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我们是如何知道原子的存在的 原子很小，真的特别小。你可能听说过，大千世界都是由微小的原子构成的。你或许也知道，我们无法用肉眼看到它们。但原子的确存在，并与每样事物发生相互作用，构筑了我们的世界。 然而，对大多数人而言，知道这些远远不够。科学的荣耀之处在于，它总是通过实际观测来发觉宇宙的奇妙。那么，我们如何得出原子的确存在的结论呢？对这些微小的结构，我们原委了解多少呢？ 要证明原子的存在好像特别简洁：只须要在显微镜下观测就可以了。事实上，这个方法并不奏效，因为即运用最强大的光聚焦显微镜，我们也无法看到单个原子。物体之所以可见，是因为它能够反射可见光波。但原子远远小于可见光的波长，因此无法反射可见光。换句话说，原子对光而言是不行见的。但是，原子能对另外一些事物产生可观测的影响。 1785年，荷兰科学家扬·英格豪斯正在探讨一个他无法理解的惊奇现象。在他的试验室里，煤粉中的一种微小粒子在酒精表面乱飞。 大约50年后的1827年，苏格兰植物学家罗伯特· 布朗也描述过与之相像的状况。在他将显微镜对准花粉粒时，发觉 一些花粉粒释放出微小粒子，这些粒子随机地四散开去。 起初，布朗怀疑这些粒子是某种未知的微生物。于是，他用其他物质替代花粉粒重新进行试验。然而，他看到了相同的惊奇运动。 科学地说明这一现象用了将近一个世纪。爱因斯坦发展出一套数学公式，能够预料这一特定类型的运动。后来，这种不规则的运动被命名为布朗运动。 爱因斯坦的理论认为，这些来自花粉粒的粒子之所以动个不停，是因为它们在不停地与成千上万个微小的水分子相 互碰撞，这些分子是由原子构成的。 虽然从词源来看，“原子”意味着不行分割，但事实是原子仍可进一步分解 伦敦科学博物馆馆长、剑桥高校的哈利· 克利夫这样说明：“爱因斯坦对布朗运动的说明是，粒子事实上是因水分子的碰撞而产生运动的。” 1908年，经过计算验证的观测试验证明了原子的真实存在。10年之内，物理学家进行了更进一步的探讨。通过分别 单个原子，他们越来越了解原子的内部结构。 令人惊异的是，原子还可以进一步分解。“原子”一词来自希腊语“atomos”，意为“不行分割”。物理学家已经相识到，原子并不是一个个固体小球，将它们想象成微小的带电“行星”系统或许更为恰当。原子主要由三个部分组成：质子、中子和电子。想象一下，质子和中子一起形成“太阳”，即原子核；原子核位于原子中心，它的四周环围着行星一样的电子。 假如原子已经小到不行思议，那么这些亚原子粒子更是小之又小了。好玩的是，在原子的三个组成部分中，最先被发觉的恰恰是最小的电子。 想象一下它们之间的差异：原子核中的质子，其体积也许是电子体积的1830倍。电子围着原子核运动，就犹如一个小鹅卵石围着一个热气球运动。 第一台粒子加速器 然而，我们如何证明上述粒子的存在呢？虽然它们极其微小，却可以产生巨大的碰撞。18101年，发觉电子的英国物理学家约瑟芬·约翰·汤姆逊用一套令人拍案叫绝的方法证明白电子的存在。 他用来进行试验的特别装置被称为布鲁斯放电管。这是一根形态惊奇的玻璃管，其中的空气被抽空。接着，一个带负电荷的电子被放入玻璃管的一端。电子带负电荷，因此它们从玻璃管的一端运动到另一端。由于玻璃管内基本上处于真空状态，这些电子可在不受原子阻挡的状况下通过玻璃管。 电荷使得电子以59500千米/ 秒的速度撞到玻璃管的另一端，撞入由更多电子聚合而成的原子中。奇妙的是，这些微小粒子在这个过程中产生了令人难以置信的巨大能量，并发稀奇妙的红绿色光线。 “从某种意义上说，这是世界上首个粒子加速器，”克利夫说，“这个装置从玻璃管的一端到另一端加速电子，当电子撞到玻璃管终点时，就发出了这种光。” 汤姆逊发觉电磁场可以变更电子束的方向，因此他确定这不仅仅是奇异的光线，也是带电粒子。 或许你会新奇，这些电子原委是如何在原子中围着原子核独立做环绕运动的。其实这便是电离作用。电离是指电荷 通过将电子推到四周空间而变更原子结构的过程，即原子受到高能粒子的撞击等作用而变更电荷的携带状况，变成带正 电荷或负电荷的离子。 事实上，因为电子极易限制，所以它们可以在电路中运动。电子在铜线中的运动方式类似于火车的运动方式，即从 一个铜原子移动到另一个铜原子，从而将电荷从铜线的一端传送到另一端。须要再次指出的是，原子并不是某种固体小 物件，而是一种有可能发生改变，从而产生结构性变更的系统。 原子中存在一个致密的核 电子的发觉意味着原子还有更多值得我们探究的地方。汤姆逊的探讨表明，电子是带负电荷的，但他也清晰地知道，原子本身并不带电。因此，原子中必定包含某种神奇的、带正电荷的粒子，抵消了电子携带的负电荷。 20世纪初，大量试验确认了这种正电荷粒子的存在。与此同时，科学家揭示出了原子类似太阳系模型的内部结构。 欧内斯特·卢瑟福和他的同事将薄金属箔置于带正电荷的射线束下，也即一串粒子之下。恰如卢瑟福的预料，大多数射线都能正常穿过金属箔。但是令他惊异的是，有一些射线被反弹回去了。 卢瑟福推想，金属箔中的原子必定有一些小而致密的区域，这些区域带正电荷，因为除此之外没有什么能够以这样的强度反射射线。他发觉了原子中的正电荷，并且证明正电荷不同于离散的电子，它们紧密地挤在一个很小的空间中。换言之，卢瑟福证明白原子中存在一个致密的核。 可是，又出现了新的问题。到目前为止，我们已经可以估计出原子核的质量，却没有任何证据表明其中的物质全都带正电荷。 “碳原子有6个电子，因此原子核中就有6个质子， 这样就恰好有6个正电荷和6个负电荷。”克利夫说明说，“但是碳原子核的质量不止有6个质子的重量，而是有12个质子那么重。” 人们认为另外6个粒子的质量与质子相同，只是不带电荷，它们就是中子。但是，没有人能对此进行证明。事实上，中子直到20世纪30年头才被发觉。 剑桥高校的物理学家詹姆斯· 查德威克始终在为发觉中子而不懈努力着。1932年，他最终取得了突破性的进展。 在此之前，物理学家曾用射线进行试验。他们用类似于卢瑟福发觉原子核的方法，尝试向铍原子放射带正电荷的射 线。试验中，铍原子自身放射出一种射线，这种射线能够穿透物质，既不带正电荷也不带负电荷。 这一时期，物理学家已经发觉伽马射线呈电中性，并有极强的穿透力，所以他们认为铍原子放射的就是伽马射线， 但查德威克对此表示怀疑。 他在试验中放射铍原子放射的那种射线，并将其对准富含质子的物质。出乎意料的是，质子仿佛受到同等质量的粒子撞击一样，被撞得飞离了原物质，就像英式台球在台球桌上相互撞击的情景。 伽马射线是不会令质子发生偏移的。因此，查德威克意识到，试验中的粒子就是中子，它具有与质子相同的质量，但并不携带电荷。 至此，有关原子的全部关键性问题都已解决。不过，故事并未就此结束。 最强大的电子显微镜能创建单个原子的图像 尽管与此前相比，我们对原子的了解已经大有进步，但要对原子进行干脆观测仍非易事。20世纪30年头，人们照旧 无法给出原子的直观形象。假如无法亲眼看一看它们原委是什么样子，许多人都无法接受它们的确存在的事实。 不过，诸如汤姆逊、卢瑟福以及查德威克这样的科学家对原子理论的探究已经为我们最终描绘出原子的详细形象铺 平了道路，尤其是汤姆逊在克鲁斯电极管试验中制造的电子束。 如今，电子显微镜可以放射同样的电子束，而最强大的显微镜甚至能创建单个原子的图像。这种电子束的波长仅为 光波长的数千分之一，所以电子波能够受微小的原子的影响而变更运动轨迹，从而生成图像。这是光波做不到的。 伦敦高校学院的尼尔·斯基帕指出，这种图像对探讨特别物质的原子结构的人而言特别有用，比如制造电车电池的 人。我们对特别物质的原子结构了解得越深化，就越能将其设计得高效、牢靠。 你甚至可以通过拨动原子对它们进行细致的探讨，这就须要应用原子力显微技术。 应用原子力显微镜进行试验，就是将一个特别小的探头的一端靠近分子表面或是某种材料表面。它们间的距离如此 之近，探头对它指向的化学结构将特别敏感，当它转动的时候，电阻会有所变更。这样一来，科学家就能够获得单个分 子的图像。 近期，探讨人员公布了应用这一方法获得的化学反应前后的分子图像。 斯基帕补充说，近期的很多原子探讨，都是探究在极度高温或高压的状况下，物质的结构会发生怎样的改变。大多 数人都知道，当物质被加热时，通常会膨胀。这些探讨就是要揭示在加热忱况下原子有怎样的改变，使得物质发生膨胀。 他说：“假如加热液体，你将看到原子呈现出混乱无序的状态。这一切都可以从原子结构图中得到干脆体现。” 同时，斯基帕以及其他物理学家还用查德威克在20世纪30年头运用过的中子束放射技术，对原子进行探讨。 斯基帕说明说：“我们所做的就是向很多物质放射中子束。依据散射图像，我们可以推断原子核中散射出很多中子。这样，我们就能计算动身生散射的物质的质量和大致体积。” 但是，原子并不是始终文风不动地待在那儿等着我们对它进行检测。有时原子会发生衰变，这就意味着它们具有放 射性。 自然界中的很多元素都具有放射性。衰变过程会产生能量，这就是核能的基础，也是核弹的基础。核物理学家探讨的主要内容，就是深化了解核反应过程中发生的改变。 伽马射线就是一种原子衰变辐射。不同的放射性原子会产生不同的伽马射线形态，这就意味着我们能够通过探测原 子衰变过程中伴随的伽马射线的能量来辨别原子。这就是利物浦高校的哈克尼斯· 布伦南进行的试验。 布伦南进一步说明说：“这一试验所需的探测器，必需既能探测到射线的存在，又能探测出射线的能量。因为每种元素的原子核都有其独特的指纹图谱。” 射线探测区也可能存在其他类别的原子，尤其是在一些大型核反应中。因此，精确了解存在哪些放射性同位素就显得特别重要。也正因为这样，这类试验通常都在核电站或是发生过核事故的地区进行。 现在，哈克尼斯·布伦南及其同事的重点就放在研发对存在辐射的区域进行探测的系统装置上。她说：“我们所要研制的科技设备和工具，须要能够对存在辐射的特定区域进行三维成像。” 原子如此之小，但我们能从中了解到许多奇异的物理学学问 云室是一种核辐射探测装置，放射源四周充满着冷却到-40、达到过饱和状态的酒精蒸汽云。辐射源放射出的带电粒子从酒精分子中转移电子，在经过的路径上产生离子。与此同时，酒精沿着带电粒子经过的路径浓缩为小液滴。这一试验呈现出的结果令人惊羡不已。 我们还远远没有搞清晰原子原委是什么，只是揭示出它们有着惊人的困难结构，在自然界中能够发生很多奇异的变 化。探讨原子的过程使我们的科技水平以及利用核能的实力有了大幅进步，让我们更好地了解了我们生活的世界。与此 同时，也能更好地预防辐射对我们的损害。 正如哈克尼斯·布伦南所说，“原子虽然如此之小，但我们能从中了解到许多奇异的物理学学问”。 我们四周的全部事物，都是由微小的原子构成的。深化地了解原子，我们才能更好地了解世界。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页