卢瑟福模型时间

大家好，今天我们来聊聊卢瑟福散射模型，一个改变人类对原子认识的关键实验。 在二十世纪初，汤姆森提出了葡萄干布丁模型，认为原子中正电核均匀分布，电子嵌在其中。但卢瑟福通过 alpha 粒子轰击金箔的实验发现少数粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，这完全无法用汤姆森模型解释。 它由此提出了原子的核式结构模型，原子的大部分质量与全部正电核集中在一个极小的原子核中。我们来看一个关键公式，库伦散射公式， 其中 b， b 是 瞄准距离， c t， c， t 是 散射角， a， a 与粒子能量电核有关。它告诉我们，越靠近原子核，偏转角越大。卢瑟福的模型不仅推翻了就有认知，也开启了现代原子物理的新篇章。

一九一一年的时候，卢瑟夫就发表了一个原子模型，史称行星原子模型，但是这个原子模型当时存在两个问题，卢瑟夫他并没有解决，也没有给出答案。 第一就是卢瑟夫的原子模型他不稳定，就是电子绕这个原子核运行的时候，他会不断的释放出这个电磁辐射，最终就会导致这个电子就会坠入这个原子核。那么第二个问题就是 卢瑟夫当时他没有说这个电子他在河外是怎样排布的，当然当时的人们也不清楚这个元素化学性质的本质原因，那么更不知道这个元素周期表中 这个化学性质他为啥会表现出这个周期性的规律，这很神奇。我们现在说第一个问题就是电子赘肉原子核这个问题，其实电子赘肉原子核 这是经典力学还有经典电磁学那个预测出来的结果，只要是你相信这个经典物理学就是在原子尺度上是正确的，那么这个卢瑟福的这个原子模型他必定会坍塌。那么博爱当时是如何考虑这个问题的，他就必须在这个经典物理学还有 有在卢瑟夫的原子模型之间就是做出选择，很显然他就相信自己老师的模型是正确的，那么你既然相信卢瑟夫的原子模型是正确的，那么你不爱就要回答为什么这个原子他没有坍塌。 博爱就认为这只能说明经典物理学的某些结论在原子尺度上并不适用，就是经典物理学预测出来的这个电子他会不断的释放出辐射。博爱现在认为这个结论在原子尺度上可能就是并不适用，那么 因此要想这个原子不坍塌，所以你就只能假设电子可以在某些特定的轨道上运行，哎，那这些轨道上运行的电子他就不辐射能量，那么如果不辐射能量，所以这个原子他就不坍塌，那么这些轨道就被称为电子的稳定太轨道。 也就是说电子在河外的轨道并不像经典物理学认为的那样，可以在任意的距离上绕着这个圆子和运行，而是电子在特定的轨道上，他所能占据的轨道并不是连续的。 举个容易理解的例子，就假如我们的这个太阳系现在只有呃太阳，还有地球，那么地球绕太阳的轨道可以是任意的大小，那么地球距太阳的距离可以是零点八亿公里，可以是一亿公里，当然也可以是一点三三三亿公里，那么你 能想象到任何一个数字都是可以的，但是博爱仙子说你地球只能在距离太阳一亿公里，两亿公里，三亿公里的这些轨道上运行，那么除了这些允许的轨道之外，地球就不能在 不能存在于任何的轨道之上。那么对电子来说也是一样的，他只能在特定的一些轨道上运行，那么在这些轨道上 原子就是稳定的，而不会发生坍塌。这就是博爱找到的第一条线索，就是假设了稳定探轨道的存在，或者说电子的轨道是不连续的。不过当时博爱也很清楚，这里存在一个循环论证的问题，就是 你肯定要问，那么为什么电子就存在这些稳定他的轨道，当时波尔农给出的回答是，因为在这些轨道上电子他不辐射能量， 那么你肯定又要问，那为什么电子在这些轨道上就不辐射能量呢？那么博尔当时也只能回答，因为这些轨道是稳定太轨道，你看这种循环论证，很显然就是 有点不讲道理，所以博爱就需要找到第二条线索来解释，为什么电子的轨道是不连续的，以及电子的这些轨道上所具有的能量是多少，以及各 稳定太轨道的半径是多少，那么这个问题就非常的困难，所以博爱就为了考虑这个问题，当时连工作也不要了，在一九一二年的年底，他就请了几个月的假，专门找了一个僻静的地方，就是专门思考这个问题。 就在圣诞节的前夕，他就无意中在约翰这个尼克尔森的论文中就发现了关键性的一点，这就是博尔需要找的第二小险 说，你看爱森这个人不爱其实并不陌生，因为他在剑桥上学的时候，其实见过这个人，他当时 这个人当时并没有给博尔留下多少印象，那么尼克尔森就在就在自己的这个论文中，他论证了这样一件事， 就是在经典物理学中，任何有质量的物体，就是在运动的时候，他都有动量，那么动量怎么算？就是质量乘以速度，那么一个做圆周运动的物体，他也有动量，不过他叫这个脚动量，那么脚动量就等于质量乘以这个半径，再乘以他的这个限速度。 在经典物理学中，其实对这个搅动量的大小也没有做任何的限制，也就是说这个搅动量也是连续的，但是你可以深陷的发现，电子的搅动量其实并不是连续的， 他的搅动量必须是 h 除以 ipad 整数倍，这个 h 除以 ipad 就是这个搅动量。量子是搅动量的最小单位，用 h 霸表示，也叫约化普朗克常数就是一个 h， 上面有一个一撇，这叫 h 霸。 比如一个电子的搅动量就只能是这个一倍的 h 八，然后是两倍的 h 八，然后三倍的 h 八等等，直到 n 倍的 h 八。这就是波尔找到的第二条线索。 现在知道了为什么园子只能在特定的轨道上运行，因为他的搅动量是量子化的，所以他的轨道 也是量子化的，不也就用字母 n 表示了这个电子的轨道量子数， n 只能是正中数。在每个轨道上的电子都拥有自己特定的轨道能量，称为能 等级，用这个 e 嗯表示，那么博爱，以博爱就以这个青原子为例，计算出了青原子的各个电子，就是轨道能击的大小以及这个轨道半径的大小。 比如当这个 n 等于一的时候，电子就处在了最低的这个等级，称为机态，那么能量就是负的。十三点六电子伏特，那么这个负号就表示这个电子受这个原子核的约束。这个电子伏特的就是因为是能量的单位， 表示了一个电子在通过异福特的这个电视差之后，他所能获得的这个动能是多少。这个能量单位非常的小，专门就是用来表示这个原子层面上的能量。我们日常生活中是不会用到这个电子福特的，哎，是会用到焦啊，原因是这个电子辐射太小了，写起来很麻烦， 像是生活中的这个一百瓦的灯泡，他释放出来的能量，如果用这个电子福特表示的话，就可以写成六点二四乘以十的二十次方电子福特，然后每秒这是一个天文数字啊，所以足以见到这个电子福特的大小。 好，现在回到正题，我们接着说这个原子，那么鸡菜的能量是算出来的，那么其他农机的这个能量呢？ 其他农机的也叫这个激发菜，我也就发现其他农机的这个能量就等于这个机菜的能量，然后除以这个轨道能量数的这个平方就是。假如机菜是一一， 那么第二农机就是一一除以这个二的平方，这个农机就是负的三点四，是负的十三点六，因为除以 四就是负的三点四一位。那么波尔现在还算出了电子储存积碳时候，这个青原子的大小，他是五点三大米，那么其他农机的轨道半径就是积碳的轨道半径，然后乘以 m 的平方，比如说 击赛的轨道半径是 r， 那么 n 等于二的时候，他的轨道半径就四 r， 然后以此类推，就是九 r 十六 r， 就这样。那么到目前为止， boy 就已经建立了一个量子化的原子模型。但是一个正确的理论需要解释一些， 是以前人们无法解释的现象，那么不然这个理论就是空有一副皮囊，是毫无用处。所以说博尔还需要找到第三条线索来完成他的原则论文。那么第三条线索在哪呢？当时他的一位朋友叫汉斯，汉森是博尔在哥本哈根 大学时候认识的，那么这位朋友现在他也从这个国外留学回来了，他留学的地方是德国的戈婷根大学， 由于当时德国的是这个光谱学的，就是研究的前阵地，所以汉斯当然也掌握了不少的这个光谱学的知识。 他就问布尔，你的原子模型能不能解释这个原子的发射光谱呢？所以他就建议不外了解一下清原子光谱的这个巴尔莫公式。说到巴尔莫公式，我们还得把时间就是倒回到一八五零年的时候，这一年的物理学家安德森就详细的测量了清原子的这个发射光谱。 在可见光中，青原子有四条光谱线，就分别落在了红光还有绿光、蓝光、紫光的区域，对应的波长为，呃六五六点二幺零四八，六点零七二 四三四点零一，还有四幺零点幺二纳米。所以当时的人们就很奇怪，你说这园子的光谱线是怎么来的？他们为什么是一些就是分裂的线条，而不是连续的一个光谱？这两个问题在当时确实是很难回答，这是今天博爱就要解决的问题， 不过当时的人们还是做出了一个巨大的突破。那么既然我们现在已经测量出来了这个青原子在可见光中的这个四条光谱线的这个波长， 那么这些波长之间有什么关系呢？能不能用一个数学公式把他们联系起来？这就要提到一位瑞典中学的数学老师，他就叫约翰巴尔莫，他经常就给自己的朋友抱怨说，我每天都过得非常的无聊，也没有啥难题能够困扰他，所以他的这位朋友就告 是这个巴尔木，要不你来算一下这个青原子光谱线，就是这些波长之间到底有啥数学关系呢？也就是上面四个数字之间的关系，那么这位老爷子还真是牛，难怪他整天受不了，所以他就在 一八八四年的六月的时候，这个巴尔木真的给出了一个公式，就把这四条光谱线就是表示了出来，这个公式就长这样，那么公式中的 m 和 n 都是正总数，这个 b 是个长，数值为三六四点五六纳米。 呃，当我们让这个 n 等于二的时候， m 分别取三四五六，那么算出来的波长正好就是上面的这个四个数字，还真是神奇，这四条线现在也被称为这个清远祖光谱的巴尔莫西，那么当时这个巴尔莫老 椰子就想，这个 a 能不能是其他数呢？比如说 n 等于三，然后 m 取这个四五六七，那么算出来的波长又代表了什么？后来的实验发现，这个巴尔木公式预测出了青莲子在红外区域的这个发射光谱， 在一九零八年的时候，这个红外区域的这个光谱线就被德国的物理学家帕刑给发现了，所以现在就命名为帕刑系，那么 n 等于一呢？这个 m 现在轮番取之，这又是啥呢？这是青原子在紫外线区域的这个发射光谱，现在叫莱曼系， 不得不说这个数学真的是很神奇，难怪人家说数字数学是大自然的语言，那么巴尔漠公式就成功的预言了这个青原子的发射光谱，但是当时没有一个人知道 为什么这个公式就这么管用，当然也没有人知道这背后的这个物理学意义。当博爱看了这个公式以后，立马就知道是咋回事，这不就是电子在不同农机之间跃迁吗？那么当 m 等于一的时候，这就是积碳，那么 m 等于这个爱， 三四五六，这些都是基巴泰啊，那么每一个基巴泰的电子，像这个基泰的电子，基泰越线的时候，他们就会以电磁波的形式，然后释放出两个能击之间的这个能量差，这个波长就可以用普朗克爱因斯坦公式直接给算出来。所以说至此 博爱就完成了对卢瑟夫原子模型的这个改造。博爱的原子模型就是量化原子模型，他量化了电子的搅动量，为原子模型加入了一个量子数， 可以叫他轨道量子数，现在称为这个主量子数，用字母 m 表示。在一九一三年的七月，九月、十一月， boy 的三篇论文就发表在了哲学杂志上，史称三部曲。 那么在往后的十年间，我也就利用自己的原子模型去解释了元素周期表的问题，也就是开头我提到第二个问题， 在这十年间，那些年轻的小伙子们炮力海森宝迪拉克正在成长，他们的学习生涯中听到最多的就是 博爱的原子理论对原子光谱以及化学周期表的解释，所以他们都将博爱视为了自己的偶像，当然这个迪拉克他除外。好了，今天的内容就到这里。

知道了吧，那么 part one 原子的核式结构模型这个东西是怎么来的呢？啊？不得不提到一个男人，叫做卢瑟福，还有这个男人做的一个非常重要的实验，叫做阿发粒子散射实验，我们来一起回顾一下啊。阿发粒子散射实验是不是就说从这个放射源 发出大量的阿发粒子打过，打到这个金箔是吧？打金箔，然后拿一个显微镜啊，从这边来回移，移动，移动移动， 发现了什么呢？就发现这个地方他能得到的亮点啊，闪光是最多的， 能明白吧？就是你正对着这个方向去观察的时候，这个这个这个亮光是最多的啊，啥意思呢？其实阿凡粒子最多，知道吧，你越往这边挪，越往这边挪，他就越少啊， 你到这个地方的时候几乎就没有了，就极少数能会出现在这个地方，是不是？所以我们实验观察到的现象就是这么简单一个问题啊，就是绝大多数外发粒子穿过筋膜之后几乎沿原方向前进，啥意思啊？ 就说明他没有受到任何干扰，对不对？就是你不要觉得，哎，我打过了一个金箔啊，这地方全是原子，但实际上你会发现大多数阿凡粒子没有受到任何干扰，是吧？少数的阿凡粒子穿过金箔之后发生了较大偏转，受到了比较明显的干扰，还有极少数阿凡粒子击中金箔之后几乎沿原方向返回。 那么根据这几个实验的现象啊，注意，根据这几个实验现象，我们能得出一个什么样的结论呢？啊？就卢瑟福得出一个结论，也就是我们现在所谓的原子的核式结构模型啊，实验的结论就是原子当中带正电的部分体积很小 好吧，带正电部分体积很小，但是呢，他却几乎占有了全部的质量，电子就在这个正电体的外面去运动啊，电子的质量很小，所以他几乎不会干扰到我的 r 粒子是吧？而这个中间有一个原子核，它的体积很小，但是质量很大，这个就是原子核是吧？ 所以核式结构模型最重要的是什么呢？就是告诉我们原子是有一个核的对不对？他是推翻了我们之前学的那个西瓜模型 是吧？或者早高模型啊，之前我认为正电赫是弥散的，然后呢？点缀着一些星星点点的电子是吧？阿尔法粒子散射实验做完之后啊，卢瑟福告诉你不是这么回事，中间有一个核 是吧？中间有一个盒啊，王坤同学说我妈催我睡觉了啊，真是好妈妈呀，啊，这个果然母爱都是伟大的啊，就是见不得你学习，我真的天，我的天呐，啊，这个，这个盒啊，这个就原子里面是有一个盒的，但是是不是说他提出这个模型就是对的呢？ 啊？卢瑟福提出这个原子的和式结构模型是不是就是就是完全那个正确的一个模型呢？哎，也不是啊，他之前就认为这个电子啊，在周围就随便这么转就行，就绕着转就行，但实际上不可能是这样的，对吧？所以我们后来又提出了一个新的模型，叫做波尔理论是吧？波尔。

上一期我们讲到，卢瑟福用阿尔法粒子炮弹为我们揭开了原子结构的秘密。太阳系模型原子内部空荡荡，几乎所有的质量和正电核都集中在一个叫原子核的比中间还小无数倍的硬核里。 但一个巨大的谜团也随之浮现，这个神秘的原子核，它自己又是由什么构成的？大家好，我是虽然没到一百粉丝，但仍然坚持努力的便携谜团。 当时科学界有一些大胆的猜想。最诱人的一个来自一百多年前，一八七五年，化学家威廉普劳特提出，世界上所有的元素会不会都是由最轻的氢组成的。 这个想法很美，但一直只是猜想，缺乏证据，因为很多元素的原子量并不是轻的整数倍。 一九一四年，学生们上了战场，但卢瑟福没有停下。这位核物理学家白天为海军研究如何探测潜艇，晚上却钻进实验室一个黑暗的地下室， 继续他比战争更重要的探索。打开原子核，他的超级武器简陋的令人吃惊。一个只有十厘米长的旧黄铜盒子，一端放着辐射源雷，中间有个只允许某种粒子穿过的小窗， 另一端就是硫化氢荧光屏。实验必须在伸手不见五指的黑暗中进行，陪伴他的只有一人，就是实验室管理员威廉凯。 他们轮流把眼睛凑到显微镜上，记录屏幕上微乎其微的闪光。这闪光是被攻击出来的粒子信号。 这项工作极度折磨眼睛，每人只能坚持两分钟，就必须换班轮流休息。罗斯福的笔记里写满了因视力不佳未探测到的无奈。 卢瑟福在追踪一个站前发现的线索。用阿尔法粒子轰击空气时，总会意外的检测到很多带正电的氢原子核。这些氢核是哪来的？是空气中的杂质吗？还是仪器本身产生的？ 卢瑟福使出了他作为实验物理学家的看家本领，系统性的排除法。他往那个红铜盒里依次冲入不同的纯净气体。 冲入普通空气时，荧光屏上有清核的闪光，换入纯氧气或二氧化碳时，闪光几乎消失了。最后冲入纯氮气荧光屏上，清核的闪光竟然变得异常强烈。 答案水落石出。清核既不是杂质，也不是仪器产生的，他只有一个来源，阿尔法粒子轰击弹。原子核把他给砸碎了，飞溅出来的碎片就是清核。 一九一七年，在那个空旷地下室，罗瑟福实现了几千年来念经书时的梦想，他将一种元素变成了另一种元素。他激动的写信给海军部，我有理由相信，如果我已经粉碎了原子核，这比战争更重要。 经过几年反复验证，结论无可辩驳。那些从碳和以及其他氢元素和中被轰出来的氢核不是偶然的客人，他们本身就是建造原子核的基本砖块。 卢瑟福为这个砖块赋予了一个全新的名字，质子。它源自希腊语中的第一，因为它是构成万物的第一块基石普劳特那看似天马行空的想象在一个世纪后被卢瑟福用一束阿尔法粒子和一个旧黄铜核证实了。 所有元素的原子核里都包含着质子。我们宇宙中一切复杂的物质，追根溯源都始于最简单的氢， 但一个巨大的矛盾立即跳了出来。如果原子核里积满了带正电的质子，它们应该强烈相互排斥，瞬间炸开才对。是什么神秘的力量把它们死死的粘在一起？ 更奇怪的是质量，比如亥核，它的两个正电核说明有两个氢核，但质量却是单个氢核的四倍多。出来的质量是什么？ 面对这些难题，罗斯福在一九二零年作出了一个更大胆的预言，原子核里一定还有一种全新的粒子， 它质量和质子差不多，但根本不带电。因为没有电核，它不会被原子核排斥，能轻松地进入其中，充当关键的粘合剂和质量块。 他把这个想象中的粒子称为中子。然而，捕捉中子就像捕捉一个幽灵，他不带电，不会让荧光屏闪烁，不会在磁场中拐弯，几乎不留下任何痕迹。 幽灵已经预言猎手即将就位，下一章敬请期待捕捉幽灵中子的发现。 我是便携谜团，我想为这个系列视频创建合集，但因为我连一百个粉丝都没有而创建未碎。 希望看到这里的大小朋友们点个关注，我打算一直讲到赋予万物质量的希格斯场，这可能需要好几十集，我会加油的，谢谢大家！