处于两个能级之间。
用这个理论可以解释原子光谱是分立的事实， 也克服了原子坍缩的理论难题。按照玻尔的理论， 电子不再像经典电磁理论所说的那样， 它不是连续地吸收或辐射任意数值的能量。电子无论是从高能级到低能级， 还是从低能级到高能级， 它吸收或辐射的是特定数值的能量。它的谱线的频率总是与特定轨道之间的能量差有关。另外， 当原子中所有的电子都处在能级尽可能低的轨道上时， 电子无法跳跃到原子核上， 原子就是稳定的。
1914 年， 也就是玻尔理论提出的第二年， 两位德国物理学家佛兰克和赫兹， 通过实验发现电子在与水银原子相撞时， 损失的能量总是一个固定的值―――4. 9 电子伏特， 也就是说， 水银原子只吸收4. 9 电子伏特的能量。少了， 它瞧不起， 一点也不收； 多了， 它也不贪求， 只收4. 9 电子伏特就满足了。进一步的实验还发现， 水银原子除了吸收这一特定值的能量以外， 还吸收6. 67 电子伏特、8. 84 电子伏特等特定值的能量。这个实验证实了玻尔设想的那种分立的、确定的能量状态是存在的。这些分立的能量值就构成了原子的能级图， 每一种原子都具有自己独特的能级图。
玻尔的理论不仅有实验上的支持， 而且根据这一理论预言了未知元素的性质， 并找到了这一元素。这使得这一理论产生了很大的影响。本世纪20 年代， 许多化学家预言在元素周期表上排在第72 号的元素属于稀土元素。应从稀土矿中去寻找， 不过一直没有找到。玻尔则根据原子核外电子按能级分层排布的状况， 找到了元素的电子层结构与元素周期表的关系。由此出发， 他认为第72 号元素不属于稀土元素， 而是与第40 号元素锆属于同一分支， 应到锆矿石中去寻找。果然， 在用X 射线分析锆矿石时， 发现了这个未知元素。为了纪念这个元素的发现地点―――丹麦的哥本哈根， 就把这一元素命名为铪。
玻尔理论的成功， 使得那些习惯于用经典理论来认识原子问题的物理学家感到十分震惊。迫使他们考虑到这样一个问题， 对微观领域的认识需要一种全新的理论。这个理论就是量子理论， 玻尔就是首先把量子概念应用于原子科学的开路人。不过， 也需要指出玻尔应用量子理论并不彻底。因此， 他的理论只限于含有1 个原子核外电子的氢原子。当应用于含有多个原子核外电子的原子时， 理论计算与实验结果之间并不相符。这里的主要原因就在于， 玻尔理论在描述原子核外电子的运动时， 仍然认为电子是沿一定轨道绕电子核运动的。而根据现代实验和量子理论， 原子核外的电子运动没有固定的轨道， 这里电子的运动并不遵从经典力学的规律而是遵守量子力学的统计性规律。量子力学的规律对电子的描述， 不是电子的个别运动， 而是电子的许许多多次运动的统计规律。物理学家把电子在原子核外各处出现机会的多少用一种图来表示， 形象地叫做电子云。电子云图中小黑点的稠稀， 大体说明了电子出现机会的多少。现代原子结构理论， 就是以电子云代替了玻尔的轨道， 从而科学地反映了原子核外电子的运动状态。
§§第三章 打开原子核
