李子布丁模型：一个有缺陷的模型，如何帮助我们理解原子
句理pro2020-07-20 20:00
作为化学反应中不可再分的基本微粒，对于原子的探索和研究持续了上千年，从古希腊抽象的哲学推理到近现代不断完善的物理概念，如同大多数科学探索一样，过程中出现了无数错误的认知和模型。
1904年，英国物理学家J. J .汤姆逊提出了他关于原子模型的观点。这是一个非同寻常，但似乎合理的构造，在科学界引起巨大反响并广为接受。
几年前，汤姆逊发现了电子，他试图调和原子的两个已知性质：带负电荷的电子和电中性的原子。电子带负电，原子是中性的，那么一定有东西是正的。因此，汤姆逊想出了一个在当时有意义的分配方案——以古怪的英国方式，他称之为李子布丁模型。
李子布丁模型，又称枣糕模型、葡萄干蛋糕模型、汤姆孙模型、洋李布丁模型等。汤姆逊开创性地把原子看作是带正电的“布丁”，把电子看作是“李子”，李子嵌入布丁里。这一模型提出没几年，就被实验结果击破。1911年，卢瑟福发表的实验结果显示，原子核拥有原子的大部分质量，电子则分散在原子外层的广阔区域内。
组成一切的原子
物质是由原子组成的这一观点可以追溯到两千五百万年前，古希腊哲学家留基伯提出了“万物由原子构成”的原子论，并由他的学生德谟克利特发展和完善。
出生于公元前460年左右的古希腊哲学家德谟克里特斯提出了一个被许多人视为疯狂的想法：我们周围看到的一切都是由微小的个体成分组成，他称这些成分为“原子”。
德谟克里特的一些想法非常直观。他认为原子是肉眼看不见的，但它们确实有几何形状；它们总是在运动，被真空隔开，单个原子是不可摧毁的——非常接近我们今天所知道的真实情况。
尽管有一些哲学家仍将原子论记于心中，但在后来的两千多年的时间里，德谟克里特斯的原子论基本上被置之度外，尤其是当它被柏拉图和亚里士多德忽视的时候。
柏拉图认为所有的物质都是由四种元素(土、火、风和水)组成的，据说他非常讨厌德谟克里特，以至于他希望他所有的书都被烧掉。然而，德谟克里特被一些人认为是“现代科学之父”，他的方法更接近科学而不只是哲学，就像柏拉图那样。
时间来到20世纪，随着新的科学发现的出现，原子重新被提上台面，科学研究的需要促使对其进行研究。
重回视线的原子
18世纪末，英国科学家约翰·道尔顿正在努力解释一些实验结果。他发现无论如何组合化学元素，反应的总质量都是一样的。他和其他化学家还注意到，水以不同的比例吸收不同的气体，例如，水吸收二氧化碳的能力远远强于吸收氮气的能力。
道尔顿自编的元素表他提出，每种化学元素都是由单一、独特类型的原子组成的。这些原子不能通过化学手段改变或破坏，但它们可以结合形成更复杂的结构——与德谟克里特提出的观点惊人的相似。
约翰·道尔顿《化学哲学新体系》(1808)此观点在后来大约一个世纪的时间里一直占主导地位的思想流派，直到J. J .汤姆逊的出现。
到20世纪初，著名的研究人员如阿玛迪奥·阿伏伽德罗、罗伯特·布朗，甚至阿尔伯特·爱因斯坦都已经发现了道尔顿模型的缺陷，但是直到1897年约瑟夫·汤姆逊的实验之前，原子仍然被认为是物质的最小可能的划分。
通过实验，约瑟夫·汤姆逊发现阴极射线可以被电场偏转。这意味着阴极射线不是光，而是别的东西，汤姆逊正确地推断是电子流。换句话说，他发现了原子的一个组成部分：带负电荷的电子，这是一种不同于以往任何已知粒子的粒子。
帮助发现电子的汤姆逊阴极射线的复制品他甚至还测量了电子的质荷比，发现它们比最小的原子氢小1800倍。因此毫无疑问，原子是可分的，这意味着原子中的某些东西也必须是正的。
他考虑了以下三种情况:
每个带负电的电子都有一个带正电的粒子跟随它到任何地方；电子围绕正电荷区域运行，其大小与所有电子的总电荷相同；负电子占据一个均匀带正电的空间。他本可以得出正确的结果，却错误的选择最后一个作为三者中最有可能的情况。他将自己的想法提交给了1904年版的《哲学杂志》，汤姆逊在文中写道:
“…元素的原子由许多带负电的微粒组成，这些微粒被包裹在均匀带正电的球体中。…”
这一理论被物理学家所接受，他们开始设计实验，根据这一模型来了解更多的原子。
具有讽刺意味的是，正是这些精确的实验最终推翻了李子布丁模型。
否定布丁模型，提出新理论
汤姆逊的模型被他的一个学生欧内斯特·卢瑟福推翻了，由此可见汤姆逊的工作和实验室在当时有多么有影响力。
卢瑟福的实验表明正电荷集中在原子的中心，似乎是一个原子核。卢瑟福提出了原子的行星模型，在这个模型中，原子核像一颗恒星，电子像行星一样围绕原子核运转。
行星模型但是有一个问题，而且是个大问题：它与经典力学相矛盾。
在卢瑟福设想的模型中，电子在围绕原子核运行时会释放电磁辐射。这意味着它会在这个过程中失去能量，螺旋接近原子核，并在1皮秒内发生塌缩。
这个模型是一个灾难，因为它暗示所有的原子都是不稳定的，而事实显然不是这样。
对原子模型的讨论在玻尔这里发生终结，玻尔接受了普朗克的量子论和爱因斯坦的光子概念，在行星模型的基础上提出了核外电子分层排布的原子结构模型。
碳原子原子模型根据新模型，电子能够在不辐射任何能量的情况下围绕原子核在某些稳定的轨道上旋转，这与经典电磁学的观点背道而驰。尽管我们对原子的理解已经改变了多次，对原子和亚原子粒子的了解也更多，但这个模型仍然被广泛使用，至少在非学术界是这样。
为什么要费心学习李子布丁模型
人们很容易注目李子布丁模型的缺陷，并且永远不再看它。但是物理课仍然使用这个模型是有原因的，它不仅仅是作为科学史参考。
如果我们想真正学到一些东西，而不仅仅是记住它，而是建立一个过程。如果我们经历物理学家最初是如何了解原子的，他们有什么理论，这些理论是如何被证明或证明是错误的，我们会获得更好的理解。这就是我们学习李子布丁模型的原因，因为即使是不可信的想法也有价值。
随着科学技术的进步，毫无疑问，我们今天使用的一些模型也可能被证明是有缺陷的，但人们仍然会了解它们。
我们仍在学习关于原子成分及其结构的新知识，在可预见的未来我们还会学到更多。科学很少是关于发现终极的、有限的真理——相反，科学是关于增加越来越多的理解层次并建立近似模型。汤姆逊的模型是这些近似模型中的一个：它远非完美，事实上它被彻底否定了，然而，它在原子结构摸索中发挥了重要的作用，因为它为更多更好的发现铺平了道路。
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