这个系列节目叫原子杂谈，老话题当然要有新讲法，也要有新的知识水平，那我们就由浅入深地全方位地了解一下原子。早在古希腊时期，人类就有了原子的概念，比如说古希腊哲学家德谟克利特就提出，这个世界是由不可再分的最小单元，也就是原子所组成的。
道尔顿
当然这里要注意，由于分子学说还没有出现，所以在道尔顿的知识体系里，以上这些化合物的名称还没有出现。他只是非常朴素地找到两种或几种由相同元素所组成的化合物，然后在一种元素质量固定的情况下，比较另外元素的质量比。道尔顿就发现，这都是非常简单的整数比，没有出现什么3.1415926，于是基于这样的观察，道尔顿敏锐地意识到，所有的物质都是由不可再分的原子组成，不同的物质由不同的原子、或是由相同的原子以不同的比例组合而成，而化学反应的本质就是原子的重新组合。
道尔顿在《化学哲学的新体系》中描绘的气体原子
不同于以往的原子论，道尔顿的原子论是建立在观察、实验和逻辑之上，所以它就属于现代原子论，虽然他没有直接观测到原子，但还是间接证明了原子的存在。而后来的分子学说和元素周期表，也都是在道尔顿原子论的基础上所建立的。但是道尔顿的原子论也存在一个问题，就是它解释不了同位素。比如说氢有三种同位素氕、氘、氚，它们的质量完全不同，那么按照道尔顿的原子论，氕氘氚就会是三种不同的原子，可问题是氕氘氚有着几乎完全相同的化学性质。为什么会这样？唯一的解释就是，它们其实都是氢原子，但还是存在着细微的差别。不过在此后的将近100年间，人类的认识并没有更进一步。
时间来到了1897年，英国物理学家约瑟夫•汤姆逊在实验中，发现了一种未知的带电粒子，他测量后发现，这个未知粒子的质量只有氢原子的大约千分之一，这就意味着原子并不是组成物质的最小单位。随后汤姆逊把这个未知粒子命名为电子，并提出了一个全新的原子模型，这就是葡萄干布丁模型或者是叫枣糕模型。在这一模型中，原子被看做是一个带正电的球体，正电荷均匀地分布在整个球体内部，而电子则是均匀地镶嵌在正电荷球体中，因为正电荷总量与电子的负电荷总量相等，所以原子整体就不带电。
不过汤姆逊的模型并没有存在太长时间。1911年英国物理学家卢瑟福，利用高速α粒子也就是带正电的氦原子，去轰击只有几个原子厚度的金箔纸。那么按照汤姆逊的原子模型，因为正电荷是均匀分布的，电场力较弱而且分散，无法产生足够强的局部斥力，另外电子的质量又太小，也对α粒子构不成影响。所以α粒子束应该可以顺利地通过金箔纸。实验结果也和预想差不多，几乎所有的α粒子，都径直地穿过了金箔纸，但是有极少数的α粒子，发生了非常大角度的偏转，甚至被直接反弹了回去。这就意味着在原子内部，正电荷应该是集中在一个极小的区域内，于是基于这一事实，卢瑟福就提出了原子行星模型。
首先，原子有一个原子核。其次，原子中所有的正电荷都集中在这个原子核上。第三，这个原子核非常小，大约只有原子的十万分之一，所以原子的内部大部分是真空的。最后，因为带正电的原子核与电子之间存在着吸引力，也就是所谓的库仑力，所以就像行星绕太阳运动一样，电子也在围绕着原子核旋转。也正是根据这一模型，卢瑟福发现，所谓的α粒子，其实就是氦原子的原子核。那么原子核又是由什么组成的？
给出答案的还是卢瑟福。1917年，卢瑟福利用α粒子轰击氮气，结果发现实验中产生了氢原子核，他推测这些带正电的粒子，正是原子核的基本组成单位。两年之后，他将其命名为质子，源自希腊语中“第一”这个词，意思就是说，这是当时发现的最基本的正电粒子。那么问题又来了，质子都带正电，它们本应该相互排斥，怎么就会挤在那么小的原子核里呢？卢瑟福大胆地提出了一个预言，就是原子核中还存在着一种中性粒子，可以中和甚至抵消质子之间的库伦斥力。最后是在1932年，英国物理学家查德威克发现了这种中性粒子，并将其命名为中子。质子、中子和电子，这就是原子的基本结构。
氦原子
好了我们再说回卢瑟福的原子行星模型，看起来非常完美，哪怕到今天，我们用这一模型描述原子，也没有太大的问题。但其实它也有解释不了的问题。首先就是原子的稳定性，在卢瑟福的模型中，电子在做匀速圆周运动，根据牛顿理论，速度不变，但是方向持续改变，这也是存在加速度的。而根据麦克斯韦的电磁理论，加速运动的带电粒子会辐射电磁波，所以按道理讲，电子的能量会不断损耗，直到坠入原子核。根据计算，宇宙中所有的原子都会在诞生后的一千亿分之一秒内消失，那么这个世界就将不复存在。
另外卢瑟福模型也无法解释氢原子的光谱。早在1859年，德国化学家古斯塔夫・基尔霍夫和物理学家罗伯特・本生就发现，不同元素在火焰中燃烧时所发出的光经棱镜散射，都有着各自不同的谱线，而且这些谱线都是不连续的，这就是所谓的离散光谱线。比如说当氢原子受激发后，它就会发出四种波长的可见光，波长分别为410nm、434nm、486nm和656nm。至于为什么会出现这种现象，人类是搞不清楚的。
可见光区域氢原子的四条光谱线
因为卢瑟福的原子模型，只能解释谱线的产生，也就是电子吸收了能量，轨道半径发生了变化，而在它重回过去轨道的过程中，这些能量就会以电磁波的形式被重新辐射出去。但问题是在卢瑟福的模型中，电子的轨道半径是连续化的，那么能量变化，自然也应该是连续化的，所以理论上，它就应该辐射连续波长的光，不应该是断断续续的。不过在1885年，瑞士物理学家巴尔末提出了一个巴尔末公式，记做λ=B×n^2/(n^2-4)。其中λ为辐射光的波长，B为巴尔末常量，n为大于等于3的整数。这个公式可以反映氢原子的谱线规律。而等到四年之后，瑞典物理学家里伯德，又提出了一个里伯德公式，记做1/λ=R(1/n2^2-1/n1^2)。其中λ为光的波长，n1和n2都是正整数，R是里伯德常量。
相比于巴尔末公式，里伯德公式对氢原子谱线规律的描述要更精确。但毫无疑问，这两个公式虽然可以给出准确的氢原子谱线规律，但它们也只是经验公式，所以就被称作巴尔末经验式和里伯德经验式，它们还是无法解释氢原子的光谱为什么是这个样子。当然它也无法解释常量的物理学意义，以及公式中的n包括n1和n2，为什么要取正整数。但也正是巴尔末和里伯德两人的工作，给了丹麦物理学家玻尔以巨大的启发。
1913年，玻尔提出了玻尔原子模型，在这一模型中，他引入了量子化的概念，来解释原子的稳定性以及氢原子的光谱问题。我们先看原子稳定性问题，玻尔指出，电子围绕着原子核做圆周运动，这确实不假，但轨道本身是量子化的，也就是说电子只能占据特定的轨道或者是叫能级，电子要想从一个轨道跃迁到另一个轨道，就需要辐射或吸收能量，反过来也是一样的，电子要想辐射或吸收能量，就需要从一个轨道跃迁到另一个轨道。玻尔指出，因为轨道是量子化的，但电子辐射能量并非如此，所以电子不会忽忽悠悠地坠入原子核，只有能量出现突变，跃迁才会发生，原子的老命就这样保住了。
另外玻尔的原子模型，也可以解释氢原子的谱线为什么不是连续的。这是因为每一层轨道都有特定的能量，所以辐射的能量也只能是特定的值。具体地看在可见光范围内，电子分别从第3、第4、第5和第6能级，跃迁到第2能级，就依次辐射出了波长从长倒短的红色谱线、蓝绿色谱线、蓝色谱线和紫色谱线。如果是从更高的能级跃迁，因为释放的光波长更短能量更高，那就进入到了紫外区域，人眼也就看不到了。就这样，玻尔原子模型取代了卢瑟福原子模型，但它也有两个问题解释不了。请看下集。
