原子核式结构的提出及其面临的困难

上一期我们谈到了卢瑟福用阿尔法粒子的散射实验,否定了汤姆逊的枣糕模型,从而提出了原子模型应该是原子核结构模型。形象的说,该模型像一个太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上,而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时,就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射的现象。但是由于他还是用宏观的理论去解释微观的现象,所以就面临了一些困难,或者说是一些现象无法解释。最主要有两点无法解释,我们做一简要说明。

一是原子内部的电子不断向外辐射能量必然会导致电子轨道的缩小最终与原子核所带的正电子中和,事实并非如此。什么意思呢?,任何物体都在向外辐射能量,所以按照这个模型,电子向外辐射能量,那么,它的机械能就会减少,结合我们以前所学的圆周运动或者万有引力的模型,就可以知道它的轨道半径就会变小,如果一直变小,那么这个原子不就变小了吗?小到一定程度,原子核和电子不就是正负电子中和了吗?然而,事实并不是如此。

二是核式结构认为原子内部电子是做轨道运动,既然半径是慢慢变小,那么无法解释观测到的原子所发出的各种不连续的光谱的频率。这里我们简单说一下光谱,所谓的光谱,就是说任何一种物质都对应着一种光谱,也就是说对应着一种不同颜色的光带,或连续或不连续的光带。光谱如何观测呢?有两种方法,一种是让被观测的物质发光,借用一些专用仪器就可以观测到光谱,这称之为发射光谱,还有一种方法是用白光照射到被观测物质的蒸气上,有一部分光就被蒸气吸收了,这称之为吸收光谱。而这种结构恰恰无法解释这种不连续的光谱。怎么办呢?我们下期再说

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