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就阴极射线与放射质点的贯穿性而论,原子确是一个很空松的结构。
一个运动的电荷带着一个电磁力场。由于它有能量,因而也必有惯性。
所以一个电荷具有一个类似质量的东西,也许就具有我们所谓物质的基本成
分的本质。如果以电荷为中心,画一小球以代表电子,则与这球外的力场相
联系的有电磁质量。J。J。汤姆生据数学分析表明,除非电荷以极大速度运行,
其电性质量为2e2/3r,式内e 为电荷,r 为其半径。因此,如果假定所有的
电磁能量都在电子之外,则根据已知的质量与电荷值,便可计算出其半径。
这样算得电子的半径为10…13厘米。如果假定半径r 很小,换言之,如果将电
荷浓聚,则其有效质量也增大(参看下面所说的新的研究)。与电子相当的
阳性单元,即氢的原子核,叫做“质子”。它的质量,基本上等于原子的质
量,即阴电子的质量的1800 倍。因此,如果假定所有质量都是有电性的,而
原子核是围绕着一个点状阳电荷的球,则原子核的半径就仅是电子半径的
1/1800,或约为5×10…17厘米。但须在此申明,这些估计是根据一项关于电
荷分布的武断假定。现在,这些估计的价值已经很可疑了。
这些概念在当时虽有帮助,而现在已经经过修改。但是我们仍须假定氢
原子是由一个单位的阳电核和其外围的一个阴电子所组成的。氦的原子核为
四个质子及两个与之紧联的电子所组成。因为氢的原子量为1。008,而氦的
原子量,如阿斯顿所测量的,为4。002,所以这个复核的形成,意味着一份
质量的消失:4×1。008…4。002=0。03 及与之相当的能量的发射。重原子的放
射性分裂,放出能量。因此我们认为一切原子都储有能量,当其分裂之时,
例如铀的原子分裂时,都能释放能量。但是这里的推论又表明,氦还原为氢
要吸收能量——要使氦核分裂就必须做功。看来,轻的原子核形成时放出能
量,而重的原子核分裂时也放出能量。这就可以392 解释:为什么重的原子
核有放射性,为什么自然界没有比铀更重的原子存在:它太不稳固了①。由于
α射线是飞行的氦原子群,所以,氦原子大概是组成其他较重原子的一部分
材料。氦原子本身虽是四个质子或氢核所组成,但其结合很牢固,即使在α
质点的冒险生涯中,也不能使它分离。所以其他原子大概是若干阳电单位(大
概是氦核,有时还带有氢质子)与若干数目较少的阴电子结成的复核所组成
的。因为核内的电子的数目较少,核上呈现纯净阳电荷的数目n,即等于莫
斯利的原子序数。其余的电子存在于核心的外围。因为在中性原子内,这些
外围电子所荷的阴电的总和必须与核内的纯净的阳电中和,所以,n 也代表
原子外围电子的总数。
因为原子可被电离,而且依其化学阶,可获得一、二、三甚至四个单位
的电荷,所以可以在一个原子中加入或减去少数电子,而使其性质无根本的
改变。我们可以假设这些电子位于原子的外围,别的电子在其内圈,更有些
电子则成为原子核的必要的部分,而且一般是其稳固的部分。
以上说过,多数放射变化发射α质点。而α质点又是质量为4 的氦原子,
带有两单位的阳电荷。所以这种变化是原子核的崩溃变化。变化后的剩余物
质量较原有的少四单位,而且变化时放出两个阴性电子,以恢复其中性状态:
结果便成为一个新原子与新元素了。
玻尔学说
哥本哈根的玻尔(N。Bohr)于1913 年在曼彻斯特的卢瑟福实验室工作
时,首先将普兰克的量子论应用于原子结构的问题。他的工作是以当时物理
学家所公认的行星式电子论为根据的。
当时已经知道:如果我们所考虑的不是光谱中通常的谱线波长,而是其在
一厘米中的波数,则氢的复杂光谱呈现若干规律。当时发现,所谓“振荡数”
可以用两个项的差数表示。第一项以发现393 者得名,叫做里德堡常数,即
每厘米109,678 个波①。
这些关系完全是从经验得来的,最初是靠揣测,最后才求得一项符合于
实验结果的算术规则。但是玻尔却根据量子论提出了解释。他指出:如果“作
用量”只能以单位的整倍数被吸收,则在电子可以运行的全部轨道中,只有
某些个是可能的。在最小的轨道上,作用量为一个单位或hk,在第二轨道上,
①
E。Rutherford; Proc; Roy。 Soc。 A;CXXⅢ,1929;p。373。
①
其他的项可以(2x2),(3x3)(4x4)即4,9,16 等数除里德堡常数R 求得。如果从R 减去这些项数,
则所得的振荡数为:等。而这些数字与氢的紫外谱线的振荡数相等。如果再开始从109,678 的1/4 或27,
420 减去其他更高的项,我们就求得另一系数目。如等。这些数已经证明与氢的可见光的谱线(即所谓巴
尔默系)相符。此外还有一系是从导出的,为帕申(Paschen)在红外光谱里发现。
作用量为2k,如此类推。
玻尔假设氢原子的一个电子有四个可能的稳定轨道,相当于以单位数递
增的作用量,如图13 所表示的那样。图中的圆圈表示这四个稳定轨道,而其
半径表示电子从一个轨道跳至另一个轨道可能的六种跃迁。这里,玻尔抛弃
了牛顿的动力学,而值得注意的是平方反比律仍可应用于假设围绕原子核运
行的电子,但是这些轨道本身又表现十分新奇的关系。一个行星可以在无穷
多个轨道当中的任何一个轨道上围绕太阳运动,其实际的轨道为其速度所决
定。可是,玻尔假定一个电子只能在几个轨道当中的一个轨道上运动。它如
果离开一个轨道必须立刻、好象不经过二轨道间的空间那样,跳到另一轨道
上去。由这个假设得出的理论上的结果,与通过实验所确立的关于振荡数的
经验规则相当符合。还可从这里计算出常数R 的绝对值为每厘米109,800 394
波,与上面所说的最近测定的里德堡常数之值异常符合。在这一阶段,坡尔
学说表现有其长远而成功的前途。
辐射的各种不同的类型可以归因于原子结构的各不同部分。X 射线的光
谱大都不受温度或原子的化合状态的影响。而可见光与红外及紫外光的光谱
则与这两者有关。放射现象,上面说过,是原子核的爆裂造成的。现今所得
的数据表明X 射线起源于原子核外的内层电子,而可见光与红外及紫外线则
来自最外层的电子;这些外层电子比较容易脱离,因而是和凝聚力与化学作
用有关系的。
假设一个或多个电子同时存在于互相化合的二原子内,则可给化合作用
以很好的解释。但如果围绕原子核而转动的电子理论来表示这种结合,则未
免困难,因此在1916 至1921 年间,有人,特别是科塞尔(Kossel)、刘易
斯(Lewis)与兰格缪尔试图创造静止的原子模型。这种模型对于原子价与化
学性质的解释是成功的,但要想阐明光谱则不得不创设牵强附会的假设了。
无论如何,当时的物理学家总是偏向于玻尔的动力的原子模型的。
无论采取哪一种原子模型,电离电位的事实,确是能级的基本观念的有
力的证据。1902 年勒纳德首先证明,电子经过气体时,必具有一定最低限度
的能量,才足以产生电离。这最低的能量可以用电子为了获得其速度所必须
降落的电位的伏特数来量度。最近实验的结果,如弗兰克(Franck)与赫兹
关于汞蒸气的实验(1916—1925),证明当电位达到某一定伏特的倍数时,
电离便达到某些明确的极大值。同时气体的光谱也发生了变化。例如弗兰克
与赫兹证明,具有4。9 伏特所产生的速度的电子使低压的汞蒸气发出具有一
条明线的光谱。可以设想,这条谱线相当于玻尔原子内电子从第一外层回到
其正常状态的跃迁。自那时以后,正象玻尔学说所预期的,已经发现许多“临
界电位”,同突然出现的若干条或若干群谱线相当。萨哈(Saha)、罗素
(Russell)、福勒(Fowler)、米尔恩(Milne)等研究了温度与压力对于
光谱的影响。他们用热力学的方法应用了这些新概念。所得结果在天体物理
学上有很大重要性,而且在恒星温度的测量方面揭开了新的一页。
图13 所表示的圆形轨道,仅是氢原子的一个初浅的模型。玻尔与索�