人類是如何一步步了解原子的？

□ 劉珍筷

自從原子被發(fā)現(xiàn)以來(lái)，幾個(gè)世紀(jì)里，科學(xué)家和哲學(xué)家都對(duì)它進(jìn)行了深入的研究。隨著科技的進(jìn)步，人類的觀測(cè)能力變得越來(lái)越強(qiáng)，越來(lái)越微小的東西被看到，人們開(kāi)始意識(shí)到還有很多東西要學(xué)習(xí)。

原子與虛空組成的世界

你知道“原子”一詞最早是什么時(shí)候出現(xiàn)的嗎？它是由希臘哲學(xué)家德謨克利特提出的，《斯坦福哲學(xué)百科全書(shū)》稱他為“原子論者”。在原子論者看來(lái)，組成自然世界的是兩種根本不同的現(xiàn)實(shí)——原子與虛空。

“原子”一詞源自希臘形容詞atomos（或atomon），它的意思是“不可分割、數(shù)量無(wú)限、大小各異、形狀完美堅(jiān)固且無(wú)內(nèi)部間隙；除了自身所處位置的變化，它們本身是不變的，不可再生也不可摧毀”。

兩千年后，英國(guó)化學(xué)家、氣象學(xué)家和物理學(xué)家約翰·道爾頓（1766—1844年）提出了他的理論——也就是我們現(xiàn)在所說(shuō)的“道爾頓原子論”，該理論與后來(lái)的科學(xué)發(fā)現(xiàn)（例如愛(ài)因斯坦的相對(duì)論和普朗克的量子理論等）有一定的聯(lián)系。

道爾頓生于英格蘭西北的一個(gè)貴格會(huì)職工家庭，他以一篇關(guān)于色盲的論文開(kāi)始了他的學(xué)術(shù)生涯（他是世界上第一個(gè)提出色盲問(wèn)題的人）。他本人是色盲，“色盲”現(xiàn)在也被稱為“道爾頓癥”。

道爾頓一生都對(duì)氣象學(xué)感興趣，癡迷于研究各種氣體，這直接導(dǎo)致了他開(kāi)始對(duì)原子論進(jìn)行研究。他對(duì)氮、氫和氧等元素進(jìn)行了測(cè)量并發(fā)現(xiàn)，不同元素的大小和質(zhì)量各不相同。該發(fā)現(xiàn)糾正了原子論“原子都是一樣的”這個(gè)觀點(diǎn)，他的研究對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)和哲學(xué)產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。1807年，在一次學(xué)術(shù)交流會(huì)中，他告訴同行，自己的研究成果將“給化學(xué)領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性的改變，會(huì)將化學(xué)變成一門(mén)極為簡(jiǎn)單的科學(xué)”。

初步建立原子模型

英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜使我們對(duì)原子的結(jié)構(gòu)有了新的了解。1906年，他獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。在他的學(xué)生中，有9 位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。最著名的學(xué)生之一——物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·盧瑟福，首先提出放射性半衰期的概念，證實(shí)放射性涉及從一個(gè)元素到另一個(gè)元素的嬗變。因?yàn)椤皩?duì)元素蛻變以及放射化學(xué)的研究”，他榮獲1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

在湯姆遜時(shí)代，科學(xué)家們?nèi)匀幌嘈?，原子作為物質(zhì)最基本的構(gòu)成要素，是宇宙中最小的粒子。但是，對(duì)原子認(rèn)知的突破已經(jīng)開(kāi)始了——19 世紀(jì)30年代，邁克爾·法拉第發(fā)現(xiàn)，原子與正電荷、負(fù)電荷有關(guān)，并提出新的概念，例如“離子”和“電極”等。1891年，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家喬治·約翰·斯通尼創(chuàng)造了“電子”一詞，用來(lái)表示電荷的基本單位，認(rèn)為這是一個(gè)電離原子擁有的最小的電荷單位。

在這一系列認(rèn)知突破的基礎(chǔ)上，湯姆遜意識(shí)到原子并不是不可分割的。在1897年的一次實(shí)驗(yàn)中，湯姆遜讓陰極射線在電荷和磁荷的影響下通過(guò)一根管子，并測(cè)量了負(fù)電荷、正電荷和它們的質(zhì)量等。他認(rèn)為自己發(fā)現(xiàn)了原子的一個(gè)組成部分：帶負(fù)電荷的電子，這是一種不同于以往任何已知粒子的粒子。

1904年，湯姆遜提出了一個(gè)新的原子結(jié)構(gòu)模型——梅子布丁模型（又稱葡萄干布丁模型），梅子布丁模型表明，原子是由電子懸浮于均勻分布的帶正電物質(zhì)里組成的，就如同梅子散布于布丁里一般。

探索原子內(nèi)部

但幾年之后的1911年，湯姆遜的模型就被他的學(xué)生歐內(nèi)斯特·盧瑟福推翻了，盧瑟福提出了新的原子結(jié)構(gòu)模型，這使得我們對(duì)原子的理解向前邁出了一大步。

在英國(guó)，盧瑟福與包括漢斯·蓋格（以蓋格計(jì)數(shù)器聞名）和尼爾斯·玻爾在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)成員一起工作，他們?cè)谟?guó)曼徹斯特大學(xué)的實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

有人說(shuō)盧瑟福是他那個(gè)時(shí)代甚至其他時(shí)代最偉大的科學(xué)家之一，他的聲音永遠(yuǎn)是最大的，精力相當(dāng)充沛，卻一直穿得像個(gè)新西蘭農(nóng)民。后來(lái)，他把原子描述為一個(gè)微小、稠密、帶正電荷的核，稱為原子核，且此核包含了幾乎所有的質(zhì)量。這個(gè)核子周圍環(huán)繞著帶負(fù)電荷的電子，其運(yùn)行軌跡非常像行星圍繞著太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)，所以把它稱為“行星模型”。為了獲得這個(gè)模型，盧瑟福設(shè)立了“金箔實(shí)驗(yàn)”。在蓋格的協(xié)助下，他從放射源發(fā)射一束粒子，對(duì)準(zhǔn)薄薄的金箔，然后投射到周圍的硫化鋅屏幕上。當(dāng)屏幕被散射的粒子擊中時(shí)，會(huì)顯示出一束微弱的閃光。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的觀察和計(jì)數(shù)，蓋格建造了一個(gè)能探測(cè)輻射并計(jì)數(shù)每一次粒子撞擊的裝置——以他的名字命名的計(jì)數(shù)器。

其他科學(xué)家將盧瑟福的發(fā)現(xiàn)加以改進(jìn)并完善，其中最著名的是丹麥物理學(xué)家、1922年諾貝爾獎(jiǎng)獲得者玻爾。他1911年在湯姆遜門(mén)下學(xué)習(xí)，并于1912年加入了在曼徹斯特的盧瑟福團(tuán)隊(duì)。

玻爾認(rèn)為盧瑟福的原子模型存在一個(gè)問(wèn)題：在現(xiàn)有的電磁學(xué)理論下，電子會(huì)失去能量，并螺旋形旋轉(zhuǎn)進(jìn)入中心原子核，致使原子極不穩(wěn)定。他在1915年解決了這個(gè)問(wèn)題，通過(guò)采用普朗克的量子理論，并提出了類似于盧瑟福的行星模型。在他的這個(gè)模型中，電子根據(jù)它們的能量構(gòu)成，在原子核周圍獲得穩(wěn)定的離散軌道。

原子面紗被技術(shù)掀開(kāi)

漸漸地，技術(shù)開(kāi)始趕上求知欲。1970年8 月，美國(guó)芝加哥大學(xué)物理學(xué)家阿爾伯特·克魯曾通過(guò)電子顯微鏡產(chǎn)生第一張“分子結(jié)構(gòu)內(nèi)單個(gè)原子”的照片。他讓一束電子穿過(guò)一個(gè)標(biāo)本（這里是鈾和氫），“電子的形態(tài)在示波器上顯示出來(lái)”，通過(guò)對(duì)這些電子進(jìn)行檢測(cè)，從而獲得標(biāo)本的結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家繼續(xù)深入研究原子并發(fā)現(xiàn)它的結(jié)構(gòu)。2009年，烏克蘭哈爾科夫物理技術(shù)研究所的研究人員將一個(gè)只有幾十個(gè)原子長(zhǎng)的剛性碳原子鏈置于真空室中，使用場(chǎng)發(fā)射電子顯微鏡，拍攝到了圍繞原子核的電子云的圖像，這是科學(xué)家們第一次能夠直接看到原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也證實(shí)了量子力學(xué)的預(yù)測(cè)：電子不是單點(diǎn)存在的，而是以一種被稱為軌道的云的形式圍繞著原子核擴(kuò)散。

從電子和軌道的角度來(lái)看，英國(guó)牛津大學(xué)物理學(xué)家戴維·納德林格是第一個(gè)拍攝出單個(gè)原子照片的人。他建立了一個(gè)“離子陷阱”，并通過(guò)普通的數(shù)碼相機(jī)拍攝了一個(gè)被電場(chǎng)懸浮著的像帶正電的鍶原子。

2018年2 月，《發(fā)現(xiàn)》雜志報(bào)道寫(xiě)到，納德林格“將原子置于兩種金屬電極產(chǎn)生電場(chǎng)中，使其幾乎一動(dòng)不動(dòng)，然后用藍(lán)紫色激光轟擊該原子。原子吸收該激光，并重新發(fā)出足夠的光粒子，于是他用普通設(shè)備將這個(gè)畫(huà)面拍下。因此，從技術(shù)上講，我們看到的是原子發(fā)出的光，而不是原子本身?！?/p>

目前，科學(xué)家們?nèi)匀恢铝τ诶昧孔语@微鏡等工具深入研究原子。他們才剛剛理解了電子軌道的復(fù)雜性，原子還有許多秘密有待揭示……