關(guān)于原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)是什么樣的問題，早期那些科學家們研究的深度也就在如今我們高中階段的知識水平。那時候科學界已經(jīng)有的物理學基礎(chǔ)就是牛頓力學、電磁學以及熱力學等等經(jīng)典物理的內(nèi)容。

對于氫原子這樣一個最簡單的原子，它有一個帶正電的原子核以及一個核外帶負電的電子組成，這是當時的科學家們知道的。顯然這兩樣東西放在一塊，很容易讓人想到其結(jié)構(gòu)可能類似一個小太陽系。

道理很簡單啊，電子在核外圍繞原子核運動，依靠庫倫力作為向心力，電荷之間的庫倫力與萬有引力一樣都符合平方反比規(guī)律。

這樣一個行星模型的原子結(jié)構(gòu)，很容易讓我們想到開普勒三大定律，并且有了微積分，我們不需要實際觀測，就可以從數(shù)學上證明，在平方反比引力的作用下，質(zhì)點將做橢圓曲線運動。

是不是很簡單的思路呢，這個模型經(jīng)盧瑟福提出后，所有科學家都沒有能夠在第一時間發(fā)現(xiàn)有什么不對的。畢竟微小的原子與龐大的太陽系擁有同樣的結(jié)構(gòu)，這是多么美妙的事情。這不就是佛家所說的“一花一世界，一葉一菩提”嗎？

等等，是不是哪里有什么不對的地方呢？

法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，麥克斯韋在實驗的基礎(chǔ)之上提出了自己的方程組，預言了電磁波的存在，并且已經(jīng)由赫茲的實驗所證實。

這樣的話，那么按照行星模型，電子在軌道上做加速運動，按照理論預言，它就會釋放出電磁波損耗能量，從而進入更低的軌道……如此下去，電子就會逐漸落入到原子核上，根本就不會存在穩(wěn)定的原子。

一個問題出現(xiàn)了：原子不可能像太陽系模型那樣簡單，一定還有我們未知的秘密。

同時期的科學家還在研究原子的發(fā)光現(xiàn)象，按照麥克斯韋的電磁理論，原子發(fā)光應該是連續(xù)的，事實上是，氫原子會發(fā)射出多條分立的譜線，并不是連續(xù)的，好像毫無規(guī)律。

物理家們也是很逗比的一群人，當時有一個瑞士數(shù)學家巴爾末，此人號稱給他任意一組數(shù)字他都能找到規(guī)律。現(xiàn)在難題來了，物理學家把氫原子的光譜數(shù)據(jù)給了巴爾末。沒想到，還真讓他搞出來一個公式，這就是巴耳末系。如果這哥們有機會上《最強大腦》，估計能奪冠。

之所以要提到巴爾末，是因為這個時候，一個丹麥年輕物理學家出現(xiàn)了，他就是玻爾，就是后來因為量子力學跟愛因斯坦展開論戰(zhàn)的那個牛人，他碰巧看到了巴爾末公式。并由此產(chǎn)生了波爾自稱的“二月轉(zhuǎn)變”。

我們來看一下，這個“二月轉(zhuǎn)變”中，波爾經(jīng)歷了哪些心路歷程。

當時波爾還在盧瑟福的實驗室工作。他在1912年，正在英國曼徹斯特大學工作的玻爾將一份被后人稱作《盧瑟福備忘錄》的論文提綱提交給他的導師盧瑟福。

在這份提綱中，玻爾在行星模型的基礎(chǔ)上引入了普朗克的量子概念，認為原子中的電子處在一系列分立的穩(wěn)態(tài)上。回到丹麥后玻爾急于將這些思想整理成論文，可是進展不大。

轉(zhuǎn)機出現(xiàn)了，他的一個朋友來看他，給他介紹了巴爾末的氫原子光譜公式。在看到公式的一瞬間，波爾豁然開朗——電子繞原子核運動的軌道可能是不連續(xù)的。

電子繞核運動與地球繞太陽運動不同，地球繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道如果更近一些，它的能量就比原來要低一點；如果地球軌道的半徑可以連續(xù)變化，那么這個能量值就是連續(xù)的數(shù)值。

而氫原子核外的電子軌道則不同，那些分立的譜線表明，原子中的電子的能量只能是分立的數(shù)值，從而說明電子的軌道半徑也只能是某些特定的數(shù)值。

波爾因此提出兩點假設(shè)：一、原子只能處于一系列不連續(xù)的能量狀態(tài)中，在這些狀態(tài)中原子是穩(wěn)定的；二、原子的定態(tài)是不連續(xù)的，因此電子的可能軌道分布也是不連續(xù)的。

從波爾這個假設(shè)出發(fā)，很容易就能推導出光譜理論中的巴爾末公式，可以精確描述氫原子光譜的規(guī)律。不過，這很反直覺好嘛，這樣的原子模型與我們之前理解的經(jīng)典物理學完全不同。

這就好像有一個彈簧振子，在經(jīng)典物理學中，這個振子可以伸長5厘米、10厘米以及這兩個長度之間的任意位置，如果按照波爾的原子模型，這跟彈簧只能存在于5厘米或者是10厘米的位置上，而沒有中間狀態(tài)！如何能讓大多數(shù)人接受？

其實，能量處于分立狀態(tài)并非完全不能接受，生活中其實處處充滿著分立的狀態(tài)，比如吉他上的琴弦，琴弦的的長度一定是半波長的整數(shù)倍。我們?nèi)粘Ｖ械溺姳?，最小單位一般都是秒，沒有人太關(guān)心比秒更小的單位，我們說出來的時間，一般也都是分鐘的整數(shù)倍就可以了，你要是帶上小數(shù)點后零點幾幾幾秒，估計大家都能跟你急。

結(jié)束語

波爾的原子模型是顛覆性的，因為波爾的原子模型開啟了一個物理學的新領(lǐng)域——量子力學。關(guān)于量子力學是如何從進一步從經(jīng)典物理學的大廈中閃亮登場的，留在其它的文章里繼續(xù)為您詳細介紹。