第二章 原子世界

§1 原子稳定性问题

从一个静止的原子来看，原子核很重，在中心基本不动。而电子则在原子核周围作有心运动。既然原子核中的质子带正电，而中子不带电，那么为什么这些带正电的质子不会因为彼此间的库仑排斥力而分散开来，从而导致原子核的破裂呢？原来，在质子和中子之间有很强的相互作用力，称为强相互作用。在两个质子和中子之间的强相互作用在距离为十万分之一埃或更近时很强，远比两个质子间的电磁相互作用要强几十倍。但当距离为一万分之一埃或更远时，强相互作用迅速减弱，减弱到和电磁相互作用相比微不足道、完全可以忽略的地步。质子和中子靠这种近距离很强的强相互作用结合成原子核，但原子核和核外电子之间主要是电磁相互作用，靠这种相互作用结合成原子。

原子核带正电，电子带负电。它们之间的电磁相互作用主要是库仑吸引力。库仑吸引力的大小与距离平方成反比，这种行为和万有引力相同。这自然启示我们原子的结构应该像一个微小的太阳系，原子核相当于原子世界中的一个小太阳，电子相当于原子世界中的行星。太阳系中各行星在太阳的万有引力下沿着各自的椭圆轨道作稳定的周期运动，一般说来，行星的能量取的值可以在相当大的范围内从很小到大连续地变化。这样原子也应该是电子环绕原子核作稳定的运动，电子的能量可以取的值也应该可以在相当大的范围内从小到大连续地变化。然而电磁学告诉我们，带电粒子作变加速运动的时候，将不断地向外辐射能量。这样如果电子在原子核的库仑吸引力作用下， 环绕原子核作椭圆运动，则将不断地辐射能量，能量不断地减少，最后势必掉到原子核上去，根本不可能成为稳定的系统。因此，原子中的电子并不是简单地绕原子核作椭圆轨道运动。

20 世纪初，物理学家探讨原子世界物质结构基本规律时，遇到了几个基本的原有的经典物理学理论不能解释的实验结果，这些问题都和原子结构的规律有关，这些问题的研究导致对原子世界物质运动基本规律认识的革命。