20世紀初，“原子模型”進化中的“春秋戰國”黃金時代
微觀世界是一個“看不見，摸不著”的世界，但它與人們的生活息息相關，為了探索這一世界的科學奧秘，1803年，英國自然科學家約翰·道爾頓首先提出了原子概念，並指出宏觀物質是由微觀原子構成的，而且原子是實心球體且不能再分的最小粒子，這就是微觀科學史上提出的第一個“原子模型”，但其弊端是可想而知的，於是漸漸被人們遺忘了一百多年。
但隨著電磁學與熱力學等微觀科學的發展，人們迫切想為微觀基石—原子，找出一個新的理論模型，以適應這些科學的發展要求。
20世紀初，為了描述原子的真實模樣，於是，物理學家們在短短的30年間，竟提出了十多種模型“原子模型”，這真可謂是“原子模型”創建的“春秋戰國”黃金時代！
塵埃落定，“原子模型”最終被定格在了薛定諤的“電子雲”模型上；又近一百年過去了，回首當時物理學家們提出“原子模型”的思想基礎和驗證、淘汰過程，讓我們領略到了微觀世界探索的艱難與樂趣，同時也為我們今後微觀物理學的新探索提供了一些有益的啟迪！
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1901年，法國物理學家佩蘭提出了“行星結構原子模”。
他認為，原子中心是一些帶正電的粒子，外圍是一些繞轉著的電子，電子繞轉的週期對應於原子發射的光譜線頻率，最外層電子被拋出時就會發射陰極射線；他是通過做陰極射線實驗和對倫琴當時發現的X射線進行初步研究得出的，他認為原子類似於微型太陽系的“行星結構原子模”，這個模型對後來盧瑟福提出的“太陽系行星模型”產生了深遠的影響。
1926年，佩蘭獲得了諾貝爾物理學獎。
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1902年，德國物理學家勒納德提出了“中性微粒動力子模型”。
勒納德早期的實驗觀察表明，陰極射線能通過真空管內鋁窗而至管外；根據這種觀察，他在1903年以吸收實驗證明高速陰極射線能通過數千個原子；按照當時盛行的半唯物主義者的看法，原子內大部分體積是空無所有的空間，而剛性物質大約僅為其全部的10－9（即十萬萬分之一），於是，勒納德設想“剛性物質”是散處於原子內部空間裡的若干陽電和陰電的合成體，即被後人稱為“中性微粒動力子模型”。
1905年，勒納德獲得了諾貝爾物理學獎。
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1902年，英國著名物理學家開爾文提出了“實心帶電球原子模型”。
開爾文認為，若是把原子看成是均勻帶正電的球體，裡面埋藏著帶負電的電子，正常狀態下原子體處於靜電平衡，這個模型後來由J.J.湯姆孫加以發展，提出了被後人稱為“葡萄乾蛋糕原子模型”。
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1904年，英國物理學家湯姆遜提出了“葡萄乾蛋糕原子模型”。
湯姆遜受開爾文的“實心帶電球原子模型”的啟發，結合自己已發現電子存在的事實，他提出了“葡萄乾蛋糕原子模型”。
他認為，原子中均勻分佈著一定數量的正電荷，並且在這個球形膠凍狀的顆粒上鑲嵌著一定數量的電子，但是原子作為一個整體是電中性的，其中包含的正電荷數目和負電荷數目相等的；也就是說，原子是一個均勻的陽電球，若干陰性電子在這個球體內運行。他按照邁耶爾關於浮置磁體平衡的研究證明得出，如果電子數目不超過某一限度，則這些運行電子就會構成一個穩定的環必，如果電子數目超過這一限度，則將分成兩個穩定的環，以此類推至多環出現。
這樣，隨著電子的增多，就會形成結構上呈週期的相似性，門捷列耶夫週期表中物理性質和化學性質的重複再現，或許可以得到解釋。
這個模型不僅能解釋原子為什麼是電中性的，電子在原子裡是怎樣分佈的，而且還能解釋陰極射線現象和金屬在紫外線照射下能發出電子的現象，而且根據這個模型還能估算出原子的大小約10-8釐米，這是件了不起的事情，正由於湯姆遜模型能解釋當時很多的實驗事實，所以很容易被許多物理學家所接受。
1906年，湯姆孫獲得了諾貝爾物理獎。
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1904年，日本物理學家長岡半太郎提出了“土星結構原子模型”。
1903年12月5日，日本物理學家長岡半太郎在東京數學物理學會上口頭髮表，並於1904年分別在日、英、德的雜誌上刊登了《說明線狀和帶狀光譜及放射性現象的原子內的電子運動》的論文，他在這篇論文中批評了湯姆生的“葡萄乾蛋糕原子模型”的不合理性；他認為，湯姆生的原子模型不能夠讓正、負電相互滲透運動，於是，他提出了一種他稱之為“土星結構原子模型”，即一個大質量的帶正電的球，外圍有一圈等間隔分佈著的電子以同樣的角速度做圓周運動；而且電子的徑向振動能夠發射線光譜，垂直於環面的振動則發射帶光譜，環上的電子飛出的是β射線，中心球的正電粒子飛出的是α射線。
這個模型比後來英國物理學家盧瑟福在1911年提出的"原子行星模型"整整早了7年，但值得一提的是：7年以後，盧瑟福公佈了他那著名的“太陽系原子模型”，其核心思想與長岡半太郎的卻極為相似，但盧瑟福在關於他的原子模型首次報告中卻對長岡半太郎隻字未提。
1911年， 盧瑟福在給長岡半太郎的信中(1911年3月20日)說，他早就知道有這麼一個土星模型，"你將會看到我所採納的原子模型結構與你在幾年前的一篇論文裡提到的結構有些相似。雖然那個時候我還沒有查閱到你的文章，但是我記得你確實寫過這方面的文章。" 也是這一年，盧瑟福在他的《哲學雜誌》專論裡第一次提到了長岡半太郎的早期工作。直到40年以後，在慶祝日本獲得第一個諾貝爾獎的時候，長岡半太郎還很奇怪為什麼在論文發表之後長達7年的時間裡，盧瑟福都沒有看到他關於土星模型的專論呢? 實際上，劍橋附近的許多科學家都沒有對長岡半太郎模型給予重視。1911年3月11 日的信裡，布拉格曾要盧瑟福查閱長岡半太郎的論文，但盧瑟福認為，這不過是一個"小日本"的工作，不值得重視，於是就忽略掉了。
從這段歷史記載中可以看出，當時西方科學界對東方科學界研究成果審視中的傲慢與偏見，但日本人臥薪嚐膽，終於在近十幾年得到了全面“翻身”，他們連續獲得十幾個諾貝爾獎就是最好的反擊！
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1908年，瑞士科學家裡茲（Leeds）提出“磁原子模型”。
1908年，里茲提出原子光譜的組合原理，同時也指出：從已知光譜規律來看，這些規律僅僅涉及頻率v，而不涉及v2，可見電子所受作用力不是與其位移成正比，而是與其速度成正比。根據電磁理論，這種情況正好與電荷在電磁場中運動的情況相當。由此他提出一個假說，光譜線的頻率決定於磁場作用力。他提出的這個方程與氫光譜的巴耳末公式完全對稱。
里茲根據電磁理論，進一步推測分子磁棒是由圓柱形的電子沿軸旋轉； 有趣的是，他比烏倫貝克和高斯密特的自旋電子概念還早17年！里茲還推導出了光譜的一些性質，與實驗結果很符合，並由此提出了“磁原子模型”。
這個原子模型雖然在一定程度上都能解釋當時的一些實驗事實，但不能解釋以後出現的很多新的實驗結果，所以並沒有得到進一步的發展。
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1911年，盧瑟福提出了“太陽系模型”（又稱“有核原子模型”）。
1910年，盧瑟福在讓他的助手馬斯登做用α粒子去轟擊金箔的實驗中發現，利用湯姆遜原子模型不能解釋α粒子散射，盧瑟福經過仔細的計算和比較，發現只有假設正電荷都集中在一個很小的區域內，α粒子穿過單個原子時，才有可能發生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內。
在這個假設的基礎上，盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉的行星。在這個“太陽系”，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質集中在一個很小的核心上，而且原子質量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發表了一篇著名的論文《物質對α和β粒子的散射及原理結構》。
盧瑟福的理論開拓了研究原子結構的新途徑，為原子科學的發展立下了不朽的功勳。然而，在當時很長的一段時間內，盧瑟福的理論遭到物理學家們的冷遇。盧瑟福原子模型存在的致命弱點是正負電荷之間的電場力無法滿足穩定性的要求，即無法解釋電子是如何穩定地待在核外。1904年長崗半太郎提出的土星模型就是因為無法克服穩定性的困難而未獲成功。
因此，當盧瑟福又提出有核原子模型時，很多科學家都把它看作是一種猜想，或者是形形色色的模型中的一種而已，而忽視了盧瑟福提出模型所依據的堅實的實驗基礎。
盧瑟福具有非凡的洞察力，因而常常能夠抓住本質作出科學的預見。同時，他又有十分嚴謹的科學態度，他從實驗事實出發作出應該作出的結論。盧瑟福認為自己提出的模型還很不完善，有待進一步的研究和發展。他在論文的一開頭就聲明：“在現階段，不必考慮所提原子的穩定性，因為顯然這將取決於原子的細微結構和帶電組成部分的運動。”當年他在給朋友的信中也說：“希望在一、二年內能對原子構造說出一些更明確的見解。”
1908年，盧瑟福獲得了諾貝爾化學獎。
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1910年，奧地利物理學家哈斯（A.E.Haas）提出了“量子假說原子模型”。
哈斯在研究黑體輻射時很早就注意到了量子論，他讀過J.J.湯姆生專門討論原子結構的書《電與物質》和維恩的文章；維恩在文章中提到：能量元也許“可以從原子性質中推導出來，這些論著促使哈斯運用量子公式來闡述原子結構模型，即“量子假說原子模型”。
哈斯的論文發表於1910年，他在湯姆生模型的基礎上，設想電子在原子內部以振盪頻率v旋轉，運用普通力學公式計算原子的能量；他得出近似結果，認為hv與原子的總能量大概相等，這個結果雖然十分粗略，但卻是將量子假說運用於原子結構的最初嘗試。
哈斯的文章受到了洛侖茲的注意，後來，洛侖茲曾把哈斯的工作介紹到1911年的第一屆索爾威會議上，引起了與會者的興趣，大家對這個問題還進行了一番討論。
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1912年，英國物理學家尼科爾松（J．W．Nicholson）提出了“量子化原子模型”。
尼科爾松（J．W．Nicholson）是英國頗有名氣的數學和天文物理學家，擅長於星光光譜和日冕光譜的研究。1911—1912年間，他發表了一系列關於天體光譜的論文，其中也討論到原子模型。他認為恆星和太陽這樣高溫的物體，原子應具有特殊的狀態，這時電子的能量會高到電子環的半徑遠大於原子的半徑。他認為對這種狀態盧瑟福的有核模型和湯姆生的實心帶電球模型可看成是一致的。他假設天體中除了氫和氦以外，還有兩種最簡單的元素，叫 Nebulium和Protofuorine，它們的原子分別具有4e和5e的電子。這些電子組成環。他從力學原理計算系統的能量，發射能量與振動頻率之間有一確定的比值，這使他想到可以把原子看成普朗克振子，即“量子化原子模型”。
他說：“由於這一類原子系統的能量的可變部分與mnα2ω2成正比 （其中m是電子質量，n是電子數，a是電子環半徑，ω是振動角頻率），E/頻率=mnfα2ω或mnav，即等於電子繞核旋轉的總角動量。所以，如果普朗克常數，像索末菲所主張的那樣，有原子意義，也就意味著當電子離開或返回時，原子的角動量只能以一分立值來增減。”
這正是玻爾後來在原子理論中得到的一條重要結論，玻爾在他的第一篇論文中還特地提到尼科爾松。不過，尼科爾松只是照搬普朗克的振子概念，認為輻射的光頻率就是振子的振動頻率，也就是說，原子以什麼頻率振動，就以什麼頻率發射，於是不得不對光譜系的分立值武斷地解釋為：“一個譜系的各條譜線也許不是由同一個原子發出，而是由不同的原子，其內在的角動量由於輻射或其它原因而受到阻滯，因此與標準值相差某些分立值。例如，氫原子就可能有好幾類，這幾類的化學性質甚至重量都相等，只是內部運動不同而已。”
他這樣解釋分立的線光譜，當然不可能成功。
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1913年，丹麥物理學家玻爾提出了“玻爾原子模型”（軌道躍遷原子模型）。
1913年初，玻爾任曼徹斯特大學物理學教時，在朋友的建議下，開始研究原子結構，通過對光譜學資料的考察，寫出了《論原子構造和分子構造》的長篇論著，提出了量子不連續性，成功地解釋了氫原子和類氫原子的結構和性質。提出了原子結構的玻爾模型。按照這一模型電子環繞原子核作軌道運動，外層軌道比內層軌道可以容納更多的電子；較外層軌道的電子數決定了元素的化學性質。如果外層軌道的電子落入內層軌道，將釋放出一個帶固定能量的光子。
玻爾的原子理論給出這樣的原子圖像：電子在一些特定的可能軌道上繞核作圓周運動，離核愈遠能量愈高；可能的軌道由電子的角動量必須是 h/2π的整數倍決定；當電子在這些可能的軌道上運動時原子不發射也不吸收能量，只有當電子從一個軌道躍遷到另一個軌道時原子才發射或吸收能量，而且發射或吸收的輻射是單頻的，輻射的頻率和能量之間關係由 E＝hν給出。玻爾的理論成功地說明了原子的穩定性和氫原子光譜線規律。
玻爾的理論大大擴展了量子論的影響，加速了量子論的發展。
1922年，玻爾獲得了諾貝爾物理學獎。
但值得一提的是：1947年，丹麥政府為了表彰玻爾的功績，封他為“騎象勳爵”；按照慣例，爵士徽章上應鐫刻授獎人的族徽，於是玻爾親自設計了自己的族徽，並且採用了太極圖的元素，還在族徽上方刻下一句拉丁文箴言：Contraria Sunt Complementa（對立即互補），由此可見，玻爾對太極圖的認同和重視程度，可見一斑。
那麼，玻爾為什麼會想到用中國的太極圖元素來設計他的“騎象勳爵”呢？原來，1937年，玻爾收到中國理論物理學家周培源的邀請來到中國訪問和講學，據說當時的玻爾想看京劇，周培源就陪玻爾看了《封神演義》；當玻爾看到姜子牙出示號令，指揮天下英豪及各路神仙時，打出一面帶有太極圖的令旗，頓時指著上面的太極圖大加讚歎，自稱他的基本粒子原理、波粒二象性等原理均可用太極圖作為基本模式來闡釋。
太極圖被稱為“中華第一圖”，其形狀如陰陽兩魚互糾在一起，兩條陰陽魚又各有一個對方的小點，形象表達了對立又互補的陰陽理論，可以說和玻爾的互補理論非常相似了。
提起陰陽理論、太極圖，國人們普遍覺得它是一種玄幻、飄渺的東西，沒啥實際用處，甚至會把它和封建迷信劃等號，大家更願意相信科學。
然而當人們不斷鑽研、探索，想要跳出封建迷信的禁錮，卻發現當科學發展到了至高至深的地方，居然又回到了陰陽理論，這個祖先們早在幾千年前就已經悟出了的真理。
1922年，玻爾獲得了諾貝爾物理學獎。
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1916年，德國物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld）提出了“索末菲橢圓軌道原子模型”。
1906年起，索末菲任慕尼黑大學理論物理學教授，他在慕尼黑大學工作期間做了最重要的研究工作，提出用橢圓軌道代替玻爾原子的圓軌道，引入軌道的空間量子化等概念，成功地解釋了氫原子光譜和重元素 X 射線譜的精細結構以及正常塞曼效應等。
索末菲認為，玻爾的原子理論僅考慮氫原子中電子繞核作圓軌道運動，沒有考慮電子繞核做橢圓軌道運動的情況；他認為，平面橢圓軌道應有兩個自由度，需要兩個量子化條件，空間橢圓軌道則需要3個量子化條件；索末菲推廣了玻爾的量子化條件，得出氫原子系統的能量是量子化的，仍由主量子數n確定，與玻爾理論結果相同，而氫原子的角動量由角量子數確定，相同主量子數不同橢圓軌道上的角動量不同，且是量子化的，橢圓形狀也是量子化的；在三維情形下，橢圓軌道以及角動量的空間取向也是量子化的。索末菲還進而考慮電子在橢圓軌道上運動速度變化引起的相對效應，得出氫原子能級的精細結構，與實驗結果相符。
人們往往把索末菲的這種原子模型叫做”玻爾-索末菲原子模型“（又稱”索末菲橢圓軌道模型“）。
但索末菲理論屬於前期量子論，其中仍保留了電子運動軌道的概念，不同於後來發展起來的量子力學概念，而且某些結果的細節也與實際不符，這為以後薛定諤的”電子雲模型“埋下了伏筆。
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1924年，美籍奧地利物理學家泡利提出了電子“不相容原子模型”。
1924年，沃爾夫岡·泡利首先引入他稱為是「雙值量子自由度」，與最外殼層的電子有關。這使他可以形式化地表述泡利不相容原理，即沒有兩個電子可以在同一時間共享相同的量子態——這其實蘊藏了電子自旋的二重態形式。
泡利的「自由度」的物理解釋最初是未知的。拉爾夫·克羅尼格是泡利的一位實驗助手，於1925年初提出它是由電子的自轉產生的。當泡利聽到這個想法時，他予以嚴厲的批駁，他指出為了產生足夠的角動量，電子的假想表面必須以超過光速運動，這將違反相對論；很大程度上由於泡利的批評，克羅尼格決定不發表他的想法，由此痛失電子自旋首發權，著實遺憾！
1945年， 泡利獲得了諾貝爾物理學獎。
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1925年，荷蘭物理學家烏倫貝克與古茲密特提出電子自旋後，由此派生了“太陽系自旋原子模型”。
1925年，烏倫貝克與古茲密特受到泡利不相容原理的啟發，分析原子光譜的一些實驗結果，提出電子具有內稟運動--自旋，並且有與電子自旋相聯繫的自旋磁矩。將這種認識運用到原子模型中，於是就有了“太陽系原子模型”的新形式，即“太陽系自旋原子模型”，這一模型使泡利的“不相容原子模型”更具體化，也更接近太陽系行星運動的實際情況。
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1926年，奧地利學者薛定諤提出了原子的“電子雲模型”。
薛定諤在德布羅意關係式的基礎上，對電子的運動做了適當的數學處理，提出了二階偏微分的的著名的薛定諤方程式。這個方程式的解的模的平方，如果用三維座標以圖形表示的話，就是電子雲，於是有了原子的“電子雲模型”。
1933年，薛定諤獲得了諾貝爾物理學獎。
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1932年，英國實驗物理學家B.查德威克給出的“質-中-電原子模型”。
1932年，查德威克用a粒子轟擊的實驗中證實了原子核中中子的存在，於是有了“質子-中子-電子”的原子模型，這個模型極大地完善了原子有核模型的物理內涵。
1935年，B.查德威獲得了諾貝爾物理學獎。
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至此，現代物理學的原子模型就定格在這裡了：原子由電子、中子、質子組成，其中質子、中子構成原子核，電子繞原子核運動，且電子有自旋和自旋磁矩性，並在核外按能級分佈，在不同的能級軌道上它們運動的空間位置呈幾率態分佈......
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總結與展望
“原子模型”的春秋戰國煙雲過去了近一百年，但這場物理“硝煙”留給後人的思考與啟迪卻是久遠和深邃的！
我們知道，微觀世界是一個“看不見、摸不著”的世界，人們認識它只有靠“猜測”，至於這種“猜測”是否合理，只能依靠實驗去檢驗和驗證它了；對此，前中國科學技術大學校長朱時清院士說過：物理學已步入“禪境”，我想他所說的這個“禪境”應該是指理論物理研究中那份“猜”的情懷吧！
說實在的，在“原子模型”的探索歷程中，行星結構模型出現的最多，也是比較靠譜的；至於量子力學最終定格的薛定諤“電子雲模型”，我認為它是存在一定“瑕疵”的，比如電子自旋及其自旋磁矩在薛定諤“電子雲模型”中就無法體現出來，原子核的自旋磁矩效應也不復存在，而且電子雲（電子的運動幾率）出現的物理機制還無法理清......
電子1/2自旋到底是物理真實還是量子力學規則下的“失真”描述？單縫衍射與雙縫干涉中的“幾率波”性分佈是如何演化而來的？自然界中到底存在不存在最小粒子結構？等等，微觀世界的一系列“困惑”在等待著我們去“猜測”和驗證。
縱觀目前的物理理論，無論是微觀世界的還是宏觀世界的物理理論，它們都包含了很多“猜”的成分，而且這些理論都不能“認真”地去碰它們，否則它們就會“崩塌”而碎——這就是今天我們物理理論所面臨的真實困境，這種困境也將預示著下一個新的物理理論大整合時代的到來，我想，這種到來場面也不會遜色於20世紀初那場轟轟烈烈創建“原子模型”的“春秋戰國”盛況吧！
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主要參考文獻：
1、中國科學院高能物理研究所：行星結構原子模型http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/gnwl/gnwl_yzmx/201012/t20101230_3052348.html
2、原子結構_百度百科 https://baike.baidu.com/item/%E5%8E%9F%E5%AD%90%E7%BB%93%E6%9E%84/482307?fr=aladdin
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