紀(jì)舟

一位20世紀(jì)的物理學(xué)家在他的著作里寫(xiě)了這么一句話(huà)：“如果有一句話(huà)可以總結(jié)人類(lèi)知道的所有知識(shí)，那這句話(huà)一定是：‘萬(wàn)物都是由原子構(gòu)成的。”

你能想象只有千萬(wàn)分之一毫米大小的原子構(gòu)成了我們身邊的萬(wàn)物嗎？你能想象你身體里的一切都是無(wú)數(shù)原子的有序組合嗎？你的身體是原子，你吃的食物是原子，你代謝的廢物也是原子……

等等，我覺(jué)得有必要向你解釋一下千萬(wàn)分之一毫米的概念。一個(gè)原子和一個(gè)乒乓球的大小對(duì)比，就如同一個(gè)玻璃球和地球比較一樣。你現(xiàn)在吃驚了嗎？其實(shí)不光是你，科學(xué)家在知道這一切時(shí)，驚訝程度并不亞于你。

正是因?yàn)樵尤绱酥。祟?lèi)對(duì)原子的認(rèn)識(shí)前后歷經(jīng)了幾千年，迄今為止可分為三個(gè)階段，而且以后還將繼續(xù)。正所謂：人類(lèi)文明不停息，原子認(rèn)識(shí)不停止。

第一階段猜想推測(cè)

距今2500年前，古希臘的哲學(xué)家德謨克利特提出，萬(wàn)物都是由一種微小粒子構(gòu)成的，該粒子被稱(chēng)為“原子”?！霸印痹谙ＥD語(yǔ)中的意思是“無(wú)法繼續(xù)分割的物質(zhì)”。他認(rèn)為組成每種物質(zhì)的原子不同，比如有一種便是“人類(lèi)的靈魂原子”。

而同時(shí)代的哲學(xué)家亞里士多德則支持“四元素說(shuō)”，認(rèn)為萬(wàn)物都是由空氣、水、火、土四種元素構(gòu)成的。而且所有物質(zhì)都是由這四種物質(zhì)組合而成，但亞里士多德并不認(rèn)為這些元素就是微小粒子。

將元素和原子論加以結(jié)合的，是18世紀(jì)的英國(guó)物理及化學(xué)家約翰·道爾頓。他認(rèn)為每種元素都有自己固有的原子，化合物是不同的原子以一定的比例結(jié)合而成的。他還推算出形成化合物的各原子的質(zhì)量比。到了1803年，道爾頓發(fā)表了原子符號(hào)，還計(jì)算出將氫原子的質(zhì)量當(dāng)成1時(shí)各原子的相對(duì)質(zhì)量，即原子量。如今，原子量的概念仍繼續(xù)沿用（現(xiàn)在是用碳12作為原子量的標(biāo)準(zhǔn)，定它的原子量為12，以各元素的原子質(zhì)量與碳12的原子質(zhì)量的比值作為各原子的原子量）。

這些就是人類(lèi)對(duì)原子第一階段的認(rèn)識(shí)。在這期間，科學(xué)家認(rèn)為原子真實(shí)存在，是物質(zhì)的最小單位，也是無(wú)法再分割的粒子。

第二階段 實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)

1897年，英國(guó)物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆遜在研究“陰極射線”的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)了電子，打破了原子不可再分的假說(shuō)。此后，有關(guān)原子結(jié)構(gòu)的猜測(cè)從未停息過(guò)，而率先找出答案的，是英國(guó)物理學(xué)家歐內(nèi)斯特.盧瑟福。

盧瑟福在研究一種被稱(chēng)為“α射線”的強(qiáng)烈放射線時(shí)發(fā)現(xiàn)，α射線的粒子質(zhì)量約為電子質(zhì)量的8000倍，并且?guī)в姓姾?。于是，盧瑟福提出他的原子模型假說(shuō)：原子的中心為原子核，原子核周?chē)请娮印，F(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了原子核的大小，如果以半徑來(lái)比較的話(huà)，原子核半徑大約只有原子半徑的萬(wàn)分之一，而原子的所有質(zhì)量幾乎都凝聚在此，電子的質(zhì)量則輕得可以忽略不計(jì)。

原子和原子世界是如此之小，以至于科學(xué)家不得不另尋理論來(lái)解決原子世界的問(wèn)題，于是，量子力學(xué)誕生了。根據(jù)19世紀(jì)奧地利理論物理學(xué)家歐文-薛定諤和英國(guó)物理學(xué)家馬克斯-博恩的說(shuō)法，電子的位置和速度是無(wú)法同時(shí)測(cè)定的，不過(guò)，“電子的存在范圍”卻可以推算。他們認(rèn)為，在該范圍中，1個(gè)電子可以同時(shí)存在于無(wú)數(shù)個(gè)場(chǎng)所。這樣的觀點(diǎn)也許很不容易理解，不過(guò)卻能解釋各式各樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1924年，瑞士籍奧地利裔理論物理學(xué)家泡利主張：能出現(xiàn)在某一“能夠存在范圍”的電子最多只有2個(gè)，換言之，相同形狀的電子云最多只能有2個(gè)。以氧原子為例，8個(gè)電子中，具有相同形狀電子云的電子每2個(gè)1組，共有4組。鈾原子電子云的種類(lèi)數(shù)高達(dá)48個(gè)。不過(guò)，由于電子云會(huì)在相同的場(chǎng)所重疊，因此就整體來(lái)看，好像一個(gè)非常大的球狀云。這就是泡利主張的“電子的自旋方向朝上和朝下者成對(duì)存在”的“泡利不相容原理”。

此后，科學(xué)家開(kāi)始研究不同大小的原子的性質(zhì)，以尋求其內(nèi)在規(guī)律。以氫為例，它具有易燃、可與氧結(jié)合生成水的化學(xué)性質(zhì)。而在元素周期表中與氫相鄰的氦，卻不像氫那么容易燃燒，也不會(huì)爆炸，因此，氦氣常用作使氣球上浮的氣體?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，元素的化學(xué)性質(zhì)是由電子數(shù)決定的，特別是受位于最外層的電子數(shù)目的影響。因此，在元素周期表上，最外層電子數(shù)相同的元素會(huì)排在同一族。

1917年，盧瑟福又有了重大的發(fā)現(xiàn)。他以α粒子撞擊氮原子，發(fā)現(xiàn)從氮原子核中飛出未知粒子。該粒子帶有與1個(gè)電子相當(dāng)分量的正電荷，盧瑟福將之命名為“質(zhì)子”，并認(rèn)為原子核就是質(zhì)子的集合，原子之所以呈現(xiàn)電中性，是因?yàn)橘|(zhì)子數(shù)和電子數(shù)一樣。因此，質(zhì)子數(shù)也被稱(chēng)為“原子序數(shù)”。

但在事實(shí)面前，這一理論的矛盾很快就暴露出來(lái)了，解決該矛盾的是20世紀(jì)英國(guó)的原子物理學(xué)家詹姆士.查德威克。1930年，查德威克在以α粒子撞擊鈹?shù)谋∧ず褪灂r(shí)，發(fā)現(xiàn)了一種身份不明的“電中性粒子”。查德威克計(jì)算了該粒子的速度和質(zhì)量，得知該粒子的質(zhì)量大致與質(zhì)子相等。隨后，該粒子被命名為“中子”。中子是繼電子、質(zhì)子之后被發(fā)現(xiàn)的、構(gòu)成原子的第三個(gè)成員。查德威克還進(jìn)一步指出，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，這兩種粒子合稱(chēng)“核子”。

原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子數(shù)決定原子的種類(lèi)，中子數(shù)則影響原子質(zhì)量，質(zhì)子和中子的數(shù)目總和被稱(chēng)為“質(zhì)量數(shù)”，表示該原子的大致質(zhì)量。因此，即使同樣是氫，也有較輕和較重的氫。事實(shí)上，所有的元素都擁有這種原子序數(shù)相同但中子數(shù)目不同的原子，即同位素。第一個(gè)發(fā)現(xiàn)同位素的科學(xué)家是19世紀(jì)英國(guó)的物理化學(xué)家弗雷德里克·索迪。

在查德威克發(fā)現(xiàn)中子兩年后的1934年，日本的物理學(xué)家湯川秀樹(shù)預(yù)言有一種可以讓原子核的組成分子結(jié)合在一起而不四散的力——核力。核力像黏膠一樣作用于質(zhì)子與中子、質(zhì)子與質(zhì)子、中子與中子之間，尤其是質(zhì)子與中子之間的強(qiáng)大吸引力，將核子組合成原子核。因此，質(zhì)量大的原子核分裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大能量；質(zhì)量小的原子核彼此融合（即聚變）時(shí)也會(huì)產(chǎn)生龐大能量。但要產(chǎn)生核聚變并非易事，一般需要超高溫、高壓等條件。核分裂就是使原子彈爆炸的原理，而核聚變的例子就是太陽(yáng)。

第三階段宏觀與微觀驚人相似

在量子力學(xué)的連接下，微小到千萬(wàn)分之一毫米的原子世界竟然和宏大到百億光年的天體世界，巧妙地組合在一起，其中最為經(jīng)典的就是宇宙大爆炸理論。

目前認(rèn)為，宇宙大爆炸大約發(fā)生在137億年前，那時(shí)的宇宙處在高溫、高密度的灼熱狀態(tài)。根據(jù)科學(xué)家的研究結(jié)果推測(cè)，電子、質(zhì)子、中子大約誕生于大爆炸后的十萬(wàn)分之一秒以?xún)?nèi)。大約經(jīng)過(guò)3分鐘后，宇宙的溫度下降至約10億攝氏度，四處飄蕩的質(zhì)子和中子結(jié)合，誕生氦、鋰等質(zhì)量較小的原子核。再經(jīng)過(guò)大約38萬(wàn)年后，宇宙溫度大約下降至3000℃，四散的原子核和電子結(jié)合，原子誕生了。

恒星聚變能產(chǎn)生的原子質(zhì)量最大的元素是鐵，它是由內(nèi)部溫度50億攝氏度，并且具有10倍以上太陽(yáng)質(zhì)量的恒星聚變生成的。當(dāng)制造出鐵之后，質(zhì)量更大的元素的核聚變反應(yīng)就不會(huì)再進(jìn)行，恒星開(kāi)始急速收縮，最后會(huì)發(fā)生大爆炸，即超新星爆發(fā)。