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原子结构

众所周知，电子是带负电的，显然，原子中应该存在带正电的物质，汤姆孙提出了一种“葡萄干布丁模型”，他假设原子的正电荷均匀分布在整个原子球体内，而电子是镶嵌在其中的，为了能够解释元素周期表，他进一步假定电子分布在一些同心圆上，每个环上存在有限个电子。这一模型不久就被他的学生卢瑟福推翻了。在当时，X射线与放射性刚发现不久，是当时研究的热点。卢瑟福在X射线与放射性方面做出过许多突出贡献，尤其是他发现了放射性射线的三种成分：α射线，β射线，γ射线，而且证明了α射线就是氦离子。

卢瑟福利用镭放射出的高能α粒子作炮弹轰击各种原子，通过测量出射的α粒子的角分布来研究α粒子与物质的相互作用。1909年，他的学生盖革和马斯顿等在实验中发现有约八千分之一的粒子被反射回来。这一实验直接否定了汤姆孙的葡萄干模型，通过严谨的理论推导，卢瑟福于1911年提出了原子的有核模型。他认为原子几乎所有的质量和全部电荷都集中在一个非常小的体积内，称作原子核，电子在核外绕核运动。为了证明这一理论，他们又经过了无数的反复实验，最后以严格的、确凿的实验结果证实了散射理论与有核模型。

卢瑟福的学生中有十几位诺贝尔奖获得者，著名的有玻尔、查德威克、科克罗夫特、卡皮察、哈恩等，原子核发现后，卢瑟福于1919年利用α射线轰击氮原子核，在人类历史上首次实现了“炼金术”，第一次实现了核反应。从此元素在也不是永恒不变的东西了。卢瑟福通过一系列核反应发现了质子也就是氢离子是一切原子核的组成成分，并预言了中子，中子后来由他的学生查德威克发现，并且最终确立了以质子和中子为基础的原子核结构模型。泡利不相容原理建立之后，元素周期律也得到了解释。卢瑟福后来被称为核物理之父。当然，就在英国轰轰烈烈的时候，不要忘记法国的居里夫妇，因为卢瑟福一系列发现所需要的原子炮弹就是放射性元素（尤其是镭）放出的α粒子。此时的法国成立了居里实验室，居里因车祸丧生，玛丽因在放射性方面的成就再获诺贝尔化学奖，有名著《放射性通论》传世，居里实验室后由小居里夫妇：约里奥.居里和伊莱娜.居里主持，同样人才济济，与三大圣地相比也毫不逊色。小居里夫妇运气差了一点，发现中子被查德威克抢了先，发现正电子被安德森抢了先，发现核裂变被哈恩抢了先，机遇稍纵即逝。不过最后终于因为人工放射性的发现而获得了诺贝尔奖。如今放射性同位素已经达到了几千种，绝大多数都是人工产生的，这要归功于小居里夫妇。

有核模型在实验上取得了成功，但与当时的基础理论存在严重的冲突。按经典电动力学，由于电子作圆周运动，一定会辐射电磁波，由于损失了能量，会在1ns时间内落入原子核，同时发射连续光谱。也就是说，理论上根本就不可能存在原子这种东西。但是原子的确存在，而且是稳定的，发射线状光谱，有大量的实验事实和整个化学的支持。1911年，一个26岁的丹麦年轻人来到剑桥，随后转到曼彻斯特的卢瑟福实验室，从而了解到了原子核这一惊人发现。最终，他找到了有核模型的一个根本性的修正方法，既能说明原子的稳定性，又可以计算原子的半径。他就是与爱因斯坦齐名的尼尔斯.玻尔。

1885年，瑞士的一位数学教师巴尔末发现了氢原子可见光谱的一个经验公式，后由瑞典物理学家里德伯推广为里德伯公式。1900年，德国物理学家普朗克提出了能量量子化的概念，解释了黑体辐射谱。1905年，爱因斯坦提出了光量子概念。这些结论给玻尔很大的启发。在这些启示下，玻尔于1913年将量子化的概念用到原子模型中，提出了玻尔的氢原子模型。这一模型的关键是玻尔引入的三个假设。定态假设：电子只能在一些分立的轨道上运动，而且不会辐射电磁波。频率条件假设：能级差与原子吸收（或放出）的光子能量相同。角动量量子化假设：电子的角动量是约花普朗克常数的整数倍。通过一系列推导，氢光谱之谜逐渐浮出水面，取得了巨大成功。玻尔因此荣获1922年诺贝尔奖。尽管玻尔模型现在看来是比较粗糙的，但它的意义并不在于模型本身，而在于建立模型时引入的概念：定态、能级、跃迁等。玻尔引入了对应原理，协调了氢原子模型与经典力学间的冲突。玻尔成功后，拒绝了导师卢瑟福的邀请，回到祖国，并在哥本哈根成立了研究所（后改名为玻尔研究所），玻尔研究所吸引了一大批来自世界各地的优秀青年物理学家，其中就包括量子论的创始人海森伯、泡利和狄拉克，形成了浓郁的学术气氛，此时的哥本哈根开始了对基本物理规律的探索。

直到现在，物理学仍然大体可以分为两派，一派是以爱因斯坦为代表的经典物理学派，成员大致有普朗克、德布罗意、薛定鄂等；一派是以玻尔为首的哥本哈根学派，成员大致有波恩、海森伯、泡利、狄拉克等。自然，这场争论还没有结果。那么即玻尔氢原子之后，物理学又发生了什么变化？两位科学巨人争论的焦点又是什么？