今天文章有4篇,全是一个系列,希望大家别忘记看下面2、3、4条内容。
好了,正文开始:
之前我们聊到了拉瓦锡的“化学革命”和道尔顿的“原子论”,这使得化学正式成为一门科学,随后门捷列夫的元素周期律横空出世,解决了一直悬而未决的元素排序问题。但其实一直有个问题还没有解决,无论是拉瓦锡,还是道尔顿,亦或是门捷列夫,他们都没有真真切切地看到过原子。
那真的存在原子么?
这个问题放在现在其实并不难解决,你只要通过扫描隧道显微镜,就可以看到物质表面上单原子级别的起伏。不仅如此,你还可以在低温下利用探针尖端精确操纵单个分子或原子。
不过,这么高精尖的仪器是近几十年才有。可200多年前的的科学家是如何操作呢?
1827年,英国的植物学家罗伯特·布朗就在显微镜下观察到了水面上的花粉在不规则运动,这后来也被叫做布朗运动。1877年科学家德绍儿克思就提出,
花粉的运动是因为水中的水分子热运动造成的。
到了1905年,爱因斯坦通过数学分析的方法证明了布朗运动。
布朗运动间接证明了分子,原子的存在。并且根据布朗运动,还能计算出原子的直径大概为10^-8厘米。
原子到底长啥样?
除此之外,科学家还对原子到底长成什么样子特别感兴趣。只不过当时的科学家不知道,对于原子的研究竟然如此复杂和艰辛。
在这方面最先有成果的是物理学家约瑟夫·汤姆孙,在研究阴极射线时,不仅发现了电子,还发现电子是小于原子的存在,也就是说,彻底打破了一直以来“原子不可再分”的设想。
于是,约瑟夫·汤姆孙就开始思考原子的模型。我们可以来想象一下约瑟夫·汤姆孙当时手头都知道哪些信息:
电子是负电的,小于原子的存在原子是电中性麦克斯韦电磁学理论从这些信息中心,约瑟夫·汤姆孙最终构建了一个梅子布丁模型(也有叫枣糕模型、西瓜模型的)。在这个模型中,电子均匀镶嵌在整个原子上面。为了验证老师的实验,卢瑟福在1909年,开始做α粒子轰击金箔的实验。
α粒子就是氦核,有两个质子和两个中子构成,带正电。卢瑟福就是拿氦核来当子弹去打金箔,然后记录散射的情况。
在大量的试验之后,卢瑟福发现有一部分的α粒子偏转角度要远远小于老师约瑟夫·汤姆孙的预测值。大概每8000多个α粒子就会有一个α粒子的移动方向发生很大的角度偏差,其他的α粒子都是直接穿过去去,偏转角度也就在2°到3°以内,甚至还有很多是没有偏转的。
于是,对于这样的实验结果,卢瑟福认为:大部分的质量和正电荷是集中在一个很小的区域内的,这后来被叫做原子核。由于α粒子是带正电的,所以接近原子核时会产生很强的排斥力,才会以大角度发生偏转。电子在这个区域之外,而不是镶嵌上在这个区域上的。这个小区域(原子核)的尺度很小,应该要小于10^-14米。
然后,卢瑟福也提出了自己的原子模型。在这个原子模型中,电子在外面飘着,原子核带正电位于中心的位置,原子核的尺度很小很小,如果原子有个操场那么大,那么原子核也就是一只蚂蚁的大小。
但是卢瑟福的原子模型某种程度上来说,和约瑟夫·汤姆孙的原子模型结果是类似的。为什么这么说呢?因为根据麦克斯韦的电磁学理论,原子核外的电子在运动过程中会向外辐射电磁波,最终跌落到原子核中。所以,最后还是类似于梅子布丁模型。为了解决这个问题,卢瑟福有个特别厉害的学生叫做波尔,他就一直致力于解决这个问题,后来有个朋友跟他提起了巴尔末的氢原子光谱,波尔一下子豁然开朗。
所谓的巴尔末的氢原子光谱,其实是说,巴尔末发现氢原子所发射的光谱线在可见光有4个波长,波尔就猜想,
这四条光谱线应该就是吸收光子能量的电子在进入受激态后,又返回量子数n=2的量子态时所释放出来的谱线。翻译成人话就是,电子会吸收或者释放出特定的能量。
于是,波尔提出了自己的原子模型。
在这个模型中,电子有自己轨道的能级轨道,电子会在轨道上跃迁,这个过程会吸收或者释放出特定的能量。波尔用这样办法去试图去解决电子会跌落到原子核的问题。
波尔的模型其实当时还是很受欢迎的,因为他的模型和太阳系特别像,物理学家特别热衷于统一,把微观和宏观进行统一更是了不得的大事。可惜,好久不长。波尔的模型用在氢原子还好,一旦外层电子数一多,这个模型就不太好用了。接下来出场的是波尔的学生:海森堡。他就觉得他的老师在鬼扯,什么轨道,能级都是凭空假想出来的,物理学纯粹一点不好么?
1926年,海森堡建立了量子矩阵力学,并且提出了着名的不确定性原理。相关的描述就是:
粒子的位置与动量不可能同时被确定,位置的不确定性越小,则动量的不确定性越大,反之亦然。也有把不确定性原理翻译成测不准原理,说的就是我们没有办法同时测量到粒子的位置和动量。
根据海森堡的不确定性原理,电子在原子核的位置就比较奇葩了,我们已经没办法用确定性的来描述电子准确的位置,我们只知道它出现在某个位置的概率是多少。所以,电子在原子核外的分布是概率云的样式。电子自己也不知道自己到底下一刻会出现在哪里。
而根据海森堡不确定性原理推导而来的原子模型一直沿用至今,这也是目前科学界对于原子模型的主流看法。可以说,这是历经了4代的师生,将近30年的时间,才最终完成了原子模型的建立。不过,科学家虽然对原子模型有了了解,但是电子带来的启示:原子并非是不可再分。也让科学家们开始思考,原子核或者电子是不是可以再继续往下分?那究竟是不是可以继续往下分呢?我们下期再继续聊。想了解更多:物理学家杨振宁到底有多厉害?元素周期表的诞生寻找万物的本源,现代化学的起源元素周期表的诞生