這是我們印象中的原子模型

但大家應該都知道

這個模型與真實原子的樣貌差距可不小

原子中的原子核

實際上佔據原子的比例非常小

那原子核到底小到什麼程度呢？

請你先猜猜看

如果將一個原子放大到棒球場這麼大

那它的原子核應該有多大？

會像一頂頭盔

一顆棒球

還是一顆砂礫那麼大？

在回答這個問題前

我們先給點提示

二十世紀初

物理學家拉塞福在α粒子散射實驗中

使用α粒子撞擊金箔片

實驗結果顯示

大部分α粒子會直接通過金箔片

只有極少數的α粒子會產生大角度的偏移

甚至是反彈回來

拉塞福認為

帶有正電的α粒子

應該是靠近同樣帶有正電的重物

才會被反彈回來

在實驗中

只有約8000分之1的α粒子

會產生大角度偏折或反彈

因此

他判斷

原子的正電以及質量

應該都集中在一個很小很小的範圍內

最終提出了原子的「行星模型」

拉塞福認為

原子中幾乎所有的質量與正電

都會聚集在原子內部一個很小的空間中

這個空間後來被稱為原子核

而電子則會如同行星一樣

在原子核外繞行

看過拉塞福的實驗

你猜到開頭問題的答案了嗎？

原子是物質組成的基本粒子

它的直徑大約為10的負10次方公尺

而原子核的直徑更小

只有約10的負15次方公尺

兩者相差了5個數量級

大家熟悉的棒球場

從本壘板到全壘打牆間的距離

大約是100公尺

以此作為基準

如果一顆原子的直徑

放大到棒球場這麼大的話

那原子核的直徑也只有0.001公尺

也就是球場上的一顆砂礫這麼小

想像你往球場裡面隨機投球

只有很小的機率會砸中或靠近這顆砂礫

這也就是為什麼實驗中大部分的α粒子

會直接穿過金箔

而只有極少數α粒子會反彈的原因

拉塞福提出的行星模型

雖然成功解釋了α粒子偏轉的原因

但卻出現了更多的問題

行星模型遇到的最主要困境

是原子穩定性

以及延伸出無法解釋原子光譜的問題

首先是原子穩定性的問題

從古典物理學的觀點來看

拉塞福的原子模型是假設

電子繞行原子核做圓周運動

電子與原子核間所產生的庫侖靜電力

是向心力的來源

這會讓電子產生一個指向原子核的向心加速度

但依據馬克士威的電磁理論

帶電粒子做加速度運動的時候

會輻射出電磁波

也就是說

電子在繞行原子核時會不斷的放出電磁波

而電磁波的本質是一種能量

電子放出電磁波後

能量會越來越小

導致它無法穩定繞行原子核

電子與原子核的距離也會越來越小

最後電子會沿著螺旋狀的軌跡

墜毀在原子核上

但事實上

大部分原子都是穩定的存在

不會無緣無故自然崩解

所以行星模型首先遇到的

就是原子無法保持穩定的問題

行星模型遇到的第二個困境

就是無法解釋原子光譜

當時的科學界已經發現了原子光譜

科學家利用高壓電激發原子後會放光

將此光線經由稜鏡分色後

就可以得到不連續的原子光譜

根據前面的理論

電子以螺旋軌跡繞行原子核的過程是連續的

那電子輻射出來的電磁波頻率

也應該要是連續的才對

但是科學家們所測得的原子光譜

並非連續光譜

拉塞福本人也無法解釋行星模型遇到的困境

直到他的學生「波耳」

引入量子化的概念

提出波耳模型才解決了這個問題

我們來思考一下這個問題

1913年

波耳在拉塞福的行星原子模型基礎上

加入兩個假設

分別為

電子只能穩定存在於特殊的軌道上

以及

電子可以透過吸收或放出光子在軌道間躍遷

這才解決了行星模型的困境

我們來總結一下這支影片的學習內容

拉塞福提出的原子「行星模型」中

原子質量幾乎集中於原子核

並帶正電

而質量較輕的電子則如行星一般

環繞著原子核運行

行星模型的兩個困境分別是

原子的穩定性

電子繞行原子核會不斷放出電磁波損失能量

最後沿螺旋軌跡墜毀在原子核上

無法穩定存在

原子光譜與實驗不符

電子繞行半徑連續縮小

光譜應為連續光譜

但實驗獲得的光譜為不連續光譜

拉塞福的行星模型最被大眾質疑的

就是原子的不穩定性

想想看

如果原子真的如同行星模型一樣

會隨時崩解的話

那這個世界會是怎樣的景象呢？

歡迎留言分享你的想法

我們下次見

BYE~BYE~