导言:

德谟克里特斯在将近三千年前就说过:“万物由原子构成。”
牛逼吧。
可你要接着问他,原子是什么样的呢?
他就跑偏了。

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懒蛋哲学家

哲学家总是图省事。关于物质分割能不能达到极限的问题,德谟克里特斯他们简单地给出了“原子”二字,作为物质分割的极限,然后还像模像样地给出了一些几乎没有科学严谨性的定义。也许因此,这个词的概念一直很模糊。至今物理学家和化学家对这个词都有不同的定义。在阅读一些科学书籍时,你能看到作者会在页脚好心地注上:“本书中所用‘原子(分子)’一词含义为啥啥啥,不同于化学(物理)中的含义。”

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(德谟克里特斯。图片来自网络)

哲学家给出了这样一个形而上的概念,他们得到的好处是,后来的化学家们例如波义耳、拉瓦锡在利用“化学反应存在一个最小单位”即“原子”(分子)来很好地解释化学现象并进一步确定“原子”的存在后,功劳归给了哲学家们。这只是笑话。事实是,如果没有哲学家事先提出这种物质分割存在某种极限的观点并一代代影响着后来的人,科学家想提出原子论以解释实验现象是不可能的。我这话如此绝对,是因为有个投机取巧的地方:如果没有德谟克利特斯等人,第一个提出原子论的科学家将先被冠以哲学家的头衔。

最先关注原子的不是物理学家。物理学家真正关注原子,是从各种射线的发现开始的。

 

射线登场

十九世纪末很神奇。且不论其它神奇的地方,就本文而言,在这个时间段,人们几乎同时注意到了天然放射线和人造射线。发现天然放射线的是贝克勒尔。

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(贝克勒尔。图片来自网络)

当然,这么说不准确,因为放射线的定义那时候的人还说不好。能确定的是,他以前就知道铀矿可以使相机感光,因为拍得好好的照片底片接近铀矿之后就毁了。他本来以为是太阳光照到铀矿上,使铀矿储存了某种能量,然后铀矿再释放出来,就像荧光。可他打算做实验验证那几天都阴天,他只好把准备好的胶片和铀矿石一起扔到抽屉里。
这次阴天阴了好久,终于天晴了,他拿出胶片时,发现胶片已经都毁了,毁的形状和石头的形状一样一样的……

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(铀矿石。图片来自网络)

铀矿石没让光照就能毁胶片!贝克勒尔知道了这种东西会自然而然地发出带能量的辐射。天然放射现象登上了历史舞台。

人造的射线则是由尤利乌斯·普吕克先搞出来的。自从法拉第他们把电搞出来了,科学家们就总喜欢电电这个,电电那个。十九世纪中叶,有一回普吕克在真空管里放电,发现阴极对面的玻璃管上直发光。是什么东西撞到了管子上撞出光来了?他假设是一种带电粒子,于是就放在磁场里,因为磁场能使带电粒子运动时拐弯,这样就能根据拐弯的轨迹测出这粒子的属性。可是他没测明白,因为轨迹几乎不弯。后来在十九世纪末,汤姆逊测明白了,他把管子抽成真空,减小了阻力,轨迹就清晰了。他借此把这种粒子的“三围”都量出来了,并命名为电子。人造的射线也弄出来了。
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(汤姆逊。图片来自网络)

这些现象让物理学家们乐了。他们终于又有事干了。他们意识到构成物质的原子内部有很多疑点。首先它有能量,不然没法自己就放出东西毁胶片。然后它结构挺复杂的,不然电子啥的是咋跑出来的。
从此,科学家们踏上了研究射线的征途。研究方法汤姆逊给了,毕竟他已经测出了电子,测别的只要照葫芦画瓢就好。人造放射线开始只有电子,电子很快被大家玩烂,科学家们就去找天然放射线。这下可好,工地的沥青都让一群西装革履的怪人半夜偷走了,包工头们叫苦不迭……
包工头们的损失很快得到了报偿。科学家们发现天然放射物的放射线通常分为三种,他们命名为α射线,β射线,γ射线。至于为什么要用炫酷狂拽的希腊字母,主要原因是科学家们希望自己显得很有逼格。这三种是怎么研究出来的呢?思路很简单,一块放射性物质的射线是往四面八方乱放的,为了方便研究,就拿能挡住射线的东西(比如铅皮)把它包起来,只留一个小孔,这样就得到了一个单一方向的射线源。把那小孔对准一个磁场,人们发现有东西往左偏,有东西往右偏,还有东西不偏(那东西打到荧光板上荧光板会发光,只用眼睛是看不到的)。根据磁场作用的公式(高中理科生学过),偏的方向不同说明带的电不同,不偏说明不带电,这很容易判断这里至少是三种不同的射线。
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(发现三种射线的原理简图。图片来自网络)

大胆尝试

接下来人们的思路大抵分成两条。一条是研究究竟是什么在放出射线,他们学习了化学家的办法对沥青之类的东西进行提纯,渐渐确定了射线是从原子内部出来的。怎么确定的呢?人们先把有放射性的东西分类然后试图找出共同点,然后就发现了决定放射性的是某几种元素,而不同元素对应的就是不同原子。比如人们发现氯化铀,溴化铀,这那化铀都有放射性,那么自然就知道是铀元素对应的铀原子有放射性。也有人这样做,把有放射性的东西进行各种“惨无人道”的化学反应,发现放射性不变。化学反应就是把原子构成的分子拆开然后再排列组合成新的分子。人们把有放射性的分子这么一顿拆,可放射性不受影响,只能说明放射性是从这样一直拆不开的原子里出来的。后来大家都知道,拆原子的那叫核反应。这更加坚定了射线是从原子内部出来的看法。
试图拆开原子研究原子内部结构,这是第二条思路。最简单的想法,就是拿东西撞。虽然暂时还不懂原子结构是啥样的,但是不管啥样,死命撞总该是有效的。本着这个简单粗暴的想法,那个时代全世界的实验室里就掀起了死命撞原子的风潮。拿什么撞?拿射线撞。拿什么射线撞?最好是一种射线,要是各种射线一起撞,撞出来什么人们也解释不清是哪种射线的作用还是共同的作用。这需要纯净的射线。
前面说了,一些放射源能放出三种射线,这三种射线一进磁场就自己分开,分开后人们有了纯净的射线,就可以拿这射线去撞别的原子了。而最主要的射线是α射线,因为γ射线(不带电直接出去那个)是电磁波,飞得太快别的原子抓不住,人们撞了发现是白撞;β射线就是最早弄出来的电子流,电子太小了,人们发现撞上去也没啥用。α射线速度不算太快但是也足够快,质量还挺大,所以科学家们后来基本都是拿这个去撞别的原子。大家都没什么明确的思路,基本都是大(xia)胆(ji)尝(ba)试(zhuang)。一批科学家凭着年复一年地坚持用α射线撞一切能看到的东西进入了顶尖科学家的行列,而这些有着坚忍不拔精神的科学家中运气好点的则撞出了大名堂来。最有名的也是我要重点介绍的,撞出了原子内部结构的,是卢瑟福α粒子散射实验。
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(α粒子散射实验示意图。图片来自网络)

这个实验简单说,就是拿α射线撞金箔。一撞发现,基本所有射线都直接穿过,如入无人之境。这说明原子不可能是实心且紧密排列的,只可能是原子间有大缝隙或者原子本身是空的。原子间有大缝隙不太可能,那不就散架子了,所以原子中间有很多空感觉说得过去。之前人们知道原子里有电子,并且由于原子不带电自然要有带正电的来中和电子的负电,有人提出了什么“枣糕”模型,“西瓜”模型(这些一看就不靠谱的吃货级别的模型都被科学界讨论过很久呢),这回做完实验,一个强得多的模型,就是大家都听说过的原子核在中间电子在四周绕着转的模型诞生了。根据上面那个实验的结果,计算少量没直接穿过而是反弹走了的α粒子的比例,可以算出原子核有多大。算完科学家都有点傻逼了,因为原子核和原子的比例就近似为五毛钢蹦和足球场的比例。
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(原子核占原子比例示意图。图片来自网络)

这还不够,解释不了为啥电子会从原子中跑出来。也许有人觉得很好解释,原子核外面不都是电子么?问题是,那些电子跑出来后,原子核不就得带电了么?实际情况是铀矿放多久也不会自己带上电啊。有人会说,电顺着大地导走了呗。可人们拿绝缘的东西把铀矿石包起来,放到最后也没带电。等等,是不是有带正电的东西和电子同时跑出来了,我们只看到电子?还有,构成α射线的α粒子和β粒子(电子)电量不相反么,那不正好!也许说的对,但是α粒子又是什么呢?带正电,还挺沉的,它又是怎么跑出来的……
当时科学家们也糊涂了。他们只是继续做拿α射线撞原子核的实验。他们撞出过新的射线,在磁场里不拐弯说明不带电跟γ射线挺像,但是又比γ射线慢很多,后来证实是中子;还有人撞出了稀里哗啦一堆碎片,后来证实撞出了小原子核,就是把大原子核撞碎了,这叫核裂变;人们又发现有时候一个原子碎了还能顺便把别的原子也撞碎,然后依此类推,这叫链式反应,人们就这么做出了原子弹……这里面又都是些什么原理呢?为什么有时候能撞出中子,有时候能撞碎,还有时候就链式反应了?这些乱七八糟的问题后来都由量子力学解决了。下一集我们将跟着第五集的脚步,重新回到量子力学的发展历程上去。

 

结语

本集旨在介绍原子结构是怎么研究出来的,以解答之前的一些小问题。至于提到了许多其它故事,比如中子、裂变、链式反应等等的发现,偏向于物理学史的内容,感兴趣的话可以参考弗·卡约里的《物理学史》(A History of Physics)或者前面推荐过的郭奕玲著《物理学史》。

 

(此篇作为原子研究的一个补充。至此,科普文系列正式完结)

 

 


 

作者:神渔夫

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南大天文系学生
天上的事问我,其它的事看书