你腦海中的原子模型是什麼樣的？

最近，我突然發現有許多人都沒有正確地認識原子模型。我指的這些人是他們知道原子是構成萬物的基本單元，但卻沒有正確地認識原子的結構。

我認為「原子」這個概念是每一個人都必須知道的科學術語，畢竟你、我、包括日常我們見到的所有東西都是由原子構成的。所以，今天我們就簡單地從原子模型的發展歷史來正確的認識目前已知最準確的原子模型。

在開始之前，我先做個調查，你們知道下面五個原子模型哪個是最正確的嗎？

我也對身邊許多非科學專業的朋友做了個小調查，排除那些不知道原子這個術語的人，大多數人給出的答案都是圖三，少部分人認為是圖四。

的確，如果你在谷歌或百度圖片輸入「原子」就會發現，搜出來的圖片大多都是原子的行星模型（圖三）。也難怪很多人想到原子就會想到圖三所顯示的那樣。

而事實是這個圖像是不正確的。

早在古希臘時期，德謨克利特（更有可能是他的老師留基伯）就提出萬物皆由不可分割的原子組成。但直到到19世紀，英國化學家道爾頓才重新復活了德謨克利特的原子理論，基於實驗證據提出了實心球模型（圖一）。他認為所有的元素都是由原子構成的，原子不可能被繼續分割或摧毀。

到了20世紀初，科學家知道原子是由帶負電的電子，加上某些帶正電荷的東西構成的。當時主流的想法認為（由電子發現者湯姆遜提出）原子是一個帶正電荷的球，電子鑲嵌在裡面，看起來就好像是葡萄乾布丁，因此被稱為葡萄乾布丁模型（圖二）。

湯姆遜的葡萄乾布丁模型，也被稱為梅子布丁模型、西瓜模型和湯姆遜模型。（圖片來源：boundless.com）

但到了1911年，盧瑟福的登場使一切都改變了。當時他正在曼徹斯特大學，發表了著名的金箔實驗結果。在盧瑟福的實驗設置中（下圖），一個放射源射出了一束帶正電荷的 α粒子，打到一面非常薄的金箔，金箔的周圍圍有一圈硫化鋅熒幕，如下圖（a）。當α粒子打到熒幕時就會發出一點閃光。

盧瑟福的金箔實驗。今天，物理學家依舊按照盧瑟福的實驗模式來探索亞原子世界。（圖片來源：Book Archives）

根據葡萄乾布丁模型，我們預期會在實驗中看到 α粒子直接穿過金箔，在熒幕上形成一小簇閃光，像上圖（b）的情況。

但是！從上圖（c）中可以看到，有一些 α粒子以大角度偏折了！！！實驗總是能給我們帶來一些意想不到的結果。由於帶正電的 α粒子被偏折了，盧瑟福因此對他的實驗結果做了一個大膽的總結：在原子內部，使 α粒子往其它方向偏折的東西一定很小、很重，而且是帶正電的。原子應該帶有一個原子核！

因此他提出了原子結構的行星模型：電子像太陽系的行星圍繞太陽轉一樣圍繞著原子核旋轉。

盧瑟福的行星模型。（圖片來源：SciShow）

盧瑟福模型準確地預言了原子的中心是質子，以及電子環繞著原子核運行，今天你仍然可以看到他的模型被應用在對原子的基本解釋。但是，行星模型有一個重大的問題：根據經典電磁理論，這樣的電子會發射出電磁輻射，損失能量，以至於它會坍縮到原子核里。這就意味著所有的原子最終都會坍縮。但我們知道穩定的原子確實存在，不然也就不會有我們，因此肯定哪裡出錯了。

就在兩年後，1913年，丹麥物理學家玻爾（盧瑟福的學生）對盧瑟福模型進行了修正，完美地解決了這個問題。

玻爾模型（圖四）假設電子只能在一系列特定能量的軌道上繞著原子核做圓周運動，這些特定的能量稱為電子的能級。電子只能精確地在特定的軌道上運動，因此不會向原子核坍縮。

玻爾原子模型很好的解釋了氫原子光譜。當一個電子從一個能級跳到另一個能級的時候，就會輻射出光子，光子的能量由圖中E可計算。（ HyperPhysics）

當電子從一個能級跳到另一個能級上時，就會發射或吸收與能級之間能量差相對應的光子。玻爾模型成功地解釋了氫原子的光譜線的分布規律。因此，很快就成為了最流行的原子模型，今天也經常被用來解釋原子的基本結構。

但玻爾模型依然不是完全正確的原子模型。

到了1932年，有了一個突破性的發現。英國物理學家查德威克發現了中子的存在。中子是電中性的，也幫助解釋為什麼原子核很重。

而另一個突破性的發現跟量子力學有關，即電子並不一定要沿著特定軌道繞原子核做圓周運動。事實上，電子在任何給定時間內並不一定要在一個特定的位置，而是在一個更大的區域內可以同時在不同的地方。接著，當你真正的去測量一個電子時，它就突然待在那個區域的某個特定地方。

這個概念跟我們現實中所體驗到的世界是非常不同的。但這就是量子力學。當你去測量電子時，你可能找到電子的那個區域叫做電子云。比如，氦原子結構：

氦原子：原子核由兩個質子和兩個中子構成，圍繞著原子核的是電子云（黑色區域）。（圖片來源：SciShow）

在氦原子結構中，中間是由質子和中子構成的原子核，圍繞著原子核的是球形的電子云。越靠近原子核的電子云會比較黑，這意味著當你測量的時候，在更黑的區域找到電子的概率更高。科學家也發現，在玻爾的軌道上找到電子的概率最高，這也是為什麼很多時候我們可以用玻爾模型來簡化計算。

電子軌道。（圖片來源：Wikimedia Commons）

但是，當研究越來越大的原子，也就是包含越來越多的電子時，電子云開始互相干涉，並且開始有各種不同的形狀。

量子力學的電子云模型（圖五）是目前已知最準確的原子模型。

但這並不意味著其它的模型沒有用。例如，當你想專註於能級和輻射的研究時，玻爾模型就很有用的。如果你想研究化學鍵，你就需要電子云模型來確定電子究竟在哪裡。但如果你想讓別人對原子的結構有一個非常基本的了解，行星模型會是個不錯的選擇。如果你想知道原子結構的真實圖片，看這張：

氫原子軌道結構的第一張真實圖片。（圖片來源：APS/Alan Stonebrakere）

最後，留一個問題給你們思考。你認為我們身體中的原子有沒有可能是來自過去的事物？例如，在你的身體中的原子有沒有可能曾經也在秦始皇身上？（需要注意的是，你通常會認為這裡的「你」是指你的骨頭、肌肉、皮膚或其它器官，但從細胞的角度看，這些只包含了你身體4%的細胞。其它的96%來自血細胞和細菌。）

文/正恩 /原理（principia1687）

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