人類是如何知道原子的存在的,它是如何構築了我們的物質世界?

原子很小，真的非常小。你可能聽說過，大千世界都是由微小的原子構成的。你或許也知道，我們無法用肉眼看到它們。但原子確實存在，並與每樣事物發生相互作用，構築了我們的世界。

然而，對大多數人而言，知道這些遠遠不夠。科學的榮耀之處在於，它總是通過實際觀測來發現宇宙的奧秘。那麼，我們如何得出原子確實存在的結論呢？對這些微小的結構，我們究竟了解多少呢？

要證明原子的存在似乎非常簡單：只需要在顯微鏡下觀測就可以了。事實上，這個方法並不奏效，因為即使用最強大的光聚焦顯微鏡，我們也無法看到單個原子。物體之所以可見，是因為它能夠反射可見光波。但原子遠遠小於可見光的波長，因此無法反射可見光。換句話說，原子對光而言是不可見的。但是，原子能對另外一些事物產生可觀測的影響。

1785年，荷蘭科學家揚·英格豪斯正在研究一個他無法理解的奇怪現象。在他的實驗室裡，煤粉中的一種微小粒子在酒精表面亂飛。

大約50年後的1827年，蘇格蘭植物學家羅伯特· 布朗也描述過與之相似的情況。在他將顯微鏡對準花粉粒時，發現一些花粉粒釋放出微小粒子，這些粒子隨機地四散開去。

起初，布朗懷疑這些粒子是某種未知的微生物。於是，他用其他物質（如巖石塵埃這樣的無機物）替代花粉粒重新進行實驗。然而，他看到了相同的奇怪運動。

科學地解釋這一現象用了將近一個世紀。愛因斯坦發展出一套數學公式，能夠預測這一特定類型的運動。後來，這種不規則的運動被命名為布朗運動。

愛因斯坦的理論認為，這些來自花粉粒的粒子之所以動個不停，是因為它們在不停地與成千上萬個微小的水分子相互碰撞，這些分子是由原子構成的。

雖然從詞源來看，「原子」意味著不可分割，但事實是原子仍可進一步分解倫敦科學博物館館長、劍橋大學的哈利· 克利夫這樣解釋：「愛因斯坦對布朗運動的解釋是，粒子實際上是因水分子的碰撞而產生運動的。」

1908年，經過計算驗證的觀測實驗證實了原子的真實存在。10年之內，物理學家進行了更進一步的研究。通過分離單個原子，他們越來越了解原子的內部結構。

令人驚奇的是，原子還可以進一步分解。「原子」一詞來自希臘語「atomos」，意為「不可分割」。物理學家已經認識到，原子並不是一個個固體小球，將它們想像成微小的帶電「行星」系統或許更為恰當。原子主要由三個部分組成：質子、中子和電子。想像一下，質子和中子一起形成「太陽」，即原子核；原子核位於原子中心，它的周圍環繞著行星一樣的電子。

如果原子已經小到不可思議，那麼這些亞原子粒子更是小之又小了。有趣的是，在原子的三個組成部分中，最先被發現的恰恰是最小的電子。

想像一下它們之間的差異：原子核中的質子，其體積大概是電子體積的1830倍。電子繞著原子核運動，就如同一個小鵝卵石繞著一個熱氣球運動。第一臺粒子加速器，然而，我們如何證明上述粒子的存在呢？雖然它們極其微小，卻可以產生巨大的碰撞。1897年，發現電子的英國物理學家約瑟芬·約翰·湯姆遜用一套令人拍案叫絕的方法證明了電子的存在。

他用來進行實驗的特殊裝置被稱為布魯斯放電管。這是一根形狀奇怪的玻璃管，其中的空氣被抽空。接著，一個帶負電荷的電子被放入玻璃管的一端（這個電荷足以清除管內剩餘氣體分子的電子）。電子帶負電荷，因此它們從玻璃管的一端運動到另一端。由於玻璃管內基本上處於真空狀態，這些電子可在不受原子阻擋的情況下通過玻璃管。

電荷使得電子以59500千米/ 秒的速度撞到玻璃管的另一端，撞入由更多電子聚合而成的原子中。神奇的是，這些微小粒子在這個過程中產生了令人難以置信的巨大能量，並發出奇妙的紅綠色光芒。

「從某種意義上說，這是世界上首個粒子加速器，」克利夫說，「這個裝置從玻璃管的一端到另一端加速電子，當電子撞到玻璃管盡頭時，就發出了這種光。」

湯姆遜發現電磁場可以改變電子束的方向，因此他確定這不僅僅是奇異的光線，也是帶電粒子。

或許你會好奇，這些電子究竟是如何在原子中繞著原子核獨立做環繞運動的。其實這便是電離作用。電離是指電荷通過將電子推到周圍空間而改變原子結構的過程，即原子受到高能粒子的撞擊等作用而改變電荷的攜帶情況，變成帶正電荷或負電荷的離子。事實上，因為電子極易控制，所以它們可以在電路中運動。電子在銅線中的運動方式類似於火車的運動方式，即從一個銅原子移動到另一個銅原子，從而將電荷從銅線的一端傳送到另一端。需要再次指出的是，原子並不是某種固體小物件，而是一種有可能發生變化，從而產生結構性改變的系統。

原子中存在一個緻密的核

電子的發現意味著原子還有更多值得我們探索的地方。湯姆遜的研究表明，電子是帶負電荷的，但他也清楚地知道，原子本身並不帶電。因此，原子中必然包含某種神秘的、帶正電荷的粒子，抵消了電子攜帶的負電荷。

20世紀初，大量實驗確認了這種正電荷粒子的存在。與此同時，科學家揭示出了原子類似太陽系模型的內部結構。

歐內斯特·盧瑟福和他的同事將薄金屬箔置於帶正電荷的射線束下，也即一串粒子之下。恰如盧瑟福的預測，大多數射線都能正常穿過金屬箔。但是令他驚奇的是，有一些射線被反彈回去了。

盧瑟福推測，金屬箔中的原子必定有一些小而緻密的區域，這些區域帶正電荷，因為除此之外沒有什麼能夠以這樣的強度反射射線。他發現了原子中的正電荷，並且證明正電荷不同於離散的電子，它們緊密地擠在一個很小的空間中。換言之，盧瑟福證明了原子中存在一個緻密的核。

可是，又出現了新的問題。到目前為止，我們已經可以估計出原子核的質量，卻沒有任何證據表明其中的物質全都帶正電荷。

「碳原子有6個電子，因此原子核中就有6個質子， 這樣就恰好有6個正電荷和6個負電荷。」克利夫解釋說，「但是碳原子核的質量不止有6個質子的重量，而是有12個質子那麼重。」

人們認為另外6個粒子的質量與質子相同，只是不帶電荷，它們就是中子。但是，沒有人能對此進行證明。事實上，中子直到20世紀30年代才被發現。

劍橋大學的物理學家詹姆斯· 查德威克一直在為發現中子而不懈努力著。1932年，他終於取得了突破性的進展。

在此之前，物理學家曾用射線進行實驗。他們用類似於盧瑟福發現原子核的方法，嘗試向鈹原子發射帶正電荷的射線。實驗中，鈹原子自身放射出一種射線，這種射線能夠穿透物質，既不帶正電荷也不帶負電荷。

這一時期，物理學家已經發現伽馬射線呈電中性，並有極強的穿透力，所以他們認為鈹原子發射的就是伽馬射線，但查德威克對此表示懷疑。

他在實驗中發射鈹原子放射的那種射線，並將其對準富含質子的物質。出乎意料的是，質子仿佛受到同等質量的粒子撞擊一樣，被撞得飛離了原物質，就像英式撞球在撞球桌上相互撞擊的情景。

伽馬射線是不會令質子發生偏移的。因此，查德威克意識到，實驗中的粒子就是中子，它具有與質子相同的質量，但並不攜帶電荷。

至此，有關原子的所有關鍵性問題都已解決。不過，故事並未就此結束。

最強大的電子顯微鏡能創建單個原子的圖像儘管與此前相比，我們對原子的了解已經大有進步，但要對原子進行直接觀測仍非易事。20世紀30年代，人們仍舊無法給出原子的直觀形象。假如無法親眼看一看它們究竟是什麼樣子，很多人都無法接受它們確實存在的事實。

不過，諸如湯姆遜、盧瑟福以及查德威克這樣的科學家對原子理論的探索已經為我們最終描繪出原子的具體形象鋪平了道路，尤其是湯姆遜在克魯斯電極管實驗中製造的電子束。

如今，電子顯微鏡可以發射同樣的電子束，而最強大的顯微鏡甚至能創建單個原子的圖像。這種電子束的波長僅為光波長的數千分之一，所以電子波能夠受微小的原子的影響而改變運動軌跡，從而生成圖像。這是光波做不到的。

倫敦大學學院的尼爾·斯基帕指出，這種圖像對研究特殊物質的原子結構的人而言非常有用，比如製造電車電池的人。我們對特殊物質的原子結構了解得越深入，就越能將其設計得高效、可靠。

你甚至可以通過撥動原子對它們進行細緻的研究，這就需要應用原子力顯微技術。應用原子力顯微鏡進行實驗，就是將一個非常小的探頭的一端靠近分子表面或是某種材料表面。它們間的距離如此之近，探頭對它指向的化學結構將非常敏感，當它轉動的時候，電阻會有所改變。這樣一來，科學家就能夠獲取單個分子的圖像。

近期，研究人員公布了應用這一方法獲得的化學反應前後的分子圖像。斯基帕補充說，近期的許多原子研究，都是探索在極度高溫或高壓的情況下，物質的結構會發生怎樣的變化。大多

數人都知道，當物質被加熱時，通常會膨脹。這些研究就是要揭示在加熱情況下原子有怎樣的變化，使得物質發生膨脹。他說：「如果加熱液體，你將看到原子呈現出混亂無序的狀態。這一切都可以從原子結構圖中得到直接體現。」

同時，斯基帕以及其他物理學家還用查德威克在20世紀30年代使用過的中子束髮射技術，對原子進行研究。斯基帕解釋說：「我們所做的就是向許多物質發射中子束。根據散射圖像，我們可以推斷原子核中散射出許多中子。這樣，我們就能計算出發生散射的物質的質量和大致體積。」

但是，原子並不是始終紋絲不動地待在那兒等著我們對它進行檢測。有時原子會發生衰變，這就意味著它們具有放射性。

自然界中的許多元素都具有放射性。衰變過程會產生能量，這就是核能的基礎，也是核彈的基礎。核物理學家研究的主要內容，就是深入了解核反應過程中發生的變化。伽馬射線就是一種原子衰變輻射。不同的放射性原子會產生不同的伽馬射線形態，這就意味著我們能夠通過探測原

子衰變過程中伴隨的伽馬射線的能量來辨別原子。這就是利物浦大學的哈克尼斯· 布倫南進行的實驗。布倫南進一步解釋說：「這一實驗所需的探測器，必須既能探測到射線的存在，又能探測出射線的能量。因為每種元素的原子核都有其獨特的指紋圖譜。」

射線探測區也可能存在其他類別的原子，尤其是在一些大型核反應中。因此，準確了解存在哪些放射性同位素就顯得格外重要。也正因為這樣，這類實驗通常都在核電站或是發生過核事故的地區進行。現在，哈克尼斯·布倫南及其同事的重點就放在研發對存在輻射的區域進行探測的系統裝置上。她說：「我們所要研製的科技設備和工具，需要能夠對存在輻射的特定區域進行三維成像。」原子如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學知識

雲室是一種核輻射探測裝置，放射源周圍瀰漫著冷卻到-40℃、達到過飽和狀態的酒精蒸汽雲。輻射源放射出的帶電粒子從酒精分子中轉移電子，在經過的路徑上產生離子。與此同時，酒精沿著帶電粒子經過的路徑濃縮為小液滴。這一實驗呈現出的結果令人驚嘆不已。

我們還遠遠沒有搞清楚原子究竟是什麼，只是揭示出它們有著驚人的複雜結構，在自然界中能夠發生許多奇異的變化。研究原子的過程使我們的科技水平以及利用核能的能力有了大幅進步，讓我們更好地了解了我們生活的世界。與此同時，也能更好地預防輻射對我們的傷害。

正如哈克尼斯·布倫南所說，「原子雖然如此之小，但我們能從中了解到很多奇妙的物理學知識」。我們周圍的所有事物，都是由微小的原子構成的。深入地了解原子，我們才能更好地了解世界。