原子，沒有最小，只有更小

紀舟

一位20世紀的物理學家在他的著作里寫了這么一句話：“如果有一句話可以總結(jié)人類知道的所有知識，那這句話一定是：‘萬物都是由原子構(gòu)成的。”

你能想象只有千萬分之一毫米大小的原子構(gòu)成了我們身邊的萬物嗎？你能想象你身體里的一切都是無數(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，我覺得有必要向你解釋一下千萬分之一毫米的概念。一個原子和一個乒乓球的大小對比，就如同一個玻璃球和地球比較一樣。你現(xiàn)在吃驚了嗎？其實不光是你，科學家在知道這一切時，驚訝程度并不亞于你。

正是因為原子如此之小，人類對原子的認識前后歷經(jīng)了幾千年，迄今為止可分為三個階段，而且以后還將繼續(xù)。正所謂：人類文明不停息，原子認識不停止。

第一階段猜想推測

距今2500年前，古希臘的哲學家德謨克利特提出，萬物都是由一種微小粒子構(gòu)成的，該粒子被稱為“原子”。“原子”在希臘語中的意思是“無法繼續(xù)分割的物質(zhì)”。他認為組成每種物質(zhì)的原子不同，比如有一種便是“人類的靈魂原子”。

而同時代的哲學家亞里士多德則支持“四元素說”，認為萬物都是由空氣、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世紀的英國物理及化學家約翰·道爾頓。他認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，還計算出將氫原子的質(zhì)量當成1時各原子的相對質(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作為原子量的標準，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）。

這些就是人類對原子第一階段的認識。在這期間，科學家認為原子真實存在，是物質(zhì)的最小單位，也是無法再分割的粒子。

第二階段 實驗認識

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

盧瑟福在研究一種被稱為“α射線”的強烈放射線時發(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姾伞Ｓ谑牵R瑟福提出他的原子模型假說：原子的中心為原子核，原子核周圍是電子。現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了原子核的大小，如果以半徑來比較的話，原子核半徑大約只有原子半徑的萬分之一，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。

原子和原子世界是如此之小，以至于科學家不得不另尋理論來解決原子世界的問題，于是，量子力學誕生了。根據(jù)19世紀奧地利理論物理學家歐文-薛定諤和英國物理學家馬克斯-博恩的說法，電子的位置和速度是無法同時測定的，不過，“電子的存在范圍”卻可以推算。他們認為，在該范圍中，1個電子可以同時存在于無數(shù)個場所。這樣的觀點也許很不容易理解，不過卻能解釋各式各樣的實驗結(jié)果。

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

此后，科學家開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，也不會爆炸，因此，氦氣常用作使氣球上浮的氣體。科學家研究發(fā)現(xiàn)，元素的化學性質(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個電子相當分量的正電荷，盧瑟福將之命名為“質(zhì)子”，并認為原子核就是質(zhì)子的集合，原子之所以呈現(xiàn)電中性，是因為質(zhì)子數(shù)和電子數(shù)一樣。因此，質(zhì)子數(shù)也被稱為“原子序數(shù)”。

但在事實面前，這一理論的矛盾很快就暴露出來了，解決該矛盾的是20世紀英國的原子物理學家詹姆士.查德威克。1930年，查德威克在以α粒子撞擊鈹?shù)谋∧ず褪灂r，發(fā)現(xiàn)了一種身份不明的“電中性粒子”。查德威克計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)成原子的第三個成員。查德威克還進一步指出，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，這兩種粒子合稱“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，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。第一個發(fā)現(xiàn)同位素的科學家是19世紀英國的物理化學家弗雷德里克·索迪。

在查德威克發(fā)現(xiàn)中子兩年后的1934年，日本的物理學家湯川秀樹預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會產(chǎn)生巨大能量；質(zhì)量小的原子核彼此融合（即聚變）時也會產(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。

第三階段宏觀與微觀驚人相似

在量子力學的連接下，微小到千萬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。

目前認為，宇宙大爆炸大約發(fā)生在137億年前，那時的宇宙處在高溫、高密度的灼熱狀態(tài)。根據(jù)科學家的研究結(jié)果推測，電子、質(zhì)子、中子大約誕生于大爆炸后的十萬分之一秒以內(nèi)。大約經(jīng)過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)過大約38萬年后，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倍以上太陽質(zhì)量的恒星聚變生成的。當制造出鐵之后，質(zhì)量更大的元素的核聚變反應就不會再進行，恒星開始急速收縮，最后會發(fā)生大爆炸，即超新星爆發(fā)。