然而，在1910年，盧瑟福和他的學生在他的實驗室裏進行了壹項載入史冊的實驗。他們用α粒子（帶正電的氦原子核）轟擊壹片極薄的金箔，試圖通過散射來確認“葡萄幹布丁”的大小和性質。然而，壹個令人難以置信的情況出現了:幾個α粒子的散射角非常大，超過了90度。盧瑟福自己非常生動地描述了這種情況:“這就像用15英寸的炮彈轟擊壹張紙，但炮彈反彈回來，反而擊中了自己。”
盧瑟福發揚亞裏士多德前輩“吾愛吾師，但吾更愛真理”的優良品格，決定修改湯姆遜的葡萄幹布丁模型。他意識到，阿爾法粒子肯定是反彈回來了，因為它們與金箔原子中壹些極其堅硬和致密的核心相撞。這個核心應該帶正電荷，集中了原子的大部分質量。然而，從只有少數α粒子具有大角度散射的事實來判斷，核心占據的空間非常小，不到原子半徑的十分之壹。
於是盧瑟福在第二年發表了他的新模型（1911）。在他描述的原子圖片中，有壹個“原子核”占據了原子中心的大部分質量。在這個原子核周圍，帶負電荷的電子沿著特定的軌道圍繞它運動。這與行星系統（如太陽系）非常相似，因此該模型自然被稱為“行星系統”模型。在這裏，原子核就像我們的太陽，而電子就是圍繞太陽運行的行星。
然而，這種看似完美的模式有其自身無法克服的嚴重困難。因為物理學家很快指出，帶負電荷的電子圍繞帶正電荷的原子核旋轉，這個系統是不穩定的。它們之間會發出強烈的電磁輻射，這將導致電子壹點點地失去能量。為此付出的代價是，它不得不逐漸縮小自己的操作半徑，直到最後“撞”上了原子核，而整個過程只花了壹眨眼的時間。換句話說，即使世界是盧瑟福描述的那樣，它也會在壹眨眼的時間裏被原子本身的崩潰所摧毀。原子核和電子將不可避免地發出輻射並相互中和，然後使盧瑟福和他的實驗室以及整個英格蘭、整個地球和整個宇宙陷入混亂。
然而，當然，盡管理論家做出了悲觀的預測，但太陽仍然每天準時升起，每個人都活得很好。電子仍然快樂地圍繞原子旋轉，沒有任何失去能量的警告。尼爾斯·玻爾，壹個來自丹麥的年輕人，安全抵達曼徹斯特，開始在物理學史上寫下濃墨重彩的壹章。
玻爾並沒有因為盧瑟福模型的困難而放棄這壹理論。畢竟，它得到了α粒子散射實驗的有力支持。相反，玻爾對電磁理論能否作用於原子有相當大的懷疑，這是人們從未涉足的層面。對玻爾來說，曼徹斯特的生活顯然比劍橋舒適得多，盡管他和盧瑟福的性格如此不同。後者是壹個脾氣急躁、精力充沛的人，而玻爾則像壹個害羞的大男孩，壹說壹句話就似乎口齒不清。但他們顯然是壹支出色的球隊。玻爾的天才在老板盧瑟福的領導下被充分激發，很快在歷史上激起了波瀾。
1912年7月，玻爾完成了他的第壹篇關於原子結構的論文，歷史學家後來經常稱之為“曼徹斯特備忘錄”。玻爾已經開始嘗試將量子概念與盧瑟福模型相結合，以解決經典電磁力學無法解釋的難題。然而，壹切都只是開始。在那片前人未曾涉足的處女地，玻爾只能壹步步摸索前行。沒有人告訴他方向應該在哪裏，他的動力只有對盧瑟福模式的信仰和年輕人特有的巨大熱情。玻爾當時對原子光譜壹無所知，當然他也看不到它對後來原子研究的決定性意義。然而，革命的方向已經確定，任何事情都無法改變量子理論即將出現的事實。
烏雲密布的天空中出現了壹絲亮光。盡管它最終只是壹顆流星，但這束光無疑為已經僵化和老化的物質世界註入了新的活力，壹種帶有新鮮氣息和希望的活力。這道光點燃了人們手中的火炬，指引他們找到真正的永恒之光。
終於在7月24日，玻爾結束了在英國的學習，前往丹麥。在那裏，他可愛的未婚妻瑪格麗特正焦急地等待著他，物理學的未來即將向他敞開。臨走前，玻爾把他的論文給盧瑟福看了看，受到了熱切的鼓勵。然而，盧瑟福有沒有想過這個年輕人會在多大程度上改變人們對世界的最終看法？
是的，是的，時候到了。偉大的三部曲即將問世，真正屬於量子的時代終於到來。
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飯後八卦:諾貝爾獎得主的幼兒園
毫無疑問，盧瑟福本人就是壹位偉大的物理學家。但同時，他也是壹位偉大的物理老師。他以敏銳的眼光發現人們的天才，並以偉大的人格關懷他們，挖掘他們的潛力。盧瑟福身邊的大多數助手和學生後來都變得非常優秀，其中包括壹大批科學大師。
我們熟悉尼爾斯·玻爾，20世紀最偉大的物理學家之壹，1922諾貝爾物理學獎獲得者，量子理論的創始人和象征。在曼徹斯特跟隨盧瑟福。
保羅·狄拉克是量子理論的創始人之壹，也是壹位偉大的科學家和1933諾貝爾物理學獎的獲得者。他的主要成就是在劍橋的卡文迪許實驗室取得的（當時盧瑟福接替J·J·湯姆遜擔任該實驗室的主任）。狄拉克獲獎時只有31歲。他告訴盧瑟福，他不想獲獎，因為他討厭自己在公眾中的聲譽。盧瑟福勸道，如果不接受獎金，那麽這種名聲會更加響亮。
中子的發現者詹姆斯·查德威克在曼切斯特的盧瑟福實驗室呆了兩年。他以1935獲得了諾貝爾物理學獎。
布萊克特在第壹次世界大戰後辭去了海軍上尉的職務，並前往劍橋跟隨盧瑟福學習物理。後來，他改進了威爾遜雲室，並在宇宙射線和核物理方面做出了巨大貢獻，為此他獲得了1948的諾貝爾物理學獎。
1932年，E.T.S .沃爾頓和考克洛夫·克羅夫特在盧瑟福的卡文迪什實驗室建造了壹臺強大的加速器，以研究原子核的內部結構。盧瑟福的兩個弟子在1951年分享了諾貝爾物理學獎。
這份名單可以壹直列下去，直到令人無法忍受:英國人索迪以1921獲得諾貝爾化學獎。瑞典人赫維西以1943獲得諾貝爾化學獎。奧托·哈恩，德國，1944諾貝爾化學獎。英國塞西爾·弗蘭克·鮑威爾，1950諾貝爾物理學獎。美國人漢斯·貝特，1967諾貝爾物理學獎。蘇聯P.L .卡皮察，1978諾貝爾化學獎。
除了壹些稍微疏遠的案例外，盧瑟福壹生至少培養了10名諾貝爾獎獲得者（不包括他自己）。當然，在他的學生中仍有壹些傑出的名字沒有獲得諾貝爾獎，例如漢斯·蓋格（後來因發明蓋格計數器而聞名）、亨利·莫斯利（壹個具有無限天才的年輕人，但不幸死於第壹次世界大戰的戰場上）和歐內斯特·馬斯登（與蓋格壹起制作了α）。
盧瑟福的實驗室被後人稱為“諾貝爾獎獲得者的幼兒園”。他的頭像出現在新西蘭最大面值的貨幣上——100元，作為對這個國家的最高敬意和紀念。
五
8月1912日，玻爾和瑪格麗特在離哥本哈根不遠的壹個小鎮結婚了，然後他們去英國度蜜月。當然，有壹個人絕對不能忘記去拜訪，那就是盧瑟福教授，他是玻爾家族最好的朋友之壹。
雖然當時正處於蜜月期，但原子和量子的畫面仍然沒有從玻爾的腦海中消失。他和盧瑟福再次認真地交換了意見，加深了彼此的信念。回到丹麥後，他以200%的熱情投入到這項工作中。揭開原子內部奧秘的夢想對玻爾來說太有誘惑力了。
為了讓大家跟上我們的故事，讓我們再次描述壹下波爾當時面臨的情況。盧瑟福的實驗展示了原子的全新面貌:原子中心有壹個致密的核心，電子圍繞這個中心運動，就像行星圍繞太陽運動壹樣。然而，這種模型面臨著嚴重的理論困難，因為經典電磁理論預測，這樣的系統將不可避免地釋放輻射能量並最終導致系統的崩潰。換句話說，盧瑟福的原子不可能穩定存在超過1秒。
玻爾面臨著放棄盧瑟福模型或麥克斯韋及其偉大理論的選擇。玻爾勇敢地選擇了放棄後者。憑借深刻的洞察力，他預見到在原子這樣小的水平上，經典理論將不再成立，必須引入新的革命性思想，即普朗克的量子和他的H常數。
應該說，這是壹項相當艱巨的任務。如何推翻麥克斯韋的理論是其次，關鍵是新理論可以完美地解釋原子的所有行為。在玻爾在哥本哈根努力工作的那壹年，門捷列夫的元素周期律已經被發現很久了，化學鍵理論已經牢固地建立起來。各種跡象表明，有壹種潛在的規律支配著它們的行為，並在原子內部形成某種模式。原子世界就像壹座擁有無限寶藏的金字塔，但如何找到進入其中的通道是壹個令人困惑的問題。
然而，像當年的貝爾佐尼壹樣，玻爾也擁有壹個探險家最寶貴的品質:洞察力和直覺，這使他能夠抓住模糊但稍縱即逝的線索，從而打開新世界的大門。1913開頭，年輕的丹麥人漢斯·馬裏烏斯·漢森問玻爾如何解釋他的量子化原子模型中的原子譜線。玻爾之前並沒有過多考慮這個問題。原子光譜對他來說既陌生又復雜。成千上萬的譜線和奇怪的效果太混亂了，他似乎無法從中提取任何有用的信息。然而，漢森告訴玻爾，這裏面有定律，比如巴爾末公式。他敦促玻爾關心巴爾默的工作。
突然，就像伊翁（伊恩）發現了畫有蛇發女怪的亞麻布壹樣，壹切都變得清晰起來。山叠水流曲折正愁無路可走，柳綠花開間突然出現壹個山村。在誰也沒有想到的地方，量子取得了決定性的突破。在1954中，玻爾回憶道:當我看到巴爾末公式時，壹切都變得清晰了。
要從頭回顧光譜學的發展，我們必須從偉大的本生和基爾霍夫開始，那必然是另壹部大規模的文本。鑒於篇幅，我們只需對背景知識有壹個簡要的了解，因為這個歷史故事原本並不打算詳細描述所有方面。綜上所述，當時的人們已經知道任何元素在受熱時都會發出特定波長的光。例如，我們從中學的火焰實驗中知道鈉鹽發出明亮的黃光，鉀鹽是紫色的，鋰是紅色的，銅是綠色的，等等。這些光線通過分光鏡投射到屏幕上，得到譜線。在光譜中可以看到各種元素:鈉總是以壹對黃線出現，鋰產生壹條鮮紅色線和壹條暗橙色線，鉀是壹條紫色線。總之，任何元素都會產生特定且唯壹的譜線。
然而，這些譜線呈現出什麽規律以及為什麽它們具有這些規律是壹個大問題。以氫原子的譜線為例。這是最簡單的原子光譜線。它顯示為壹組線段，每條線代表壹個特定的波長。例如，在可見光範圍內，氫原子的譜線是:656，484，434，410，397，388，383，380...依次為納米。毫無疑問，這些數據並不混亂。1885年，瑞士數學教師約翰·巴爾默發現了這壹定律，並總結出壹個公式來表達這些波長之間的關系。這就是著名的巴爾末公式。稍微變換其原始形式並用波長的倒數來表示更簡單明了:
ν=R(1/2^2 - 1/n^2）
其中r是常數，稱為裏德伯常數，n是大於2的正整數（3、4、5等。).
長期以來，這是壹個非常有用的經驗公式。但是沒有人能解釋這個公式背後的含義是什麽，以及如何從基本理論中推導出它。但在玻爾眼裏，這無疑是晴天霹靂。這就像壹個火花，瞬間點燃了玻爾的靈感。在那壹刻，所有的懷疑都變得很自然。玻爾知道原子中隱藏的秘密，最後對他微笑。
讓我們看看巴爾默公式，它使用了壹個變量n，n是任何大於2的正整數。n可以等於3，4，但不能等於3.5，這無疑是壹個量子化的表達式。波爾深吸了壹口氣。他的大腦飛速運轉。原子只能發出波長符合某種量子定律的輻射。這是什麽意思？讓我們回憶壹下由普朗克推導出的經典量子公式:E = hν。頻率是能量的量度。原子只發射特定波長的輻射，這意味著它只能在原子內部吸收或發射特定量的能量。原子如何吸收或釋放能量？當時已經有了壹定的了解。例如，J .斯塔克提出光譜的譜線是由在不同電勢位置之間移動的電子發出的，英國人J.W .尼克爾森也有類似的想法。玻爾無疑意識到了這些任務。
壹個大膽的想法在玻爾的腦海中浮現:原子內部只能釋放壹定量的能量，這表明電子只能在特定的“勢能位置”之間轉換。也就是說，電子只能按照某些“確定”的軌道運行，而這些軌道必須滿足某些勢能條件，因此當電子在這些軌道之間跳躍時，只能釋放符合巴爾末公式的能量。
我們可以這樣打個比方。如果妳在中學聽過物理課，妳應該知道勢能的轉化。壹個體重100公斤的人從1米高的臺階上跳下，他/她將獲得1000焦耳的能量。當然，這些能量在下落時會轉化為動能。但如果是這樣的話，我們通過某種手段知道壹個體重為100公斤的人在以相同的高度跳下幾級臺階後釋放了1000焦耳的能量，那麽我們可以說每級臺階的高度是多少呢？
顯而易見和直接的計算是，這個人總是下落1米，這對我們的臺階高度有嚴格的限制。在正常情況下，我們會承認壹個臺階可以有任何高度，這取決於建造者的興趣。但如果我們加上這個條件，每壹步的高度就不再是任意的了。我們可以假設只有壹個臺階，那麽它的高度是1米。或者這個人總是跳兩步，所以每壹步的高度是0.5米。如果妳跳三次，那麽每壹級就是1/3米。如果妳是諜戰片的粉絲，那麽妳大概會猜到每壹級臺階的高度是1/39米。但無論如何，我們都不能得出每壹步都是0.6米高的結論。原因很明顯:0.6米高的臺階不符合我們的觀察（總* * *釋放了1000焦耳的能量）。如果只有壹個這樣的步驟，它所帶來的能量是不夠的。如果有兩個臺階，總高度將達到1.2米，導致釋放的能量超過觀測值。如果我們想符合我們的觀察，我們必須假設總有壹又三分之二個臺階，這無疑是荒謬的，因為孩子們知道臺階只能有整數級。
這裏，步數“必須”是壹個整數，這是我們的量化條件。該條件限制了每個臺階的高度只能是1米或1/2米，而不能是介於兩者之間的任何數字。
原子和電子的故事在道理上基本與此類似。我們還記得在盧瑟福模型中，電子像行星壹樣圍繞原子核旋轉。當電子最接近原子核時，它的能量最低，這可以視為“平地”上的壹種狀態。然而，壹旦電子獲得壹定的能量，它就獲得了“爬”上壹個或幾個臺階並到達新軌道的動力。當然，如果沒有能量補充，它將從該高度的軌道上墜落，直到恢復到“扁平”狀態，同時再次以輻射的形式釋放原始能量。
關鍵是我們現在知道在這個過程中，電子只能釋放或吸收特定的能量（由光譜的巴爾末公式給出），而不是連續地釋放或吸收。玻爾做出了合理的推斷:這表明電子攀爬的“臺階”必須滿足壹定的高度條件，它們不可能像經典理論所假設的那樣是連續的和任意的。連續性被破壞了，量子化條件必須成為原子理論的主宰。
我們不得不再次使用量子公式E = hν，請原諒。斯蒂芬·霍金在他的暢銷書《時間簡史》的致謝中說，插入任何數學公式都會使作品的銷量減半，所以他再三考慮後只使用了壹個公式E = mc2。我們的歷史故事是壹出戲，我們不會考慮那麽多，但即使我們列出了公式，我們也不會強迫觀眾理解它們的數學意義。只有這個E = hν，我認為有必要理解它的含義，這對整個歷史故事的理解也是有益的。在科學意義上，它不亞於愛因斯坦的E = mc2。所以我想重復壹下這個方程的描述:e代表能量，h是普朗克常數，ν是頻率。
回到主題，玻爾現在知道氫原子的譜線代表電子從壹個特定步驟跳躍到另壹個特定步驟所釋放的能量。因為觀測到的譜線是量子化的，所以電子的“臺階”（或軌道）也必須是量子化的，它不能連續取任何值，而必須分為“底樓”、“壹樓”和“二樓”。在兩層樓之間，是電子的禁區，它不能出現在那裏。就像壹個人不能在兩步之間漂浮壹樣。如果電子在“第三層”，其能量用W3表示，那麽當電子突發奇想決定跳到“第壹層”（能量W1）時，它將釋放W3-W1的能量。我們要求大家記住的公式又開始發揮作用了，W3-W1 = hν。所以這種移動的直接結果是頻率為ν的譜線出現在原子的光譜上。
玻爾的所有這些想法都轉化為理論推導和數學表達，並最終以三篇論文的形式發表。這三篇論文（或壹篇大論文的三個部分）的標題是“論原子和分子的構成”。《只含有壹個原子核的系統》和《含有幾個原子核的系統》於1913年3月至9月寄給曼徹斯特的盧瑟福，並由後者推薦在《哲學》雜誌上發表。這是量子物理學史上劃時代的文獻，即偉大的三部曲。
這確實是壹個新時代的到來。如果把量子力學的發展史分為三個部分，普朗克在1900年宣布量子誕生，然後玻爾在1913年宣布它進入青年時代。首次建立了完整的量子理論體系。盡管我們將看到這壹體系仍帶有強烈的舊世界痕跡，但其意義無論如何都不可低估。量子第壹次以其威力震驚了整個世界。盡管它的壹半意識還在沈睡，還在舊物理大樓裏，但它的咆哮無疑讓整個舊世界土崩瓦解，動搖了延續數百年的經典物理學基礎。神話中的巨人已經開始覺醒。那些躲在古城堡裏的貴族們，顫抖吧！