原子结构

有关原子结构问题，只是随着1897年汤姆逊（J. J. Thomson,1856—1940 ）发现*电子和通过塞曼效应证实了电子是构成原子的基石这一设想后，才有了明确的表述形式〔参看*磁光学（* magneto-optics ）〕。一直到1913年，几种原子模型的设计都是*剑桥学派提出来的，但在1900年以前，该学派已经发现，理论成功的障碍在于对正电荷性质和原子内电子数目的罔然无知；在于对完全不同于一般振动系统频率公式的*光谱公式的无知；还在于不知道怎样确定原子的大小，因而无法确定电子轨道或位置。 1903或1904年，为克服上述困难，汤姆逊假设，原子的重量A就是组成它的电子的重量（此处A≈1000P, P是原子的电子数），正电荷的作用是为每个电子提供向心吸力，其大小和电子距原子中心的距离成比例，且有一个明显的作用距离。他还假定，可以恰到好处地忽略不计光谱公式。在汤姆逊的模型里，通过库仑力相互排斥的电子在向心力作用下沿许多同心圆周旋转，为了获得力学稳定性，电子按照由电子数P确定的唯一方式进行分布。汤姆逊指出，各种分布特征和元素*周期表之间存在着显著的相似性，因而元素的化学性质很可能是电动力学的结果。汤姆逊还指出，如果电子的数目很多，则来自均匀分布着电子的轨道上的总辐射量是很小的，尽管如此，这仍有可能将原子毁灭，我们在*放射性中看到的就是这样一种结果。 后来，卡文迪什实验室进行了*X射线和β射线的散射实验，汤姆逊对实验结果作了解释。该实验表明，汤姆逊过去大大夸大了P的值，1906年，他的重新估计值是P≈A。 1911年，卢瑟福（ ErnestRutherford, 1871—1937 ）对该值进行了改进，他从α粒子的大角度散射现象中认识到，原子的正电荷一定集中在一个比原子小得多的体积（即“*核”）内。与此类似的土星模型也于1904年由长冈半太郎（Hantaro Nagaoka,1865—1950）提出，但是当汤姆逊的学生发现该模型不具有力学稳定性时，就将其否定了。然而，到1911年，*量子效应已使许多著名科学家相信，一般的*力学和*电动力学不能用于描述原子的行为。1912（或1913）年，玻尔（Bohr, 1885—1962）对卢瑟福的原子进行了量子化，即把电子限制在一些特定的轨道上运行，它们的■■能和轨道频率的比值等于普朗克常数h的n倍〔参看*黑体辐射定律（* black-bodylaw） 〕。这个假设确定了原子大小的尺度。由于玻尔认为，满足这个假设的电子不再遵守辐射和力学稳定性的通常要求，这就使得反对核模型的权威性的意见受到了挫折。 玻尔把放射性和*原子重量归因于核，并且认为核电荷数或“原子序数”和周期表内的排列顺序是相同的，由此玻尔解决了汤姆逊未解决的P和A之间的关系问题。莫塞莱（H. G. J. Moseley, 1887—1915）使用X射线光谱学的测量手段，进一步证实了玻尔的解决办法。玻尔认为，辐射是作为一种非经典的过程出现的，或者说是由于电子按照量子条件从一个“定态”向另一个“定态”跃迁的结果。至于化学周期性，玻尔认为，这是由于电子要按照量子条件尽量排满能量最低的轨道，但他无法证明这一点。 第一次世界大战期间，索末菲 （Arnold Sommerfeld, 1868—1951）为玻尔模型又引进两个新量子数，从而大大增加了玻尔模型的效力。一个量子数是k，表示电子轨道的偏心率；另一个是m，它决定轨道在空间的取向（按照这种解释，n则规定了轨道主轴的长度）。1920年，索末菲又加添了第四个量子数j，起初，它不具有动力学和几何学的意义，只是作为多重谱线系列中能级的一个标号。原子物理学家希望能用这些量子数把所有光谱线进行分类并计算出能级，经过多次失败，他们终于建立了*矩阵力学。 1921（或1922）年，玻尔把量子数n和k赋予每一个原子中的电子，以此来改进他的周期表理论（有人谈到过“m电子或轨道） 以化学和光谱学的数据为根据，玻尔能够解释他的假设的周期性，即这里存在两种可能的l1轨道；四种可能的21和22轨道；六种可能的31、32和33轨道等等。按这种准数字逻辑的推理，自然可以得出最后的4.电子用于组成第71号元素，因此正如化学家们坚信的那样，未知的72号元素并不属于稀土元素族，玻尔是把这一族元素与n＝4的电子联系在一起的。1922年末铪元素的发现，对玻尔的综合研究更是一种强有力的证实。后来，斯托纳（Edmund Stoner, 1899—1968）借助于量子数j又细分了nk能级，从而改进了玻尔的理论。1925年，泡利（Wolfgang Pauli, 1900—1958）建立了有决定性意义的周期性公式，他的“不相容原理”可以看作是在量子力学领域对汤姆逊化学周期性问题的一个解决办法。不相容原理指出，对于给定的四个量子数n、 k、 m、 s的一组值来说，原子内只能有一个电子与这一量子态对应，这里s通过k与j相关。后来在1925年，戈德斯密特 （ S.A．Goudsmit, 1902—1978）和乌伦拜克（G. Uhlenbeck, 1900—）建议在几何上把s表示为电子围绕通过自身中心轴的自旋。至此，原子的行星系统模型终于完成，但恰在这时，量子力学在原理上又抛弃了这些模型〔参看*波粒二象性 （*wave-particle duality）〕，这样也解决了玻尔一索末菲理论中存在的问题。 还可参看原子核（nucleus ） 参考文献J. J. Thomson, The Corpuscular Theory of Matter （ London, 1907 ）． J. B. Birks（ed.），Rutherford at Manchester （ London, 1962 ）．H. A. Kramers and Helge Host，The Atom and The Bohr Theory of its Strueture （ New York，1923）．J. L.Hollbron, Historic Studies in the Theory of Atomic Structure（New York, 1981）． JLH著 宋子良译