卢瑟福模型

物理大师欧尼斯特·卢瑟福创立的原子模型

卢瑟福模型，或行星模型、太阳系模型，是物理大师欧尼斯特·卢瑟福创立的原子模型。1909年，卢瑟福领导设计与发展成功的卢瑟福散射，证实了原子核存在于原子中心处[1]。从此，卢瑟福推翻了约瑟夫·汤姆孙主张的梅子布丁模型。卢瑟福设计的新模型，根据他的实验结果，拥有几个重要的特色。大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（原子核）；电子则环绕在原子核的外面，像行星的环绕着太阳进行公转。

模型特色

实验证据

卢瑟福散射实验使用阿尔法粒子来探测原子的结构。1909年，在恩师卢瑟福的指导下，汉斯·盖革和欧内斯特·马士登发射阿尔法粒子射束于很薄很薄，只有几个原子厚度的金箔纸。在那时代，原子被认为类比于梅子布丁（物理学家汤姆孙提出的），负电荷（梅子）分散于正电荷的圆球（布丁）。假若这梅子布丁模型是正确的，由于正电荷完全散开，而不是集中于一个原子核，库仑位势的变化不会很大，通过这位势的阿尔法粒子，其移动方向应该只会有小角度偏差。

然而，他们得到的实验结果非常诡异，大约每8000个阿尔法粒子，就有一个粒子的移动方向会有很大角度的偏差（超过90°）；而其它粒子都直直地冲过金箔纸，没有任何偏差。从这结果，卢瑟福断定，大多数的质量和正电荷，都集中于一个很小的区域（原子核）；电子则包围在区域的外面。当一个（正价）阿尔法粒子移动到非常接近原子核，它会被很强烈的排斥，以大角度反弹。原子核的小尺寸解释了为什么只有少数的阿尔法粒子被这样排斥。从纯属对称性和审美性的观点，这个质量与电荷集中的区域，应该处于原子中心。

1911年，卢瑟福提出他自己的物理模型，诠释这些突如其来的答案。原子，是由一个带正电荷的中心区域（这就是现代的原子核，虽然卢瑟福没有想到这术语），和环绕在这区域外面的电子云层，所构成的。

从能量守恒定律，卢瑟福推理，知道阿尔法粒子的速度，就可以知道阿尔法粒子的撞击能够达到与原子核的最小距离。稍加计算，他得到金原子的原子核半径必小于（真实值只是这数值的五分之一）。金原子的半径大约是。这是一个令人惊讶的结果，所有的正电荷都聚集于原子中心一个很小区域，其半径小于三千分之一原子半径。

卢瑟福模型并没有给予电子的环绕运动任何结构。在卢瑟福的1911年论文里，他提到了长冈半太郎的半太郎模型，一个从麦克斯韦的土星环稳定理论得到的点子，建议电子的轨道就像土星环。

卢瑟福更进一步地建议原子中间的单位电荷数目可能与其原子量成比例（大约一半）。那时，金的原子量估计为 197 amu。所以，卢瑟福猜想单位电荷数目是98个单位电荷左右。这数子与金原子的原子序79（那个年代，在周期表的位置次序）相差甚远，卢瑟福并没有正式地建议两个数量可能完全一样。

后续模型

很快地，学者们发觉卢瑟福模型，虽然拥有一些引人欣赏的性质，但也引起一个很严重的问题。由于环绕着原子核的电子，不断地做加速度运动。根据电动力学的经典理论，加速度运动中的电子会发射辐射，同时失去能量，造成了原子的不稳定。为了挽救模型的主要性质，尼尔斯·玻尔认为必须修改电子的轨域运动规则。因此，他发表了玻尔模型。过了不久，卢瑟福模型就被性质比较优秀的玻尔模型取代了。这模型引用了一些早期量子力学的实验结果来设定电子的物理行为，限制电子的轨道为平面的圆形轨道。扩展亨利·莫塞莱的成果，玻尔认定原子核的单位电荷数目与原子序有直接的关系。由于玻尔模型是卢瑟福模型的改良，有些物理学书本将两个模型合并，将玻尔模型称为卢瑟福-玻尔模型。

这些二十世纪初期的发展，研究原子的物理结构，关键地开启了现代的原子物理学和量子力学。

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