汤姆生的实心带电球模型

J.J.汤姆生的原子模型在 1910 年之前是影响最大的一种。他根据

1902 年开尔文提出的实心带电球的想法，对原子结构进行了长期的研

究，于 1904 年发表论文，题为：《论原子的构造：关于沿一圆周等距分

布的一些粒子的稳定性和振荡周期的研究》。①在这篇论文里，他运用经典力学理论，根据电荷之间的平方反比作用力，进行了大量计算，求证电子稳定分布所应处的状态。他假设原子带正电的部分象“流体”一样均匀分布在球形的原子体积内，而负电子则嵌在球体的某些固定位置。电子一方面要受正电荷的吸引，一方面又要自相排斥，因此，必然有一种状态可使电子平衡。他证明这些电子必然组成球，然而六个以上的电子不能稳定在一个环上，数目更多就要组成二个以上的环。汤姆生还借助磁棒吸引水面上漂浮的磁针（1878 年 A.梅尼作过的实验），用模拟实验方法证明自己理论的正确性。

■图 8-1 梅尼磁针实验

在汤姆生的原子模型中最重要的是原子内的电子数 n。开始他根据

电子荷质比实验，得知电子质量me ≈

1836

mH （其中m H

为氢原子质量

），再假设正负电荷具有对称的性质，估计原子中的电子数 n 约为原子量 A 的一千倍，即 n=1000A。这个数究竟符不符合实际，唯一的检验标准就是实验。为此，汤姆生设计了 X 射线和β射线的散射实验，希望通过射线和原子中电子的相互作用，探明原子内部电子的数目。

然而，从巴克拉（Barkla）的 X 散射实验，得到的结果是 n≈2A；而从β散射实验，得到 n≈0.2A。据此汤姆生判定 n 与 A 同数量级。1910 年，克劳瑟根据汤姆生的β散射理论，推证得出 n=3A，而卢瑟福从α散

射实验得到n≈ 1 A。

■图 8-2 梅尼磁针的分布图

这是汤姆生和他的学生对原子理论作出的一项重大贡献。这些工作的意义不仅在于打破了原子中正负电荷互相对称的观念，而且由此导致了α大角度散射实验——证实了原子核的存在。

汤姆生模型的根本困难在于：一方面要满足经典理论对稳定性的要求，一方面要能解释实验事实，而这两方面往往是矛盾的。所以尽管汤姆生千方百计地改善自己的理论，仍无补于事，终于被卢瑟福的有核模型代替。