2 特立独行的电子
2.1 原子模型的历史变迁
用物质的导电性能来区分导体、绝缘体和半导体，看到的是它们的表面现象。科学家们喜欢求本溯源，凡事总得问个“为什么”。为什么这三种物态的导电性会有所不同呢？一定是因为它们的内部结构有所不同吧。这内部结构到底是何种不同，才会导致电学性质不同呢？因此，我们首先研究物质的原子结构，才能明白导电性的差别从何而来。
物质是由原子组成的，原子又由原子核和绕着核层层旋转的电子构成，这是原子结构的经典模型。有了量子理论后，电子绕核转的行星模型不时髦了，物理学家们把电子的运动描述成某种波动，或者用“电子云”一词来表示，这让我们有了更多自由遐想的空间。
但无论如何，原子的结构总是原子核加电子。如果我们缩小到微观去观察一个原子，发现它有点像个大家庭：原子核比较重，体积大，就像一栋大房子，将父母和女人们留在了家里；电子呢，有的处于束缚态，在家园附近劳动，有的是自由的，出外打天下，人们将它们叫做自由电子。这些自由电子可以四处游荡，不仅跑到附近别的原子核边上，到邻居家里做客，还有可能漂流到千里之外，创造出丰功伟绩。人类最早认识的导电物质是金属，科学家发现，正是金属中的自由电子造成了金属的导电性。物质中自由电子的多少，便也可以用来区分金属和绝缘体。
我们再打破砂锅问下去，为什么原子核外面的电子，有的被束缚，有的是自由的呢？为什么金属中有许多自由电子，而绝缘体中几乎没有呢？这些问题又将我们带回到各种原子的不同结构、不同的原子模型上来。
原子结构理论经过了数次历史变迁，如同其他的物理理论一样，没有一个描述原子的模型是永远完美没有缺陷的。科学在不断地进步，本来被认为是正确的东西过一段时间就可能是谬误，原子模型也是如此。每一个模型在上一个模型的基础上发展起来，否定了它的前辈，然后过不了多久，它自身又被另一个新的模型所替代、否定。新的模型总是比上一个更迷人、更接近真理。这正是推动我们孜孜不倦地去进行科学研究的原动力（图2.1.1）。
最开始给原子建立科学模型的是英国的道尔顿，他把原子描述成一个不可再分的、坚硬的实心小球。尽管这是一个错误的模型，但它首次将原子研究从哲学引进到科学范畴。从历史的角度看，仍然功不可没。
约翰·道尔顿（John Dalton,1766—1844）是个很有特色，鞠躬尽瘁、死而后已，为科学献身的科学家。他年轻时从一个名叫高夫的盲人哲学家那里接受了自然科学知识。由于道尔顿自己是个色盲，所以他从自身的体验中总结出色盲症的特征，给出了对色盲的最早描述。并且，道尔顿希望在他死后对他的眼睛进行检验，用科学的方法找出他色盲的原因。1990年，在他去世将近150年后，科学家对其保存在皇家学会的一只眼睛进行DNA检测，发现他的眼睛中缺少对绿色敏感的色素。
图2.1.1 原子模型，从经典的实心球到量子力学的几率波
道尔顿只为科学理想而献身、别无他求，他终生未婚、安于穷困，即使是英国政府给予他的微薄的养老金，道尔顿也把它们积蓄起来，捐献给曼彻斯特大学的学生作为奖学金。道尔顿是个气象迷，他从1787年21岁开始连续观测、记录气象，几十年如一日，从不间断。一直到78岁临终前的几小时，还为他近20万字的气象日记，颤抖地写下了最后一页，给后人留下了宝贵的观测资料。
道尔顿认为原子是不可再分的，但几十年后英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆孙却发现从原子中射出了电子，并因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖。
汤姆孙使用真空管重复赫兹的阴极射线实验。他用几种不同的金属材料作为电极，证明了不同金属发出的阴极射线都是由同一种带负电的极小粒子组成的。汤姆孙还测出了这种粒子的电荷和质量比值。1897年4月30日，汤姆孙在英国皇家学会的讨论会上演讲，宣布他发现了一种被称为“电子”的粒子。从此，电子，这个从原子中走出的第一个粒子，为人类开始了它们的各种舞蹈表演。
根据原子中存在电子的事实，汤姆孙于1904年提出原子的葡萄干蛋糕模型（或西瓜模型）。他将原子想象成一块均匀带正电荷的蛋糕，带负电荷的电子则像葡萄干一样镶嵌在蛋糕里面。
不过，葡萄干蛋糕模型的好景不长，很快就被汤姆孙的得意门生卢瑟福否定了。
卢瑟福对铀盐、钍盐及居里夫人发现的镭所放出的射线进行了广泛深入的研究，从而发现了α粒子。通过观察α粒子在电场和磁场中的表现，卢瑟福弄清楚了这种粒子的性质。由于研究α衰变对原子研究作出的重要贡献，卢瑟福被授予1908年的诺贝尔化学奖。
卢瑟福发现α粒子带正电荷，数值是电子电荷数量的两倍。既然α粒子是从原子中跑出来的带正电荷的东西，卢瑟福自然地联想到了老师的原子模型：α粒子是不是从那个模型中分裂出来的一小块“蛋糕”呢？看来又不像，因为α粒子的体积似乎不大，质量却比电子质量大得多，是电子质量的7300多倍。均匀分布着正电荷的蛋糕，不可能有如此大的质量密度。
但是，蛋糕模型只是老师提出的假说，对错与否还需要实验的验证。于是，卢瑟福产生了一个新奇的想法，何不就利用这种高速而又质量颇大的粒子，来探测原子的内部结构呢。也就是说，把α粒子当作一个特务，打进原子去进行间谍活动，看看原子内部到底是怎么回事。
卢瑟福和他的助手汉斯·盖革博士立即开始了实验。他们利用镭所发射的α粒子束，轰击一片非常薄的金箔。然后，经过金箔散射后的α粒子间谍，各自带着在金箔原子中探测到的情报，被设置于各个方向的荧光屏收集记录下来。
这些α粒子间谍的能量很大，跑得极快，速度约为光速的十二分之一！从原子旁边只能一晃而过，要想让它们像真正的特务那样潜伏在原子内部是不可能的。不过，卢瑟福和盖革进行实验的优越条件是能够以多取胜，他们做了一次又一次的大量实验，每次都派出了大批大批的奸细，结果，他们发现：
（1）大部分的间谍都能毫无阻碍地通过金箔，沿着原来的方向到达荧光屏；
（2）一小部分间谍穿过金箔到达荧光屏时，稍微受了点儿干扰，方向偏转了一个小角度；
（3）极少数的个别间谍就惨了，好像挨了当头一棒，找不着北了，方向被偏离了一个很大的角度，有时甚至被直接向后反弹回去。
从这些α粒子间谍提供的大量情报中，卢瑟福脑海中构造出了一个与老师的葡萄干蛋糕或西瓜模型不太一样的原子模型（行星模型）：
（1）原子中大部分地方是空的；
（2）原子中心有一个很小、很重、带正电荷的原子核；
（3）带负电的、比核小得多、轻得多的电子在原子的其余空间中绕核运动。
不过，卢瑟福的行星模型很快就遭到经典电磁场理论的当头一棒。根据麦克斯韦理论，如果电子是在绕着原子核不停转圈，这个运动电荷应该不停地发射出电磁波，电子也就会连续不停地损失能量，因此电子轨道半径将连续地变小又变小，最后所有电子将会全部奔向原子核，大家庭的成员都回到家里聚成一团，哪里还有什么行星模型呢？换言之，行星模型不稳定！
另外，麦克斯韦的理论加上卢瑟福的模型，也难以解释氢原子光谱为什么不是连续的，而是一条一条分离的、线状的谱线。
当时，量子理论的思想正处于“小荷才露尖尖角”的萌芽状态。普朗克和爱因斯坦催生了这颗小芽，但他们两人却都不怎么喜欢它，都想把它掐死。
不过，玻尔来了，这个年轻人喜欢“量子”这个新鲜玩意儿，并立刻看出了在原子尺度上，应该用它来替代经典的电磁理论。
从上面的叙述中，我们也可以看出，卢瑟福的行星模型碰到的困难都和“连续”有关。第一个困难是经典的电磁理论预言了原子将连续发射电磁波而塌缩；第二个困难则是氢原子光谱不“连续”的事实。这不正好吗，量子理论的中心思想就是不连续，它就是专门用来对付这些因“连续”而产生的困难的。
于是，1913年，玻尔便用“量子”的思想改进了卢瑟福的行星模型，建立了自己的原子模型。玻尔保留了卢瑟福模型中的电子轨道，但这些轨道不是任意的、连续的，而是量子化的。这些电子遵循泡利不相容原理，各自霸占着特别的轨道，也不能随便地、任意地发射或吸收电磁波，而是当且仅当它从一个轨道跃迁到另一个轨道时，才能“一份一份的、不连续地”辐射或吸收能量。
当时的玻尔模型成功地克服了上述两个困难。不过，玻尔虽然对“量子”情有独钟，当时却对它的行为还了解不深。所以，玻尔模型还不是彻底的量子力学。原子模型的真正量子力学描述，是建立了薛定谔方程之后，被物理界所公认的电子云模型（图2.1.2）。
图2.1.2 由扫描隧道显微镜拍摄的电子云和原子电影
根据量子力学中最令人迷惑的测不准原理和波动解释，电子云模型认为，电子并无固定的轨道，而是绕核运动形成一个带负电荷的云团，故称为“电子云”。
电子云模型沿用至今，并且随着现代实验技术的发展达到了堪称神奇的地步。使用扫描隧道显微镜技术，科学家们不仅直接观察到了原子和电子云（图2.1.2（a）），还能操纵和控制原子。最近， IBM利用一坨冰冻一氧化碳，将环境降低至-260℃。然后，用5000个原子拍摄了一个世界上最小的电影：《一个男孩和他的原子》（ABoy And His Atom）。大家从中可以领略到现代实验技术的神奇。
原子电影：http:/ /www.youtube.com/watch?v＝oSCX78-8-q0
电子云：http:/ /en.dogeno.us/2009/09/first-captured-image-of-electron-clouds-inside-one-atom/