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人类是如何发现原子的存在的?这种微小的颗粒是如何构建出世界的
2020-01-09           作者: 宇宙小百科

原子很小,真的非常小。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。但原子确实存在,并与每样事物发生相互作用,构筑了我们的世界。

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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现宇宙的奥秘。那么,我们如何得出原子确实存在的结论呢?对这些微小的结构,我们究竟了解多少呢?

要证明原子的存在似乎非常简单:只需要在显微镜下观测就可以了。事实上,这个方法并不奏效,因为即使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,原子对光而言是不可见的。但是,原子能对另外一些事物产生可观测的影响。

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1785年,荷兰科学家扬·英格豪斯正在研究一个他无法理解的奇怪现象。在他的实验室里,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似的情况。在他将显微镜对准花粉粒时,发现一些花粉粒释放出微小粒子,这些粒子随机地四散开去。

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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(如岩石尘埃这样的无机物)替代花粉粒重新进行实验。然而,他看到了相同的奇怪运动。

科学地解释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,能够预测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。

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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”意味着不可分割,但事实是原子仍可进一步分解伦敦科学博物馆馆长、剑桥大学的哈利· 克利夫这样解释:“爱因斯坦对布朗运动的解释是,粒子实际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实验证实了原子的真实存在。10年之内,物理学家进行了更进一步的研究。通过分离单个原子,他们越来越了解原子的内部结构。

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令人惊奇的是,原子还可以进一步分解。“原子”一词来自希腊语“atomos”,意为“不可分割”。物理学家已经认识到,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,它的周围环绕着行星一样的电子。

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如果原子已经小到不可思议,那么这些亚原子粒子更是小之又小了。有趣的是,在原子的三个组成部分中,最先被发现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,其体积大概是电子体积的1830倍。电子绕着原子核运动,就如同一个小鹅卵石绕着一个热气球运动。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。1897年,发现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了电子的存在。

他用来进行实验的特殊装置被称为布鲁斯放电管。这是一根形状奇怪的玻璃管,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(这个电荷足以清除管内剩余气体分子的电子)。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情况下通过玻璃管。

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。神奇的是,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,并发出奇妙的红绿色光芒。

“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,当电子撞到玻璃管尽头时,就发出了这种光。”

汤姆逊发现电磁场可以改变电子束的方向,因此他确定这不仅仅是奇异的光线,也是带电粒子。

或许你会好奇,这些电子究竟是如何在原子中绕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周围空间而改变原子结构的过程,即原子受到高能粒子的撞击等作用而改变电荷的携带情况,变成带正电荷或负电荷的离子。事实上,因为电子极易控制,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。需要再次指出的是,原子并不是某种固体小物件,而是一种有可能发生变化,从而产生结构性改变的系统。

原子中存在一个致密的核

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电子的发现意味着原子还有更多值得我们探索的地方。汤姆逊的研究表明,电子是带负电荷的,但他也清楚地知道,原子本身并不带电。因此,原子中必然包含某种神秘的、带正电荷的粒子,抵消了电子携带的负电荷。

20世纪初,大量实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。恰如卢瑟福的预测,大多数射线都能正常穿过金属箔。但是令他惊奇的是,有一些射线被反弹回去了。

卢瑟福推测,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。他发现了原子中的正电荷,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,卢瑟福证明了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。”克利夫解释说,“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。”

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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年代才被发现。

剑桥大学的物理学家詹姆斯· 查德威克一直在为发现中子而不懈努力着。1932年,他终于取得了突破性的进展。

在此之前,物理学家曾用射线进行实验。他们用类似于卢瑟福发现原子核的方法,尝试向铍原子发射带正电荷的射线。实验中,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,物理学家已经发现伽马射线呈电中性,并有极强的穿透力,所以他们认为铍原子发射的就是伽马射线,但查德威克对此表示怀疑。

他在实验中发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,实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,有关原子的所有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,但要对原子进行直接观测仍非易事。20世纪30年代,人们仍旧无法给出原子的直观形象。假如无法亲眼看一看它们究竟是什么样子,很多人都无法接受它们确实存在的事实。

人类是如何发现原子的存在的?这种微小的颗粒是如何构建出世界的

 

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索已经为我们最终描绘出原子的具体形象铺平了道路,尤其是汤姆逊在克鲁斯电极管实验中制造的电子束。

如今,电子显微镜可以发射同样的电子束,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改变运动轨迹,从而生成图像。这是光波做不到的。

伦敦大学学院的尼尔·斯基帕指出,这种图像对研究特殊物质的原子结构的人而言非常有用,比如制造电车电池的人。我们对特殊物质的原子结构了解得越深入,就越能将其设计得高效、可靠。

你甚至可以通过拨动原子对它们进行细致的研究,这就需要应用原子力显微技术。应用原子力显微镜进行实验,就是将一个非常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非常敏感,当它转动的时候,电阻会有所改变。这样一来,科学家就能够获取单个分子的图像。

近期,研究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,近期的许多原子研究,都是探索在极度高温或高压的情况下,物质的结构会发生怎样的变化。大多

数人都知道,当物质被加热时,通常会膨胀。这些研究就是要揭示在加热情况下原子有怎样的变化,使得物质发生膨胀。他说:“如果加热液体,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直接体现。”

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同时,斯基帕以及其他物理学家还用查德威克在20世纪30年代使用过的中子束发射技术,对原子进行研究。斯基帕解释说:“我们所做的就是向许多物质发射中子束。根据散射图像,我们可以推断原子核中散射出许多中子。这样,我们就能计算出发生散射的物质的质量和大致体积。”

但是,原子并不是始终纹丝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。

自然界中的许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。核物理学家研究的主要内容,就是深入了解核反应过程中发生的变化。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。这就是利物浦大学的哈克尼斯· 布伦南进行的实验。布伦南进一步解释说:“这一实验所需的探测器,必须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,准确了解存在哪些放射性同位素就显得格外重要。也正因为这样,这类实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,需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很多奇妙的物理学知识

云室是一种核辐射探测装置,放射源周围弥漫着冷却到-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。这一实验呈现出的结果令人惊叹不已。

我们还远远没有搞清楚原子究竟是什么,只是揭示出它们有着惊人的复杂结构,在自然界中能够发生许多奇异的变化。研究原子的过程使我们的科技水平以及利用核能的能力有了大幅进步,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伤害。

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很多奇妙的物理学知识”。我们周围的所有事物,都是由微小的原子构成的。深入地了解原子,我们才能更好地了解世界。

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