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2020-12-01物質由何組成？從原子光譜到原子結構
612 期
Author 作者
蔡坤憲／交通大學電子物理所碩士。目前旅居紐西蘭，擔任高中物理老師。熱愛劍道與科普文章的翻譯與寫作。
原子這個字源自希臘文「atomos」，是「不可再分割」的意思。原子是建構這個世界的「最後一塊磚」，這個想法最早可追朔至古希臘哲學家德謨克利特（Democritus）。2000多年之後，英國的化學家道耳吞（John Dalton）透過觀察化學反應，歸納出定比定律與倍比定律，由此成為原子存在的間接證據。然而，原子的面貌究竟為何？這個問題就像一個複雜難解的拼圖遊戲，透過許多科學家多年的接力鑽研，才逐漸變得清晰起來。
原子的結構模型
最初，在道耳吞的心目中，原子就像「金屬製的硬球」一樣，是堅硬而不可再分割的粒子，所有的物體都是由原子所組成，而原子不可被摧毀或創造。元素是由單一種類（形狀、大小）的原子所組成，而化學變化則是原子之間的重新排列組合。
然而，發現電子的湯姆生（Joseph John omson）算是第一位「分割原子」的人，因為他從原子身上發現了一個更小的粒子，也就是電子。由此，他提出了「葡萄乾－布丁模型（plum pudding model）」，認為帶負電的電子就如同葡萄乾，可以從帶有正電的布丁裡挑揀出來。而他的學生拉塞福（Ernest Rutherford）不僅認同這個理論，更設計了「金箔實驗（Geiger-Marsden experiment）」加以驗證。讓人意外的是，從拉塞福的實驗結果顯示，原子其實長得不像是葡萄乾－布丁，而比較像「太陽系」，有個帶正電且質量很大的原子核在中心，就像太陽一樣，而帶負電的電子則類似行星繞著原子核旋轉。
拉塞福的「行星繞日模型（Rutherford model）」雖然讓我們更進一步了解原子的結構，然而根據當時已知的電磁學理論，繞著原子核旋轉的電子會因為圓周運動的向心加速度，使原子輻射出電磁波（電磁能）而失去能量，最終墜毀到原子核裡。這個「穩定性」的問題，正是拉塞福的行星繞日模型所無法回答的難題（圖一）。
圖一:拉塞福提出的行星繞日模型，雖然能讓我們更進一步了解原子的結構，但由於電子會輻射出電磁波，而墜毀到原子核中，導致難以完整說明原子的真實結構。
這個難題稍後由波耳（Niels Bohr）的氫原子模型得到解決。但是在進入氫原子模型之前，我們需要先介紹另一個看似不相關的領域：光譜學。
用以辨識化學元素的指紋
以氣體放電管的光譜線來鑑定化學元素，是光化學與光物理跨領域結合後所發展出來的研究方法。這個方法源自於一個古老的定性分析方法：焰色實驗。從中國南北朝時期的煉丹術，一直到18世紀歐洲的冶金與機械工業等，都是藉由這個方法來判別物體內的礦物組成。
19世紀初期，德國的造鏡高手夫朗和斐（Joseph von Fraunhofer），磨製了一個大型的三稜鏡，並重複牛頓的色散實驗，但他卻驚奇地發現，經過稜鏡色散之後的彩虹（光譜）竟存在有許多條暗線（後稱夫朗和斐線）。1814年，他又利用多狹縫的光柵發明了光譜儀，用於分析和測量光譜線的波長，由此開啟了光譜學的研究。
在19世紀中葉，熱衷於焰色實驗的德國化學家本生（Robert Bunsen）改良了法拉第（Michael Faraday）發明的汽燈，也就是我們現在理化實驗課中常見的本生燈。本生燈可讓煤氣燃燒至2000°C以上的高溫，產生幾乎無色的火焰，讓鹽類燃燒所顯示的焰色更為精準。……【更多內容請閱讀科學月刊第612期】