最近，我突然發(fā)現(xiàn)有許多人都沒有正確地認(rèn)識(shí)原子模型。我指的這些人是他們知道原子是構(gòu)成萬物的基本單元，但卻沒有正確地認(rèn)識(shí)原子的結(jié)構(gòu)。

我認(rèn)為“原子”這個(gè)概念是每一個(gè)人都必須知道的科學(xué)術(shù)語，畢竟你、我、包括日常我們見到的所有東西都是由原子構(gòu)成的。所以，今天我們就簡單地從原子模型的發(fā)展歷史來正確的認(rèn)識(shí)目前已知最準(zhǔn)確的原子模型。

在開始之前，我先做個(gè)調(diào)查，你們知道下面五個(gè)原子模型哪個(gè)是最正確的嗎？

我也對身邊許多非科學(xué)專業(yè)的朋友做了個(gè)小調(diào)查，排除那些不知道原子這個(gè)術(shù)語的人，大多數(shù)人給出的答案都是圖三，少部分人認(rèn)為是圖四。

的確，如果你在谷歌或百度圖片輸入“原子”就會(huì)發(fā)現(xiàn)，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(huì)想到圖三所顯示的那樣。

而事實(shí)是這個(gè)圖像是不正確的。

早在古希臘時(shí)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(jì)，英國化學(xué)家道爾頓才重新復(fù)活了德謨克利特的原子理論，基于實(shí)驗(yàn)證據(jù)提出了實(shí)心球模型（圖一）。他認(rèn)為所有的元素都是由原子構(gòu)成的，原子不可能被繼續(xù)分割或摧毀。

到了20世紀(jì)初，科學(xué)家知道原子是由帶負(fù)電的電子，加上某些帶正電荷的東西構(gòu)成的。當(dāng)時(shí)主流的想法認(rèn)為（由電子發(fā)現(xiàn)者湯姆遜提出）原子是一個(gè)帶正電荷的球，電子鑲嵌在里面，看起來就好像是葡萄干布丁，因此被稱為葡萄干布丁模型（圖二）。

△ 湯姆遜的葡萄干布丁模型，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(dāng)時(shí)他正在曼徹斯特大學(xué)，發(fā)表了著名的金箔實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在盧瑟福的實(shí)驗(yàn)設(shè)置中（下圖），一個(gè)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(dāng)α粒子打到熒幕時(shí)就會(huì)發(fā)出一點(diǎn)閃光。

△ 盧瑟福的金箔實(shí)驗(yàn)。今天，物理學(xué)家依舊按照盧瑟福的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ絹硖剿鱽喸邮澜纭＃▓D片來源：Book Archives）

根據(jù)葡萄干布丁模型，我們預(yù)期會(huì)在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)總是能給我們帶來一些意想不到的結(jié)果。由于帶正電的 α粒子被偏折了，盧瑟福因此對他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果做了一個(gè)大膽的總結(jié)：在原子內(nèi)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(yīng)該帶有一個(gè)原子核！

因此他提出了原子結(jié)構(gòu)的行星模型：電子像太陽系的行星圍繞太陽轉(zhuǎn)一樣圍繞著原子核旋轉(zhuǎn)。

△ 盧瑟福的行星模型。（圖片來源：SciShow）

盧瑟福模型準(zhǔn)確地預(yù)言了原子的中心是質(zhì)子，以及電子環(huán)繞著原子核運(yùn)行，今天你仍然可以看到他的模型被應(yīng)用在對原子的基本解釋。但是，行星模型有一個(gè)重大的問題：根據(jù)經(jīng)典電磁理論，這樣的電子會(huì)發(fā)射出電磁輻射，損失能量，以至于它會(huì)坍縮到原子核里。這就意味著所有的原子最終都會(huì)坍縮。但我們知道穩(wěn)定的原子確實(shí)存在，不然也就不會(huì)有我們，因此肯定哪里出錯(cuò)了。

就在兩年后，1913年，丹麥物理學(xué)家玻爾（盧瑟福的學(xué)生）對盧瑟福模型進(jìn)行了修正，完美地解決了這個(gè)問題。

玻爾模型（圖四）假設(shè)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(yùn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)，因此不會(huì)向原子核坍縮。

△ 玻爾原子模型很好的解釋了氫原子光譜。當(dāng)一個(gè)電子從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級的時(shí)候，就會(huì)輻射出光子，光子的能量由圖中△E可計(jì)算。（? HyperPhysics）

當(dāng)電子從一個(gè)能級跳到另一個(gè)能級上時(shí)，就會(huì)發(fā)射或吸收與能級之間能量差相對應(yīng)的光子。玻爾模型成功地解釋了氫原子的光譜線的分布規(guī)律。因此，很快就成為了最流行的原子模型，今天也經(jīng)常被用來解釋原子的基本結(jié)構(gòu)。

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(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)。英國物理學(xué)家查德威克發(fā)現(xiàn)了中子的存在。中子是電中性的，也幫助解釋為什么原子核很重。

而另一個(gè)突破性的發(fā)現(xiàn)跟量子力學(xué)有關(guān)，即電子并不一定要沿著特定軌道繞原子核做圓周運(yùn)動(dòng)。事實(shí)上，電子在任何給定時(shí)間內(nèi)并不一定要在一個(gè)特定的位置，而是在一個(gè)更大的區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)在不同的地方。接著，當(dāng)你真正的去測量一個(gè)電子時(shí)，它就突然待在那個(gè)區(qū)域的某個(gè)特定地方。

這個(gè)概念跟我們現(xiàn)實(shí)中所體驗(yàn)到的世界是非常不同的。但這就是量子力學(xué)。當(dāng)你去測量電子時(shí)，你可能找到電子的那個(gè)區(qū)域叫做電子云。比如，氦原子結(jié)構(gòu)：