我們是如何知道原子的存在的

克里斯·巴拉尼克+張桐

原子很小，真的非常小。你可能聽(tīng)說(shuō)過(guò)，大千世界都是由微小的原子構(gòu)成的。你或許也知道，我們無(wú)法用肉眼看到它們。但原子確實(shí)存在，并與每樣事物發(fā)生相互作用，構(gòu)筑了我們的世界。

然而，對(duì)大多數(shù)人而言，知道這些遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠?？茖W(xué)的榮耀之處在于，它總是通過(guò)實(shí)際觀測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)宇宙的奧秘。那么，我們?nèi)绾蔚贸鲈哟_實(shí)存在的結(jié)論呢？對(duì)這些微小的結(jié)構(gòu)，我們究竟了解多少呢？

要證明原子的存在似乎非常簡(jiǎn)單：只需要在顯微鏡下觀測(cè)就可以了。事實(shí)上，這個(gè)方法并不奏效，因?yàn)榧词褂米顝?qiáng)大的光聚焦顯微鏡，我們也無(wú)法看到單個(gè)原子。物體之所以可見(jiàn)，是因?yàn)樗軌蚍瓷淇梢?jiàn)光波。但原子遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見(jiàn)光的波長(zhǎng)，因此無(wú)法反射可見(jiàn)光。換句話說(shuō)，原子對(duì)光而言是不可見(jiàn)的。但是，原子能對(duì)另外一些事物產(chǎn)生可觀測(cè)的影響。

1785年，荷蘭科學(xué)家揚(yáng)·英格豪斯正在研究一個(gè)他無(wú)法理解的奇怪現(xiàn)象。在他的實(shí)驗(yàn)室里，煤粉中的一種微小粒子在酒精表面亂飛。

大約50年后的1827年，蘇格蘭植物學(xué)家羅伯特· 布朗也描述過(guò)與之相似的情況。在他將顯微鏡對(duì)準(zhǔn)花粉粒時(shí)，發(fā)現(xiàn)

一些花粉粒釋放出微小粒子，這些粒子隨機(jī)地四散開(kāi)去。

起初，布朗懷疑這些粒子是某種未知的微生物。于是，他用其他物質(zhì)（如巖石塵埃這樣的無(wú)機(jī)物）替代花粉粒重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而，他看到了相同的奇怪運(yùn)動(dòng)。

科學(xué)地解釋這一現(xiàn)象用了將近一個(gè)世紀(jì)。愛(ài)因斯坦發(fā)展出一套數(shù)學(xué)公式，能夠預(yù)測(cè)這一特定類型的運(yùn)動(dòng)。后來(lái)，這種不規(guī)則的運(yùn)動(dòng)被命名為布朗運(yùn)動(dòng)。

愛(ài)因斯坦的理論認(rèn)為，這些來(lái)自花粉粒的粒子之所以動(dòng)個(gè)不停，是因?yàn)樗鼈冊(cè)诓煌５嘏c成千上萬(wàn)個(gè)微小的水分子相

互碰撞，這些分子是由原子構(gòu)成的。

雖然從詞源來(lái)看，“原子”意味著不可分割，但事實(shí)是原子仍可進(jìn)一步分解

倫敦科學(xué)博物館館長(zhǎng)、劍橋大學(xué)的哈利· 克利夫這樣解釋：“愛(ài)因斯坦對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的解釋是，粒子實(shí)際上是因水分子的碰撞而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的?！?/p>

1908年，經(jīng)過(guò)計(jì)算驗(yàn)證的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了原子的真實(shí)存在。10年之內(nèi)，物理學(xué)家進(jìn)行了更進(jìn)一步的研究。通過(guò)分離

單個(gè)原子，他們?cè)絹?lái)越了解原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

令人驚奇的是，原子還可以進(jìn)一步分解?！霸印币辉~來(lái)自希臘語(yǔ)“atomos”，意為“不可分割”。物理學(xué)家已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，原子并不是一個(gè)個(gè)固體小球，將它們想象成微小的帶電“行星”系統(tǒng)或許更為恰當(dāng)。原子主要由三個(gè)部分組成：質(zhì)子、中子和電子。想象一下，質(zhì)子和中子一起形成“太陽(yáng)”，即原子核；原子核位于原子中心，它的周圍環(huán)繞著行星一樣的電子。

如果原子已經(jīng)小到不可思議，那么這些亞原子粒子更是小之又小了。有趣的是，在原子的三個(gè)組成部分中，最先被發(fā)現(xiàn)的恰恰是最小的電子。

想象一下它們之間的差異：原子核中的質(zhì)子，其體積大概是電子體積的1830倍。電子繞著原子核運(yùn)動(dòng)，就如同一個(gè)小鵝卵石繞著一個(gè)熱氣球運(yùn)動(dòng)。

第一臺(tái)粒子加速器

然而，我們?nèi)绾巫C明上述粒子的存在呢？雖然它們極其微小，卻可以產(chǎn)生巨大的碰撞。1897年，發(fā)現(xiàn)電子的英國(guó)物理學(xué)家約瑟芬·約翰·湯姆遜用一套令人拍案叫絕的方法證明了電子的存在。

他用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的特殊裝置被稱為布魯斯放電管。這是一根形狀奇怪的玻璃管，其中的空氣被抽空。接著，一個(gè)帶負(fù)電荷的電子被放入玻璃管的一端（這個(gè)電荷足以清除管內(nèi)剩余氣體分子的電子）。電子帶負(fù)電荷，因此它們從玻璃管的一端運(yùn)動(dòng)到另一端。由于玻璃管內(nèi)基本上處于真空狀態(tài)，這些電子可在不受原子阻擋的情況下通過(guò)玻璃管。

電荷使得電子以59500千米/ 秒的速度撞到玻璃管的另一端，撞入由更多電子聚合而成的原子中。神奇的是，這些微小粒子在這個(gè)過(guò)程中產(chǎn)生了令人難以置信的巨大能量，并發(fā)出奇妙的紅綠色光芒。

“從某種意義上說(shuō)，這是世界上首個(gè)粒子加速器，”克利夫說(shuō)，“這個(gè)裝置從玻璃管的一端到另一端加速電子，當(dāng)電子撞到玻璃管盡頭時(shí)，就發(fā)出了這種光?！?/p>

湯姆遜發(fā)現(xiàn)電磁場(chǎng)可以改變電子束的方向，因此他確定這不僅僅是奇異的光線，也是帶電粒子。

或許你會(huì)好奇，這些電子究竟是如何在原子中繞著原子核獨(dú)立做環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的。其實(shí)這便是電離作用。電離是指電荷

通過(guò)將電子推到周圍空間而改變?cè)咏Y(jié)構(gòu)的過(guò)程，即原子受到高能粒子的撞擊等作用而改變電荷的攜帶情況，變成帶正

電荷或負(fù)電荷的離子。

事實(shí)上，因?yàn)殡娮訕O易控制，所以它們可以在電路中運(yùn)動(dòng)。電子在銅線中的運(yùn)動(dòng)方式類似于火車的運(yùn)動(dòng)方式，即從

一個(gè)銅原子移動(dòng)到另一個(gè)銅原子，從而將電荷從銅線的一端傳送到另一端。需要再次指出的是，原子并不是某種固體小

物件，而是一種有可能發(fā)生變化，從而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)性改變的系統(tǒng)。

原子中存在一個(gè)致密的核

電子的發(fā)現(xiàn)意味著原子還有更多值得我們探索的地方。湯姆遜的研究表明，電子是帶負(fù)電荷的，但他也清楚地知道，原子本身并不帶電。因此，原子中必然包含某種神秘的、帶正電荷的粒子，抵消了電子攜帶的負(fù)電荷。

20世紀(jì)初，大量實(shí)驗(yàn)確認(rèn)了這種正電荷粒子的存在。與此同時(shí)，科學(xué)家揭示出了原子類似太陽(yáng)系模型的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

歐內(nèi)斯特·盧瑟福和他的同事將薄金屬箔置于帶正電荷的射線束下，也即一串粒子之下。恰如盧瑟福的預(yù)測(cè)，大多數(shù)射線都能正常穿過(guò)金屬箔。但是令他驚奇的是，有一些射線被反彈回去了。

盧瑟福推測(cè)，金屬箔中的原子必定有一些小而致密的區(qū)域，這些區(qū)域帶正電荷，因?yàn)槌酥鉀](méi)有什么能夠以這樣的強(qiáng)度反射射線。他發(fā)現(xiàn)了原子中的正電荷，并且證明正電荷不同于離散的電子，它們緊密地?cái)D在一個(gè)很小的空間中。換言之，盧瑟福證明了原子中存在一個(gè)致密的核。

可是，又出現(xiàn)了新的問(wèn)題。到目前為止，我們已經(jīng)可以估計(jì)出原子核的質(zhì)量，卻沒(méi)有任何證據(jù)表明其中的物質(zhì)全都帶正電荷。

“碳原子有6個(gè)電子，因此原子核中就有6個(gè)質(zhì)子， 這樣就恰好有6個(gè)正電荷和6個(gè)負(fù)電荷?！笨死蚪忉屨f(shuō)，“但是碳原子核的質(zhì)量不止有6個(gè)質(zhì)子的重量，而是有12個(gè)質(zhì)子那么重。”

人們認(rèn)為另外6個(gè)粒子的質(zhì)量與質(zhì)子相同，只是不帶電荷，它們就是中子。但是，沒(méi)有人能對(duì)此進(jìn)行證明。事實(shí)上，中子直到20世紀(jì)30年代才被發(fā)現(xiàn)。

劍橋大學(xué)的物理學(xué)家詹姆斯· 查德威克一直在為發(fā)現(xiàn)中子而不懈努力著。1932年，他終于取得了突破性的進(jìn)展。

在此之前，物理學(xué)家曾用射線進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們用類似于盧瑟福發(fā)現(xiàn)原子核的方法，嘗試向鈹原子發(fā)射帶正電荷的射

線。實(shí)驗(yàn)中，鈹原子自身放射出一種射線，這種射線能夠穿透物質(zhì)，既不帶正電荷也不帶負(fù)電荷。

這一時(shí)期，物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)伽馬射線呈電中性，并有極強(qiáng)的穿透力，所以他們認(rèn)為鈹原子發(fā)射的就是伽馬射線，

但查德威克對(duì)此表示懷疑。

他在實(shí)驗(yàn)中發(fā)射鈹原子放射的那種射線，并將其對(duì)準(zhǔn)富含質(zhì)子的物質(zhì)。出乎意料的是，質(zhì)子仿佛受到同等質(zhì)量的粒子撞擊一樣，被撞得飛離了原物質(zhì)，就像英式臺(tái)球在臺(tái)球桌上相互撞擊的情景。

伽馬射線是不會(huì)令質(zhì)子發(fā)生偏移的。因此，查德威克意識(shí)到，實(shí)驗(yàn)中的粒子就是中子，它具有與質(zhì)子相同的質(zhì)量，但并不攜帶電荷。

至此，有關(guān)原子的所有關(guān)鍵性問(wèn)題都已解決。不過(guò)，故事并未就此結(jié)束。

最強(qiáng)大的電子顯微鏡能創(chuàng)建單個(gè)原子的圖像

盡管與此前相比，我們對(duì)原子的了解已經(jīng)大有進(jìn)步，但要對(duì)原子進(jìn)行直接觀測(cè)仍非易事。20世紀(jì)30年代，人們?nèi)耘f

無(wú)法給出原子的直觀形象。假如無(wú)法親眼看一看它們究竟是什么樣子，很多人都無(wú)法接受它們確實(shí)存在的事實(shí)。

不過(guò)，諸如湯姆遜、盧瑟福以及查德威克這樣的科學(xué)家對(duì)原子理論的探索已經(jīng)為我們最終描繪出原子的具體形象鋪

平了道路，尤其是湯姆遜在克魯斯電極管實(shí)驗(yàn)中制造的電子束。

如今，電子顯微鏡可以發(fā)射同樣的電子束，而最強(qiáng)大的顯微鏡甚至能創(chuàng)建單個(gè)原子的圖像。這種電子束的波長(zhǎng)僅為

光波長(zhǎng)的數(shù)千分之一，所以電子波能夠受微小的原子的影響而改變運(yùn)動(dòng)軌跡，從而生成圖像。這是光波做不到的。

倫敦大學(xué)學(xué)院的尼爾·斯基帕指出，這種圖像對(duì)研究特殊物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)的人而言非常有用，比如制造電車電池的

人。我們對(duì)特殊物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)了解得越深入，就越能將其設(shè)計(jì)得高效、可靠。

你甚至可以通過(guò)撥動(dòng)原子對(duì)它們進(jìn)行細(xì)致的研究，這就需要應(yīng)用原子力顯微技術(shù)。

應(yīng)用原子力顯微鏡進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，就是將一個(gè)非常小的探頭的一端靠近分子表面或是某種材料表面。它們間的距離如此

之近，探頭對(duì)它指向的化學(xué)結(jié)構(gòu)將非常敏感，當(dāng)它轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，電阻會(huì)有所改變。這樣一來(lái)，科學(xué)家就能夠獲取單個(gè)分

子的圖像。

近期，研究人員公布了應(yīng)用這一方法獲得的化學(xué)反應(yīng)前后的分子圖像。

斯基帕補(bǔ)充說(shuō)，近期的許多原子研究，都是探索在極度高溫或高壓的情況下，物質(zhì)的結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生怎樣的變化。大多

數(shù)人都知道，當(dāng)物質(zhì)被加熱時(shí)，通常會(huì)膨脹。這些研究就是要揭示在加熱情況下原子有怎樣的變化，使得物質(zhì)發(fā)生膨脹。

他說(shuō)：“如果加熱液體，你將看到原子呈現(xiàn)出混亂無(wú)序的狀態(tài)。這一切都可以從原子結(jié)構(gòu)圖中得到直接體現(xiàn)?！?/p>

同時(shí)，斯基帕以及其他物理學(xué)家還用查德威克在20世紀(jì)30年代使用過(guò)的中子束發(fā)射技術(shù)，對(duì)原子進(jìn)行研究。

斯基帕解釋說(shuō)：“我們所做的就是向許多物質(zhì)發(fā)射中子束。根據(jù)散射圖像，我們可以推斷原子核中散射出許多中子。這樣，我們就能計(jì)算出發(fā)生散射的物質(zhì)的質(zhì)量和大致體積。”

但是，原子并不是始終紋絲不動(dòng)地待在那兒等著我們對(duì)它進(jìn)行檢測(cè)。有時(shí)原子會(huì)發(fā)生衰變，這就意味著它們具有放

射性。

自然界中的許多元素都具有放射性。衰變過(guò)程會(huì)產(chǎn)生能量，這就是核能的基礎(chǔ)，也是核彈的基礎(chǔ)。核物理學(xué)家研究的主要內(nèi)容，就是深入了解核反應(yīng)過(guò)程中發(fā)生的變化。

伽馬射線就是一種原子衰變輻射。不同的放射性原子會(huì)產(chǎn)生不同的伽馬射線形態(tài)，這就意味著我們能夠通過(guò)探測(cè)原

子衰變過(guò)程中伴隨的伽馬射線的能量來(lái)辨別原子。這就是利物浦大學(xué)的哈克尼斯· 布倫南進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)。

布倫南進(jìn)一步解釋說(shuō)：“這一實(shí)驗(yàn)所需的探測(cè)器，必須既能探測(cè)到射線的存在，又能探測(cè)出射線的能量。因?yàn)槊糠N元素的原子核都有其獨(dú)特的指紋圖譜?！?/p>

射線探測(cè)區(qū)也可能存在其他類別的原子，尤其是在一些大型核反應(yīng)中。因此，準(zhǔn)確了解存在哪些放射性同位素就顯得格外重要。也正因?yàn)檫@樣，這類實(shí)驗(yàn)通常都在核電站或是發(fā)生過(guò)核事故的地區(qū)進(jìn)行。

現(xiàn)在，哈克尼斯·布倫南及其同事的重點(diǎn)就放在研發(fā)對(duì)存在輻射的區(qū)域進(jìn)行探測(cè)的系統(tǒng)裝置上。她說(shuō)：“我們所要研制的科技設(shè)備和工具，需要能夠?qū)Υ嬖谳椛涞奶囟▍^(qū)域進(jìn)行三維成像。”

原子如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學(xué)知識(shí)

云室是一種核輻射探測(cè)裝置，放射源周圍彌漫著冷卻到-40℃、達(dá)到過(guò)飽和狀態(tài)的酒精蒸汽云。輻射源放射出的帶電粒子從酒精分子中轉(zhuǎn)移電子，在經(jīng)過(guò)的路徑上產(chǎn)生離子。與此同時(shí)，酒精沿著帶電粒子經(jīng)過(guò)的路徑濃縮為小液滴。這一實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)出的結(jié)果令人驚嘆不已。

我們還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有搞清楚原子究竟是什么，只是揭示出它們有著驚人的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，在自然界中能夠發(fā)生許多奇異的變

化。研究原子的過(guò)程使我們的科技水平以及利用核能的能力有了大幅進(jìn)步，讓我們更好地了解了我們生活的世界。與此

同時(shí)，也能更好地預(yù)防輻射對(duì)我們的傷害。

正如哈克尼斯·布倫南所說(shuō)，“原子雖然如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學(xué)知識(shí)”。

我們周圍的所有事物，都是由微小的原子構(gòu)成的。深入地了解原子，我們才能更好地了解世界。