原子是如何被發現的？從發現過程到核能利用（圖）

原子是如何被發現的？從發現過程到核能利用
2015年12月02日 08:58 新浪科技 微博



兩百多年來，科學家為了證實原子的存在、內部結構以及放射性特性，前赴後繼進行了大量的實驗研究。


可見光無法看到單個原子。可見光無法看到單個原子。


原子由更小的粒子組成。原子由更小的粒子組成
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　　新浪科技訊 北京時間12月2日消息，據國外媒體報道，原子是一種非常神奇的粒子，它擁有複雜的結構，自然而然會發生神奇的變化。整個世界都是由大量微小的原子組成，原子又是由中子、質子和電子組成。兩百多年來，科學家為了證實原子的存在、內部結構以及放射性特性，前赴後繼進行了大量的實驗研究。只有不斷深入了解原子結構及其變化，才能更好地了解利用核能，探測並控制核輻射。

　　原子非常小。物理學告訴人們，物質是由大量微小的原子組成，它們相互作用並構成了整個世界，但是原子用肉眼是無法看見的。對於許多人而言，僅知曉這一理論還不夠。科學的一大成就在於，能通過真實的觀測解開宇宙之謎。那麼，人們是如何得出原子存在的結論呢？對於這些微小結構，我們了解多少呢？

　　看起來證明原子存在的方法很簡單：將它們置於顯微鏡下進行觀測。然而，這個方法無法奏效。事實上，即使是最強大的聚光顯微鏡也無法看見單個原子。物體可見的原理在於它會反射可見光波，然而原子比可見光波長還小，以至於二者無法相互作用。換而言之，原子之於光是不可見的。但是，原子會對一些人們可以看見的物體產生可觀測的效應。

　　1785年，荷蘭科學家簡-英格豪斯對一個他無法理解的奇怪現象進行了研究：在實驗室中，一些微小的煤塵粒子在酒精表面四處亂飛。在大約五十年後的1827年，蘇格蘭生態學家羅伯特-布朗也描述了一些有驚人相似之處的現象。當他移動顯微鏡觀察花粉粒時，布朗注意到，一些花粉粒釋放出隨機四散開的微小粒子。一開始，布朗猜測這些粒子可能是某種未知的微生物。接著，他使用其它無機物質，如岩石塵埃，重複這一試驗，結果還是觀察到了同樣的奇怪運動。為了解開這一現象之謎，科學家耗費了一個多世紀。隨著愛因斯坦研究出一套數學公式，他實現了對這種名為「布朗運動」的特殊運動類型的預測。愛因斯坦的理論是：花粉粒產生的粒子之所以不停做無規則運動，是因為它們不斷與數百萬個更微小的水分子發生碰撞，而分子是由原子組成的。　　倫敦科學博物館館長哈里-克利夫解釋說：「愛因斯坦對這一運動的解釋是，這些塵埃粒子受到單個水分子的碰撞影響后產生了運動。」


裝有馬爾他十字形金屬的布魯斯放電管。裝有馬爾他十字形金屬的布魯斯放電管。

電流導致燈泡發光。電流導致燈泡發光。

　　到1908年，由計算驗證的觀測實驗確證了原子的真實存在。之後的十年間，物理學家進行了更深層次的研究。通過分離單個原子，科學家開始進一步了解原子的內部結構。令人驚奇的是，原子還可以被分離開來，因為「原子」一詞來源於希臘語「atomos」，意指「不可分」。不過，如今物理學家已經知道，原子不是一個堅固的小球，而是應該被看成微小帶電的「行星」系統，主要由三部分組成：質子、中子和電子。質子和中子在一起形成一個「太陽」，即原子核，周圍有像行星的電子環繞運動。如果原子小得不可想像，那些這些亞原子就更小了。有趣的是，在三個原子的組成部分中，最先發現的卻是最小的電子。核中的質子是電子的1830倍大，打個比方就像一個小鵝卵石繞行一個熱氣球。

　　然而，如何證明這些粒子存在呢？答案是，即使這些粒子很微小，但它們卻能產生巨大撞擊。1897年，英國物理學家湯姆森使用了一套特殊的奇妙方法證明了電子的存在。這種特殊裝置就是克魯斯電極管，這是一根形狀奇特有趣的玻璃管，裡面的空氣幾乎被一機器抽空。接著，在玻璃管的一端放入一個負電荷，足以去除管內氣體分子的電子。電子帶有負電荷，因此它們沿著玻璃管從一端流到另一端。由於內部真空，這些電子可在不受原子阻擋的情況下通過管道。電荷使得電子迅速運動，大約是每秒59500公里，一直撞到玻璃管的另一端，撞入擁有更多電子的原子中。更為神奇的是，這種微小粒子的碰撞產生了巨大能量，發出眩目的黃綠色光芒。克利夫稱：「這是某種形式的首個粒子加速器，它將電子從管的一端推向另一端時加速，當電子撞到另一端時就發出了這種磷光。」由於湯姆森發現可以藉助電磁場改變電子束的方向，因此他能夠確定這不是奇異的光線而是帶電粒子。



我們身邊的所有物質都是由原子組成。我們身邊的所有物質都是由原子組成。


原子力顯微鏡能向我們展示單個原子。原子力顯微鏡能向我們展示單個原子。
　　人們也許會好奇，這些電子是如何單獨繞原子作環繞運動的呢？答案是，電離作用。電離指的是原子或分子受到高能粒子的撞擊等作用而變成帶有正電荷或負電荷的離子。事實上，由於電子容易控制，因此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運動，即從一個銅原子移動到下一個銅原子上，從而將電荷從銅線一端帶到另一端。如此一來，原子不再是堅固的小物質塊，而是可以改進或者進行結構改變的系統。電子的發現意味著，關於原子人類還可以了解更多。湯姆森的研究顯示，電子帶負電，但是他知道原子本身是不帶電的。因此，他推理得出，原子一定帶有某些神奇的正電荷粒子，以抵消電子的負電荷。20世紀初，科學家進行了大量實驗確定了正電荷粒子，同時揭開了原子類似太陽系的內部結構。

　　歐內斯特-盧瑟福及其同事進行了一項實驗，他們將薄金屬箔置於帶正電荷的射線束之下，結果發現絕大多數射線都能正常穿過金屬箔。但是，令研究人員驚奇的是，一些射線卻被金屬箔反彈回去。盧瑟福推測其原因是，金屬箔中的原子必定含有一些帶正電荷的微小密集區域，除此之外沒有什麼可以如此強烈地反射射線。他發現了原子中的正電荷，並同時證明這些正電荷與離散的電子不同，它們是被綁在某個緊湊的物質之中。換而言之，盧瑟福證實了原子中存在一個密集的核。

　　然而，又出現了一個新問題。儘管科學家已能夠對原子質量進行估測，但是即便知道原子核中某個粒子的重量，有關它們都帶正電荷的想法也說不過去。克利夫解釋說：「碳原子有六個電子，因此原子核中也有六個質子，即六個正電荷和六個負電荷。但是碳原子核的重量不止是六個質子的重量，它有十二個質子那麼重。」早期有科學家認為，在原子核中還有另外六個粒子，它們與質子的質量一樣，卻不帶電荷：中子。然而，無人能對此進行論證。直到20世紀30年代，科學家才真正發現中子。劍橋大學物理學家詹姆斯-查德威克為質子的發現作出了不懈的努力，直到1932年才在這一領域取得突破性進展。在此之前，其他物理學家曾用射線進行實驗，他們在鈹原子上嘗試放射帶正電荷的射線，方法類似於盧瑟福發現原子核。鈹原子發射自身射線，這種射線既不帶正電也不帶負電，並且能夠穿透物質。在這一時期，另一些科學家已經發現伽瑪射線是中性且極具穿透性，因此科學家認為鈹原子發射的就是伽瑪射線。然而，查德威克對此深表懷疑。他發射了一些新型射線，並將射線瞄準富含質子的物質。出乎意料的是，這些質子如同被同樣質量的粒子撞擊，離開原物質飛入空中，而伽瑪射線是無法令質子發生偏離的。如此一來，查德威克意識到，一定存在某種與質子質量相同且不帶電的粒子——這就是中子。至此為止，有關原子的所有關鍵問題都已解決，但是故事還未完。

鈾原子能一分為二。鈾原子能一分為二。



　　儘管人們對原子的了解已大有進步，但是要對原子進行觀測仍非易事。1930年左右，無人能給原子進行直接成像。然而，許多人都想直接觀測到原子，以真正了解並接受它們的存在。諸如湯姆森、盧瑟福和查德威克等科學家曾使用的科研手段，對後世的原子研究具有重要借鑒作用，其中尤以湯姆斯研發的克魯斯電極管實驗最為有用。如今，許多電子束都是由電子顯微鏡發射的，最強大的顯微鏡能夠生成單個原子的圖像。由於電子束波長比光束波長短數千倍，因此電子波可受微小原子影響發生轉向從而生成圖像，而這是光束無法實現的。倫敦大學學院的尼爾-斯基帕指出，對研究特殊物質(如用來製作電車電池的物質)的原子結構的人而言，這種圖像非常有用。我們對原子結構了解的越深入，物質的設計製作就能越高效可靠。目前，科學家使用原子力顯微鏡來對原子結構進行研究，原子力顯微鏡是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化，從而獲取單個分子的圖像。利用這一方法，研究人員最新公布了一系列奇妙的化學反應前後的分子圖像。斯基帕補充說：「如今的許多原子研究都在探索，在高壓或高溫條件下，物質的結構會如何發生變化。許多人都知道，當一個物質被加熱，它通常會膨脹。如果加熱液體，你會發現原子擁有更為混亂的結構。這一切都可以直接從原子結構圖中看到。藉助查德威克在上世紀三十年代使用過的中子束，我們常做的實驗是，朝許多物質發射中子束，從散射圖樣中可以推斷原子核中散射出許多中子，從而計算出發生散射的物質的質量和大概體積。」


　　然而，原子並不是絲毫不動的，安靜穩定地等待檢驗。很多時候，原子會發生衰變，這意味著它們具有放射性。自然界中存在許多自然發生的放射性元素，它們在放射過程中產生能量，形成核能以及核彈。核物理學家的主要研究內容是，深入了解核反應時所發生的基本變化。利物浦大學的勞拉-哈克尼斯-布雷南是伽瑪射線的研究專家，她表示不同類型的放射性原子會產生不同的伽瑪射線形態，這意味著通過探測伽瑪射線能量就可以對原子進行辨別。布雷南解釋說：「藉助探測器我們可以測量射線的存在，以及射線儲存的能量，因為所有的原子核都有其特症指紋。」由於在射線探測區，特別是大型核反應區中存在各種不同的原子，因此精確了解存在哪些放射性同位素非常重要。科學家通常在核能廠，或者發生核災難的地區進行這種探測。目前，哈克尼斯-布雷南及其同事正致力於探測系統的研究，她表示：「我們要做的是研發科技裝備和手段，對一個三維空間進行成像，發現輻射的存在區域。」雲室是一種核輻射探測器，也是最早的帶電粒子徑跡探測器。它利用純凈的蒸氣絕熱膨脹，溫度降低達到過飽和狀態，這時帶電粒子射入，在經過的路徑產生離子，飽和氣以離子為核心凝結成小液滴，從而顯示出粒子的徑跡，可通過照相拍攝下來。這種探測手段的實驗結果的確令人驚嘆不已。哈克尼斯-布雷南用一句話很好地闡述了原子：「儘管原子非常小，我們卻能從中獲取非常多的物理學知識。」(彬彬)