原子的故事

2020-09-20

一块蛋糕,我们可以很容易地将它从中间一切为二,接着,再将剩下的两个小块切为更小的四块也不是难事,那么,我们可以不断重复这个步骤,将蛋糕一直切下去吗?是可以一直切下去,永远没有尽头,还是切到某个阶段,就会得到某种无法继续分割的最小单元?

很早以前的古代,哲学家们就思考过这个问题,他们为此争论不休,其中一些哲学家认为物质可以无限分割,不存在最小单位,还有一些则相信物质是由一切不可分割的基本结构组成的,当分割到这种结构时,物质便不能继续分割下去了。哲学家们将这种结构称为原子,顺便说一下,原子这个词在希腊语中的意思就是“不可切分的”。

关于原子的讨论,其实涉及到我们这个世界的一个非常本质的问题,即世界是连续的还是离散的?如果是连续的,那么自然便可以无限切分,如果是离散的,那么必然定存在一种最小的不可继续切分的基本结构。

不过,古人虽然很早就在思考这个问题,但限于当时科技的水平,却没法得到确定的结论,所有的争论基本都只能停留在抽象的哲学领域,一直到 18、19 世纪,随着化学的发展,人类才开始在科学研究中真正使用原子的概念。这个过程中贡献最大的是英国化学家约翰·道尔顿,正是他在 1808 年将原子论引入化学,才解释了很多化学现象和规律,大大地推动了化学的发展,从而开启了近代化学的新时代。可以说,没有原子论,就没有近代化学。顺便提一下,这位道尔顿,也是色盲症的发现者。

虽然原子理论被引入了化学,并取得了巨大的成功,但仍有人心存疑虑,因为还没有人在实验中真正观察到原子,也没有找到原子存在的证据。有不少科学家认为,所谓原子只是一个为了方便解释问题而造出来的概念,它们在真实世界也许并不存在,就像科学家们曾经用“燃素”来解释燃烧,用“热质”来解释热,但后来发现这些事物其实并不存在一样。

那么,原子到底是不是真实存在的呢?事实上人们早就已经发现了原子存在的证据,只是一直没有理解而已。早在 1827 年,苏格兰生态学家罗伯特·布朗发现了一个奇怪的现象:他用显微镜观察水中的花粉,发现花粉释放出了一些微小粒子,这些粒子会在水中随机运动。他又用灰尘等没有生命的物质来做实验,也观察到了同样的奇怪运动。

布朗运动示意 (by Lookang

人们对这种奇怪的运动百思不解,直到 1905 年,才由爱因斯坦解释明白。爱因斯坦将这种运动称为布朗运动,他指出,这些微粒之所以在不停地做无规则的运动,是因为它们不断地受到水分子的碰撞,这个现象是分子(以及原子)存在的直接证据。1908 年,法国物理学家贝兰用实验证明了爱因斯坦的理论,这便也证实了原子的存在。

所以,虽然两千多年前的哲学家就提出了原子的概念,但直到一百多年前,我们才真正确认了原子的存在。

我们现在所说的原子,是从道尔顿时代开始的概念,和古希腊哲学家所说的原子其实并不太一样。古希腊哲学家们所说的原子是不可切分的,在近代化学中,原子也的确是物质能保持其化学性质的最小的单位,但随着研究的进一步深入,人们就发现原子仍然可以进一步切分。不过此时再改名就麻烦了,于是原子这个名字便继续沿用了下来。

在原子的存在被确认之前,相信原子论的科学家们就已经开始研究原子的结构了。尤其是 1897 年,约瑟夫·汤姆孙从阴极射线里找到了电子存在的证据,人们便开始相信原子内部应该还有更复杂的结构,并建立了很多不同的模型或者假说。众多原子模型中,最有影响力的是梅子布丁模型和含核原子模型。

左:梅子布丁模型;右:含核原子模型(by Johannes Schneider)

梅子布丁模型是汤姆孙提出来的,他认为原子就像一个梅子布丁蛋糕,带负电的电子就像梅子一样,散布在带正电的布丁蛋糕里。这个理论不久之后,就被更符合实验结果的含核原子模型取代了。

含核原子模型的提出者是新西兰物理学家欧内斯特·卢瑟福,他通过实验,发现原子中的大多数的质量都集中在一个很小的区域(原子核)上,而电子则在外面绕着原子核运动。

在原子核模型中,原子内部非常空旷,因为原子核只占原子体积的几千亿分之一,但它却集中了约 99.95% 以上的原子质量,即某种程度上来说,原子的内部基本是空的,具体有多空呢,有人计算过,如果把地球上所有人集中在一起,再将组成人类身体的原子中的空隙都去掉,那么全人类的体积用一个汤匙就能装下。

现在我们知道原子是真实存在的了,那么,原子有多大呢?

其实很多时候原子并没有一个精确的大小,不过多数情况下,我们认为原子的尺寸在 30 至 300 皮米之间。这是一个非常小的数字,打个比方,如果把一个原子放大到一粒弹珠那么大,那么你的拳头就会有差不多地球那么大。

上面我们提到,原子内部还有复杂的结构,原子通常由电子、质子和中子组成的,其中电子带负电,质子带正电,中子不带电,质子和中子组成原子核,电子则以电子云的形式分布在原子核周围。不同的电子、质子、中子是无法区分的,或者说在物理性质上是完全相同的,即这个电子和那个电子,无论用什么方法进行测试,它们的表现都是一致的,这一点和宏观世界常见的物体不太一样,比如宏观世界中,这片树叶和那片树叶,无论多么相像,都总会有一些差异。

那么,电子、质子、中子和电子还能继续分割吗?现代科学的答案是肯定的,比如质子和中子都由名叫夸克的基本粒子组成。那么夸克是不是仍然可以继续分割呢?按目前多数科学家认同的理论,夸克应该是无法再继续分割了。当然,现在的理论中仍然有很多不够完善的地方,将来如果再有什么新发现也不是什么奇怪的事。

不同的元素通常由不同的原子组成,比如组成金子的原子和组成铁的原子就是不同的,具体有什么不同呢?其实就是它们所包含的质子数以及电子数不同。宇宙中最简单的原子是氢原子,它的原子核只包含一个质子,对应的也只有一个电子,但是像组成金子的金原子,则包含 79 个质子以及 79 个电子。我们所熟悉的化学元素周期表每个格子上都有一个序号,这个序号就代表着对应元素所包含的质子(以及电子)的数量。正是因为不同元素的原子包含不同的质子、电子,它们才会表现出不同的物理、化学性质,从而组成了我们这个绚丽多彩的世界。

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分类: 小故事 标签: 科普
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