第三章
光与原子

卢瑟福模型引发的问题基于这样一个事实：运动着的电荷在加速过程中以电磁辐射的形式——如光、电磁波或其他类似的东西。如果电子待在原子的核外面，它终会落入原子核，那么，原子是不稳定的，在原子坍塌的同时会产生一阵能量辐射。很明显要抵消这种坍塌的办法是让电子绕原子核转动，如在太阳系中行星绕太阳转动一样。转动时包含着连续的加速，转动中粒子速度的大小可能不变，可是运动的方向却在一直改变着，速度大小和方向合在一起才构成了速度这个量。由于电子的速度不断地变化，必然辐射能量，由于不断地失去能量，电子应该沿着螺旋线型方向落进原子核。即使引进轨道运动模型，理论家们依然无法阻止卢瑟福原子的坍塌。

改进这个模型时，理论家们从电子轨道图像出发企图寻找到一种让电子不丢失能量、同时保持在轨道上而不是沿着螺旋形方向落入原子核的办法。这是个自然的出发点，这与太阳系的分析符合得很好。但是错了，正如我们将会看到的那样，这样就会导致认为电子是静止在离原子核一段距离的某个空间点上，而不是环绕着原子核运转。这两种看法存在的问题是相同的——怎样阻止电子落入。可是这个观点产生的物理学图像与行星绕太阳转动完全不同。无论是否使用电子轨道，理论家们在解释电子何以不落入原子核的手段都是累赘且误导性的。多数人包括中学生及大众仍保留着这样一幅图像：原子有点像太阳系，中间是很小的原子核，电子快速地绕其运动。可是，现在正是应该放开脑筋摒弃这幅图像以进入奇特的量子力学世界的时候了。简单想象一下，电子与原子的核同在一个空间中，为什么正负电荷的吸引却不会导致原子的坍塌并辐射出能量。

在理论家开始解决这个问题的时候，在20世纪20年代，实验上发现了一些奇特的现象，这能帮他们改进已有的原子模型。这些现象是关于物质（原子）与辐射（光）的相互作用的研究。

在20世纪初，对自然界最好的科学认识需要两方面的哲学。物体描述为粒子或原子，而电磁辐射包括光只能由波理论描述。所以光与物质的相互作用的研究似乎是为物理学的统一提供了一个最好的机会。可是，正是试图解释辐射与物质相互作用时，曾经在各方面都相当成功的经典理论才败下阵来。

观察物质与辐射怎样作用的最简单的方法（从字面上讲）是看一个热的物体。一个热的物体能辐射电磁能量，物体愈热，辐射的能量愈大，辐射的电磁波的波长愈短（频率愈高）。因此，一个红热的拨火棍比白热的拨火棍要凉一些，凉得不能辐射可见光的拨光棍仍能让人感到温暖，这是因为它能辐射出低频的红外线。电磁辐射必定与小电荷的运动有关，这即使在19世纪末也很清楚。电子一旦被发现，就很容易看出原子中的带电部分（现在我们知道是电子）前后振荡将产生电磁波，这与我们在小水塘里将手指前后晃动产生小水波的情形差不多。困难在于两门最好的经典理论——统计力学和电磁理论结合在一起预言的辐射形式，这与实际观测到的从热物体中发出的辐射有点不一样。 tAir8n4M3EDujYJHwfoq7Po0FfooHA77wpr9dYh8i8sprabodbT/woDpSrC6rJ8Q