波耳129歲誕辰紀念文 — 波耳模型

今天是波耳129歲誕辰,正好說說波耳的其中一項物理貢獻 — 波耳模型及其前人的工作成果。
____________________________________________________________

 

 

Sir J. J. Thomson

1897年,約瑟夫.湯姆森發現了一個驚天大奧秘:一直以來被認為是不可分割的原子,原來是可以分割的!他從觀察陰極射線(現在知道那其實是高速移動的電子)在電場中的偏轉,發現了電子的存在。

發現了帶負電的電子後,大家馬上就可以想像到,作為電中性(也就是沒有帶任何電荷)的原子,除了電子外,必定還有一部分帶著正電荷。由於當時還沒有其他很強的其他證據,於是憑著推論及想像力,第一個原子模型  — 梅子布丁模型就應運而生了。

梅子布丁模型
在梅子布丁模型中,電子在帶正電荷的濃湯或雲球裏平衡地懸浮移動,就好像帶負電荷的梅子分佈於帶正電荷的布丁上。這個模型很簡單,但很快就被證明是錯誤的。證明其錯誤的,就是由拉塞福所做,非常出名的拉塞福散射實驗。

拉塞福散射實驗是利用阿爾法粒子(現在知道它是其實是高速移動的氦原子核)射束來轟擊非常薄、只有幾個原子厚度的金箔紙(對,是金箔,在奈米技術出現前,就只有金能打成幾個原子厚度的簿片)。由於阿爾法粒子很高速,它們會通過那幾個原子厚度的金箔紙。但根據梅子布丁模型,由於整個原子的電荷是平均分佈的,而阿爾法粒子帶正電荷,在穿過原子時,阿爾法粒子會被原子的電荷影響,其移動方向會產生輕微的角度偏差。可是,實際實驗做出來的結果卻令人非常驚異。實驗結果顯示,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(甚至超過 90°);而其它粒子都直直地通過金箔紙,偏差幾乎在2°到3°以內,甚至幾乎沒有偏差。拉塞福對這奇異的結果感到非常驚異。正如同他後來常說的:「這就好像你朝一張衛生紙射出一枚15吋的砲彈,砲彈卻彈回來打中你一樣。」

為了解釋這個詭異的實驗結果,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(這個區域後來被稱作“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極少數的阿爾法粒子被這樣排斥。而這就是著名的拉塞福模型

 

拉塞福模型
拉塞福模型開始接近我們中學化學是所讀的原子模型。不過,這個模型有一個致命的缺陷: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(簡單點說就是電子會很快撞到原子核上。)。這時候,就到我們今天的主角 — 波耳出場了。
為了挽救模型的主要性質,波耳引入了量子化的概念,認為原子中的電子只能夠穩定地存在於一系列的離散的能量狀態之中,稱為定態。電子要有任何能量的改變,都必須要在兩個定態之間以躍遷的方式進行。於是電子就不會胡亂發射輻射而撞進原子核中。而且當電子在這些定態中跳躍時,會發出指定頻數的電磁波,這也可以很準確地解釋了氫原子的光譜線的由來。這些定態也與我們中學化學中學到的「電子軌域」相對應。
這就是原子模型的終點嗎?當然不是,波耳模型最後還是被證明不夠精確,被更為準確的理論及模型所取代。不過可以說的是,現在中學化學所學的原子模型,並沒有離開波耳模型的範圍,所以可以說,波耳模型依然是最多人知道並學習的原子模型。
廣告

發表迴響

在下方填入你的資料或按右方圖示以社群網站登入:

WordPress.com Logo

您的留言將使用 WordPress.com 帳號。 登出 / 變更 )

Twitter picture

您的留言將使用 Twitter 帳號。 登出 / 變更 )

Facebook照片

您的留言將使用 Facebook 帳號。 登出 / 變更 )

Google+ photo

您的留言將使用 Google+ 帳號。 登出 / 變更 )

連結到 %s