卢瑟福和波尔“电子绕核模型”的复活

在原子结构认识过程中，物理学经历了‘实心球模型’（道尔顿1803）、‘葡萄干布丁模型’（汤姆逊1904）、‘电子绕核沿不同椭圆轨道旋转的太阳系模型’（卢瑟福1911）、‘电子在一定的圆轨道上绕核运动模型’（波尔1913）、‘电子以密度概率分布在核周围的电子云模型’（薛定谔1935）。

人们对微观世界的认识在不断深入。但回顾认识发展过程，也有意义。本文发现，曾被认为有错而被抛弃的卢瑟福和波尔模型，可能是批错了。

1911年，英国科学家卢瑟福，通过实验推断出原子的大部分体积是空的，带负电荷的电子围绕着带正电荷很小的原子核运转，就像行星围绕着太阳转动。电子绕核转动的离心力让带负电的电子能够抵御带正电荷的核将电子吸到核中。

卢瑟福经过两年思考、理论计算和深思熟虑，提出了有核原子模型，推翻了他的老师汤姆逊的实心带电球“葡萄干布丁”原子模型。

卢瑟福提出的原子模型像一个超小“太阳系”，带正电的原子核像太阳，带负电的电子像绕着太阳沿椭圆或圆轨道旋转的行星。在这个“太阳系”中，支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。

之后，玻尔根据原子光谱的分立性质，将卢瑟福模型改进为电子绕核沿一定的圆轨道运动，解释了氢原子光谱。

卢瑟福和波尔的有核原子理论为原子科学发展立下了不朽功勋。然而，卢瑟福和波尔的原子模型遭到物理学家们冷遇。原因是绕核运动的电子会不断释放电磁能，很快会堕入原子核，与原子稳定存在的实际不符。

当时正是量子力学需要原子模型的发展阶段。学者们因此放弃了有确定轨道的卢瑟福和波尔模型，采用了以密度概率分布的电子云模型。这个模型不存在电子因加速运动而不稳定，但电子靠什么力量抵御带正电菏核的强大引力的吸引则没有给出交代。

近日看到中科院地球物理所汤克云研究员在《中国预印本》系统发布的文章“推迟电场与量子轨道的稳定性”。

汤克云在文章中指出：在经典电动力学中，认为荷电粒子作匀速直线运动不会产生辐射，作变速运动或加速运动，就会产生辐射。也就是说，加速度是产生辐射的充分必要条件。汤重新审视解析 Maxwell 电磁理论，特别是 Lienard-Wiechert 的推迟场理论，发现：经典电动力学对加速度和辐射关系的论证并不完全正确。

汤克云重新论证产生辐射场的充分必要条件。对于一个作任意变速运动的点电荷q ，考虑了电磁相互作用传播速度有限性的推迟电磁场可分解为1)静电场、2)感应场、3) 辐射场三部分。其中辐射场由电荷的加速度α引起。α可分解为径向分量α_r 和角向分量α_θ 。

计算分析得出的结论是：径向加速度对辐射没有贡献，有贡献的仅仅是角向加速度！也就是说，荷电粒子产生辐射场的充分必要条件是：角向加速度不等于零。

汤又对绕原子核沿椭圆轨道运动的电子，根据牛顿-开普勒定律分析得出：绕原子核沿椭圆轨道运动的电子，尽管有径向加速度，但角向加速度为零，不会产生电磁辐射。

汤克云的结论是：

“经典电动力学对于辐射与加速度关系的表述是不完全正确的—绕原子核转动的电子产生辐射的充分必要条件不是存在加速度，而是角向加速度不为零。沿椭圆轨道或圆轨道运动的电子都只有径向加速度，没有角向加速度，所以不会辐射电磁波,其轨道都是稳定的。 当电子受到外力或外场作用，椭圆轨道或匀速圆周轨道被破坏，才出现角向加速度，才会辐射电磁波。 如此解释电子轨道的稳定性和辐射，似乎更自然，更具普遍性。”

对这项分析感兴趣的，可以查看汤的文章中的分析和计算。

若汤的计算无误，那么量子力学发展的那个阶段，抛弃卢瑟福和波尔有核原子模型的主要理由就不存在了。那时的学者是否会沿改进波尔模型的路线发展量子理论？对量子力学之后的发展会有什么影响？回顾这段历史有什么现实意义？……

在天文学领域，研究太阳系行星运动的学者，已经知道为什么行星绕日轨道的偏心率都很小；并且给出了随着时间进程，行星轨道偏心率最终会趋近于零，所有行星都会沿圆轨道绕日运动。――行星绕日的椭圆轨道仅是过渡态，圆轨道是稳态。

太阳系行星轨道半径的提丢斯-波得定则，目前是个经验规则，还没有找到轨道半径分裂的理论原因。

附：汤克云在预印本系统上发布的“推迟电场与量子轨道的稳定性”

推迟电场与量子轨道的稳定性-20200112.pdf