人類是如何一步步了解原子的？

□ 劉珍筷

自從原子被發現以來，幾個世紀里，科學家和哲學家都對它進行了深入的研究。隨著科技的進步，人類的觀測能力變得越來越強，越來越微小的東西被看到，人們開始意識到還有很多東西要學習。

原子與虛空組成的世界

你知道“原子”一詞最早是什么時候出現的嗎？它是由希臘哲學家德謨克利特提出的，《斯坦福哲學百科全書》稱他為“原子論者”。在原子論者看來，組成自然世界的是兩種根本不同的現實——原子與虛空。

“原子”一詞源自希臘形容詞atomos（或atomon），它的意思是“不可分割、數量無限、大小各異、形狀完美堅固且無內部間隙；除了自身所處位置的變化，它們本身是不變的，不可再生也不可摧毀”。

兩千年后，英國化學家、氣象學家和物理學家約翰·道爾頓（1766—1844年）提出了他的理論——也就是我們現在所說的“道爾頓原子論”，該理論與后來的科學發現（例如愛因斯坦的相對論和普朗克的量子理論等）有一定的聯系。

道爾頓生于英格蘭西北的一個貴格會職工家庭，他以一篇關于色盲的論文開始了他的學術生涯（他是世界上第一個提出色盲問題的人）。他本人是色盲，“色盲”現在也被稱為“道爾頓癥”。

道爾頓一生都對氣象學感興趣，癡迷于研究各種氣體，這直接導致了他開始對原子論進行研究。他對氮、氫和氧等元素進行了測量并發現，不同元素的大小和質量各不相同。該發現糾正了原子論“原子都是一樣的”這個觀點，他的研究對當時的科學和哲學產生了極其深遠的影響。1807年，在一次學術交流會中，他告訴同行，自己的研究成果將“給化學領域帶來顛覆性的改變，會將化學變成一門極為簡單的科學”。

初步建立原子模型

英國物理學家湯姆遜使我們對原子的結構有了新的了解。1906年，他獲得了諾貝爾物理學獎。在他的學生中，有9 位諾貝爾獎獲得者。最著名的學生之一——物理學家歐內斯特·盧瑟福，首先提出放射性半衰期的概念，證實放射性涉及從一個元素到另一個元素的嬗變。因為“對元素蛻變以及放射化學的研究”，他榮獲1908年諾貝爾化學獎。

在湯姆遜時代，科學家們仍然相信，原子作為物質最基本的構成要素，是宇宙中最小的粒子。但是，對原子認知的突破已經開始了——19 世紀30年代，邁克爾·法拉第發現，原子與正電荷、負電荷有關，并提出新的概念，例如“離子”和“電極”等。1891年，愛爾蘭物理學家喬治·約翰·斯通尼創造了“電子”一詞，用來表示電荷的基本單位，認為這是一個電離原子擁有的最小的電荷單位。

在這一系列認知突破的基礎上，湯姆遜意識到原子并不是不可分割的。在1897年的一次實驗中，湯姆遜讓陰極射線在電荷和磁荷的影響下通過一根管子，并測量了負電荷、正電荷和它們的質量等。他認為自己發現了原子的一個組成部分：帶負電荷的電子，這是一種不同于以往任何已知粒子的粒子。

1904年，湯姆遜提出了一個新的原子結構模型——梅子布丁模型（又稱葡萄干布丁模型），梅子布丁模型表明，原子是由電子懸浮于均勻分布的帶正電物質里組成的，就如同梅子散布于布丁里一般。

探索原子內部

但幾年之后的1911年，湯姆遜的模型就被他的學生歐內斯特·盧瑟福推翻了，盧瑟福提出了新的原子結構模型，這使得我們對原子的理解向前邁出了一大步。

在英國，盧瑟福與包括漢斯·蓋格（以蓋格計數器聞名）和尼爾斯·玻爾在內的團隊成員一起工作，他們在英國曼徹斯特大學的實驗室里進行實驗。

有人說盧瑟福是他那個時代甚至其他時代最偉大的科學家之一，他的聲音永遠是最大的，精力相當充沛，卻一直穿得像個新西蘭農民。后來，他把原子描述為一個微小、稠密、帶正電荷的核，稱為原子核，且此核包含了幾乎所有的質量。這個核子周圍環繞著帶負電荷的電子，其運行軌跡非常像行星圍繞著太陽旋轉，所以把它稱為“行星模型”。為了獲得這個模型，盧瑟福設立了“金箔實驗”。在蓋格的協助下，他從放射源發射一束粒子，對準薄薄的金箔，然后投射到周圍的硫化鋅屏幕上。當屏幕被散射的粒子擊中時，會顯示出一束微弱的閃光。經過一段時間的觀察和計數，蓋格建造了一個能探測輻射并計數每一次粒子撞擊的裝置——以他的名字命名的計數器。

其他科學家將盧瑟福的發現加以改進并完善，其中最著名的是丹麥物理學家、1922年諾貝爾獎獲得者玻爾。他1911年在湯姆遜門下學習，并于1912年加入了在曼徹斯特的盧瑟福團隊。

玻爾認為盧瑟福的原子模型存在一個問題：在現有的電磁學理論下，電子會失去能量，并螺旋形旋轉進入中心原子核，致使原子極不穩定。他在1915年解決了這個問題，通過采用普朗克的量子理論，并提出了類似于盧瑟福的行星模型。在他的這個模型中，電子根據它們的能量構成，在原子核周圍獲得穩定的離散軌道。

原子面紗被技術掀開

漸漸地，技術開始趕上求知欲。1970年8 月，美國芝加哥大學物理學家阿爾伯特·克魯曾通過電子顯微鏡產生第一張“分子結構內單個原子”的照片。他讓一束電子穿過一個標本（這里是鈾和氫），“電子的形態在示波器上顯示出來”，通過對這些電子進行檢測，從而獲得標本的結構。

科學家繼續深入研究原子并發現它的結構。2009年，烏克蘭哈爾科夫物理技術研究所的研究人員將一個只有幾十個原子長的剛性碳原子鏈置于真空室中，使用場發射電子顯微鏡，拍攝到了圍繞原子核的電子云的圖像，這是科學家們第一次能夠直接看到原子的內部結構，也證實了量子力學的預測：電子不是單點存在的，而是以一種被稱為軌道的云的形式圍繞著原子核擴散。

從電子和軌道的角度來看，英國牛津大學物理學家戴維·納德林格是第一個拍攝出單個原子照片的人。他建立了一個“離子陷阱”，并通過普通的數碼相機拍攝了一個被電場懸浮著的像帶正電的鍶原子。

2018年2 月，《發現》雜志報道寫到，納德林格“將原子置于兩種金屬電極產生電場中，使其幾乎一動不動，然后用藍紫色激光轟擊該原子。原子吸收該激光，并重新發出足夠的光粒子，于是他用普通設備將這個畫面拍下。因此，從技術上講，我們看到的是原子發出的光，而不是原子本身。”

目前，科學家們仍然致力于利用量子顯微鏡等工具深入研究原子。他們才剛剛理解了電子軌道的復雜性，原子還有許多秘密有待揭示……