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李子布丁模型:壹個有缺陷的模型,如何幫助我們理解原子

原子作為化學反應中不可分辨的基本粒子,對它的探索和研究已經持續了幾千年,從古希臘的抽象哲學推理,到近代不斷完善的物理概念。和大多數科學探索壹樣,過程中出現了無數錯誤的認知和模型。

1904年,英國物理學家J·J·湯姆遜提出了他對原子模型的看法。這是壹個不同尋常,但看似合理的結構,在科學界引起了巨大反響,並被廣泛接受。

幾年前,湯姆森發現了電子。他試圖調和原子的兩種已知性質:帶負電的電子和電中性的原子。電子帶負電,原子是中性的,所以壹定有東西帶正電。因此,湯姆森想出了壹個在當時很有意義的分配方案——用壹種古怪的英國方式,他稱之為梅子布丁模式。

梅子布丁模型,又稱棗糕模型、葡萄幹蛋糕模型、湯姆遜模型、梅子布丁模型等。湯姆遜把原子看成帶正電的“布丁”,把電子看成“李子”,李子就嵌在布丁裏。這個模型是幾年前提出的,但是被實驗結果打破了。1911年,盧瑟福發表的實驗結果表明,原子核擁有原子的大部分質量,而電子則分散在原子外層的廣大區域。

物質是由原子構成的觀點可以追溯到2500萬年前。古希臘哲學家leucippus提出了“萬物由原子構成”的原子論,並由他的學生德謨克利特加以發展和完善。

出生於公元前460年左右的古希臘哲學家德謨克裏特斯提出了壹個被許多人視為瘋狂的觀點:我們周圍看到的壹切都是由微小的個體成分組成的,他稱之為“原子”。

德謨克裏特斯的壹些想法非常直觀。他認為原子是肉眼看不見的,但它們確實有幾何形狀;它們總是在運動,被真空隔開,單個原子是不可摧毀的——非常接近我們今天所知道的。

雖然壹些哲學家仍然牢記原子論,但德謨克裏特斯的原子論在兩千多年的時間裏基本上被柏拉圖和亞裏斯多德忽略了。

柏拉圖認為壹切物質都是由四種元素(土、火、風、水)構成的。據說他非常憎恨德謨克裏特斯,希望他所有的書都被燒掉。然而,德謨克裏特斯被壹些人視為“現代科學之父”,他的方法更接近科學,而不僅僅是哲學,就像柏拉圖的方法壹樣。

時間來到了20世紀。隨著新的科學發現的出現,原子又被擺上了桌面,科學研究的需要促使我們去研究它們。

18年末,英國科學家約翰·道爾頓在試圖解釋壹些實驗結果。他發現無論化學元素如何結合,反應的總質量都是壹樣的。他和其他化學家也註意到水以不同的比例吸收不同的氣體。比如水吸收二氧化碳的能力遠遠強於氮氣。

他提出每壹種化學元素都是由壹種獨特的原子組成的。這些原子不能被化學手段改變或破壞,但它們可以結合起來形成更復雜的結構——這與德謨克裏特斯提出的觀點驚人地相似。

這種觀點在大約壹個世紀的時間裏壹直是主流學派,直到J·J·湯姆遜的出現。

到了20世紀初,阿瑪迪奧·阿伏伽德羅、羅伯特·布朗甚至阿爾伯特·愛因斯坦等著名研究人員都發現了道爾頓模型的缺陷,但直到約瑟夫·湯姆遜在1897年的實驗,原子仍被認為是物質最小的可能分支。

約瑟夫·湯姆遜通過實驗發現,陰極射線可以被電場偏轉。這意味著陰極射線不是光,而是別的東西,湯姆遜正確地推斷出它是電子流。換句話說,他發現了原子的壹個組成部分:帶負電荷的電子,它不同於過去任何已知的粒子。

他甚至測量了電子的質荷比,發現它們比最小的原子氫小1800倍。所以毫無疑問,原子是可分的,也就是說原子裏的東西也壹定是正的。

他考慮了以下三種情況:

他本可以得到正確的結果,但他錯誤地選擇了最後壹種作為三種情況中最有可能的情況。他把自己的想法提交給了1904版的《哲學》雜誌,湯姆森在文章中寫道:

具有諷刺意味的是,正是這些精確的實驗最終推翻了李子布丁模型。

湯姆遜的模型被他的壹個學生歐內斯特·盧瑟福推翻,可見湯姆遜的工作和實驗室在當時是多麽有影響力。

盧瑟福的實驗表明,正電荷集中在原子的中心,這似乎是壹個原子核。盧瑟福提出了原子的行星模型,其中原子核像恒星,電子像行星壹樣圍繞原子核旋轉。

但是有壹個問題,而且是壹個大問題:它與經典力學相矛盾。

在盧瑟福的模型中,電子圍繞原子核旋轉時會發出電磁輻射。這意味著它會在這個過程中失去能量,螺旋靠近原子核,在1皮秒內坍縮。

這個模型是壹個災難,因為它暗示所有的原子都是不穩定的,而事實顯然不是這樣。

原子模型的討論到此結束於玻爾,他接受了普朗克的量子理論和愛因斯坦的光子概念,在行星模型的基礎上提出了核外電子分層排列的原子結構模型。

根據新模型,電子可以在壹些穩定的軌道上圍繞原子核旋轉,而不會輻射任何能量,這與經典電磁學的觀點背道而馳。雖然我們對原子的理解已經發生了很多次變化,對原子和亞原子粒子有了更多的了解,但這個模型仍然被廣泛使用,至少在非學術界是這樣。

人們很容易註意到梅子布丁模型的缺陷,然後再也不去看它。但是這個模型仍然被用在物理課上是有原因的,它不僅僅是科學史的參考。

如果我們真的想學東西,不只是記住,而是建立壹個過程。如果我們體驗壹下物理學家最初是如何理解原子的,他們有哪些理論,這些理論是如何被證明或者被證明是錯誤的,我們會有更好的理解。這就是為什麽我們學習葡萄幹布丁模型,因為即使是壹個不可思議的想法也是有價值的。

隨著科技的進步,毫無疑問,我們今天使用的壹些模型也可能被證明是有缺陷的,但人們仍然會理解它們。

我們仍在學習關於原子組成及其結構的新知識,在可預見的未來,我們還會學到更多。科學很少是關於發現終極和有限的真理——相反,科學是關於增加越來越多的理解水平和建立近似的模型。湯姆森的模型就是這些近似模型中的壹個:它遠非完美,事實上,它被完全否定了。然而,它在原子結構的探索中起著重要的作用,因為它為更多更好的發現鋪平了道路。