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人类是如何一步步了解原子的？

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文化
3年前
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自从原子被发现以来，几个世纪里，科学家和哲学家都对它进行了深入的研究。随着科技的进步，人类的观测能力变得越来越强，越来越微小的东西被看到，人们开始意识到还有很多东西要学习。

原子与虚空组成的世界

你知道“原子”一词最早是什么时候出现的吗？它是由希腊哲学家德谟克利特提出的，《斯坦福哲学百科全书》称他为“原子论者”。在原子论者看来，组成自然世界的是两种根本不同的现实——原子与虚空。

“原子”一词源自希腊形容词atomos（或atomon），它的意思是“不可分割、数量无限、大小各异、形状完美坚固且无内部间隙；除了自身所处位置的变化，它们本身是不变的，不可再生也不可摧毁”。

两千年后，英国化学家、气象学家和物理学家约翰·道尔顿（1766-1844年）提出了他的理论——也就是我们现在所说的“道尔顿原子论”，该理论与后来的科学发现（例如爱因斯坦的相对论和普朗克的量子理论等）有一定的联系。

道尔顿生于英格兰西北的一个贵格会职工家庭，他以一篇关于色盲的论文开始了他的学术生涯（他是世界上第一个提出色盲问题的人）。他本人是色盲，“色盲”现在也被称为“道尔顿症”。

道尔顿一生都对气象学感兴趣，痴迷于研究各种气体，这直接导致了他开始对原子论进行研究。他对氮、氢和氧等元素进行了测量并发现，不同元素的大小和质量各不相同。该发现纠正了原子论“原子都是一样的”这个观点，他的研究对当时的科学和哲学产生了极其深远的影响。1807年，在一次学术交流会中，他告诉同行，自己的研究成果将“给化学领域带来颠覆性的改变，会将化学变成一门极为简单的科学”。

初步建立原子模型

英国物理学家汤姆逊使我们对原子的结构有了新的了解。1906年，他获得了诺贝尔物理学奖。在他的学生中，有9位诺贝尔奖获得者。最著名的学生之一——物理学家欧内斯特·卢瑟福，首先提出放射性半衰期的概念，证实放射性涉及从一个元素到另一个元素的嬗变。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”，他荣获1908年诺贝尔化学奖。

在汤姆逊时代，科学家们仍然相信，原子作为物质最基本的构成要素，是宇宙中最小的粒子。但是，对原子认知的突破已经开始了——19世纪30年代，迈克尔·法拉第发现，原子与正电荷、负电荷有关，并提出新的概念，例如“离子”和“电极”等。1891年，爱尔兰物理学家乔治·约翰·斯通尼创造了“电子”一词，用来表示电荷的基本单位，认为这是一个电离原子拥有的最小的电荷单位。

在这一系列认知突破的基础上，汤姆逊意识到原子并不是不可分割的。在1897年的一次实验中，汤姆逊让阴极射线在电荷和磁荷的影响下通过一根管子，并测量了负电荷、正电荷和它们的质量等。他认为自己发现了原子的一个组成部分：带负电荷的电子，这是一种不同于以往任何已知粒子的粒子。

1904年，汤姆逊提出了一个新的原子结构模型——梅子布丁模型（又称葡萄干布丁模型），梅子布丁模型表明，原子是由电子悬浮于均匀分布的带正电物质里组成的，就如同梅子散布于布丁里一般。

探索原子内部

但几年之后的1911年，汤姆逊的模型就被他的学生欧内斯特·卢瑟福推翻了，卢瑟福提出了新的原子结构模型，这使得我们对原子的理解向前迈出了一大步。

在英国，卢瑟福与包括汉斯·盖格（以盖格计数器闻名）和尼尔斯·玻尔在内的团队成员一起工作，他们在英国曼彻斯特大学的实验室里进行实验。

有人说卢瑟福是他那个时代甚至其它时代最伟大的科学家之一，他的声音永远是最大的，精力相当充沛，却一直穿得像个新西兰农民。后来，他把原子描述为一个微小、稠密、带正电荷的核，称为原子核，且此核包含了几乎所有的质量。这个核子周围环绕着带负电荷的电子，其运行轨迹非常像行星围绕着太阳旋转，所以把它称为“行星模型”。

为了获得这个模型，卢瑟福设立了“金箔实验”。在盖格的协助下，他从放射源发射一束粒子，对准薄薄的金箔，然后投射到周围的硫化锌屏幕上。当屏幕被散射的粒子击中时，会显示出一束微弱的闪光。经过一段时间的观察和计数，盖格建造了一个能探测辐射并计数每一次粒子撞击的装置——以他的名字命名的计数器。

其他科学家将卢瑟福的发现加以改进并完善，其中最著名的是丹麦物理学家、1922年诺贝尔奖获得者玻尔。他1911年在汤姆逊门下学习，并于1912年加入了在曼彻斯特的卢瑟福团队。

玻尔认为卢瑟福的原子模型存在一个问题：在现有的电磁学理论下，电子会失去能量，并螺旋形旋转进入中心原子核，致使原子极不稳定。他在1915年解决了这个问题，通过采用普朗克的量子理论，并提出了类似于卢瑟福的行星模型。在他的这个模型中，电子根据它们的能量构成，在原子核周围获得稳定的离散轨道。

原子面纱被技术掀开

渐渐地，技术开始赶上求知欲。1970年8月，美国芝加哥大学物理学家阿尔伯特·克鲁曾通过电子显微镜产生第一张“分子结构内单个原子”的照片。他让一束电子穿过一个标本（这里是铀和氢），“电子的形态在示波器上显示出来”，通过对这些电子进行检测，从而获得标本的结构。

科学家继续深入研究原子并发现它的结构。2009年，乌克兰哈尔科夫物理技术研究所的研究人员将一个只有几十个原子长的刚性碳原子链置于真空室中，使用场发射电子显微镜，拍摄到了围绕原子核的电子云的图像，这是科学家们第一次能够直接看到原子的内部结构，也证实了量子力学的预测：电子不是单点存在的，而是以一种被称为轨道的云的形式围绕着原子核扩散。

从电子和轨道的角度来看，英国牛津大学物理学家戴维·纳德林格是第一个拍摄出单个原子照片的人。他建立了一个“离子陷阱”，并通过普通的数码相机拍摄了一个被电场悬浮着的像带正电的锶原子。

2018年2月，《发现》杂志报道写到，纳德林格“将原子置于两种金属电极产生电场中，使其几乎一动不动，然后用蓝紫色激光轰击该原子。原子吸收该激光，并重新发出足够的光粒子，于是他用普通设备将这个画面拍下。因此，从技术上讲，我们看到的是原子发出的光，而不是原子本身。”