尋找萬物的本源1：打開原子世界

今天文章有4篇，全是一個系列，希望大家別忘記看下面2、3、4條內容。

好了，正文開始：

之前我們聊到了拉瓦錫的「化學革命」和道爾頓的「原子論」，這使得化學正式成為一門科學，隨後門捷列夫的元素周期律橫空出世，解決了一直懸而未決的元素排序問題。但其實一直有個問題還沒有解決，無論是拉瓦錫，還是道爾頓，亦或是門捷列夫，他們都沒有真真切切地看到過原子。

那真的存在原子么？

這個問題放在現在其實並不難解決，你只要通過掃描隧道顯微鏡，就可以看到物質表面上單原子級別的起伏。不僅如此，你還可以在低溫下利用探針尖端精確操縱單個分子或原子。

不過，這麼高精尖的儀器是近幾十年才有。可200多年前的的科學家是如何操作呢？

1827年，英國的植物學家羅伯特·布朗就在顯微鏡下觀察到了水面上的花粉在不規則運動，這後來也被叫做布朗運動。1877年科學家德紹兒克思就提出，

花粉的運動是因為水中的水分子熱運動造成的。

到了1905年，愛因斯坦通過數學分析的方法證明了布朗運動。

布朗運動間接證明了分子，原子的存在。並且根據布朗運動，還能計算出原子的直徑大概為10^-8厘米。

原子到底長啥樣？

除此之外，科學家還對原子到底長成什麼樣子特別感興趣。只不過當時的科學家不知道，對於原子的研究竟然如此複雜和艱辛。

在這方面最先有成果的是物理學家約瑟夫·湯姆孫，在研究陰極射線時，不僅發現了電子，還發現電子是小於原子的存在，也就是說，徹底打破了一直以來「原子不可再分」的設想。

於是，約瑟夫·湯姆孫就開始思考原子的模型。我們可以來想像一下約瑟夫·湯姆孫當時手頭都知道哪些信息：

電子是負電的，小於原子的存在

原子是電中性

麥克斯韋電磁學理論

從這些信息中心，約瑟夫·湯姆孫最終構建了一個梅子布丁模型（也有叫棗糕模型、西瓜模型的）。在這個模型中，電子均勻鑲嵌在整個原子上面。

為了驗證老師的實驗，盧瑟福在1909年，開始做α粒子轟擊金箔的實驗。

α粒子就是氦核，有兩個質子和兩個中子構成，帶正電。盧瑟福就是拿氦核來當子彈去打金箔，然後記錄散射的情況。

在大量的試驗之後，盧瑟福發現有一部分的α粒子偏轉角度要遠遠小於老師約瑟夫·湯姆孫的預測值。大概每8000多個α粒子就會有一個α粒子的移動方向發生很大的角度偏差，其他的α粒子都是直接穿過去去，偏轉角度也就在2°到3°以內，甚至還有很多是沒有偏轉的。

於是，對於這樣的實驗結果，盧瑟福認為：

大部分的質量和正電荷是集中在一個很小的區域內的，這後來被叫做原子核。由於α粒子是帶正電的，所以接近原子核時會產生很強的排斥力，才會以大角度發生偏轉。

電子在這個區域之外，而不是鑲嵌上在這個區域上的。

這個小區域（原子核）的尺度很小，應該要小於10^-14米。

然後，盧瑟福也提出了自己的原子模型。在這個原子模型中，電子在外面飄著，原子核帶正電位於中心的位置，原子核的尺度很小很小，如果原子有個操場那麼大，那麼原子核也就是一隻螞蟻的大小。

但是盧瑟福的原子模型某種程度上來說，和約瑟夫·湯姆孫的原子模型結果是類似的。為什麼這麼說呢？因為根據麥克斯韋的電磁學理論，原子核外的電子在運動過程中會向外輻射電磁波，最終跌落到原子核中。所以，最後還是類似於梅子布丁模型。

為了解決這個問題，盧瑟福有個特別厲害的學生叫做波爾，他就一直致力於解決這個問題，後來有個朋友跟他提起了巴爾末的氫原子光譜，波爾一下子豁然開朗。

所謂的巴爾末的氫原子光譜，其實是說，巴爾末發現氫原子所發射的光譜線在可見光有4個波長，波爾就猜想，

這四條光譜線應該就是吸收光子能量的電子在進入受激態後，又返回量子數n=2的量子態時所釋放出來的譜線。

翻譯成人話就是，電子會吸收或者釋放出特定的能量。

於是，波爾提出了自己的原子模型。

在這個模型中，電子有自己軌道的能級軌道，電子會在軌道上躍遷，這個過程會吸收或者釋放出特定的能量。波爾用這樣辦法去試圖去解決電子會跌落到原子核的問題。

波爾的模型其實當時還是很受歡迎的，因為他的模型和太陽系特別像，物理學家特別熱衷於統一，把微觀和宏觀進行統一更是了不得的大事。可惜，好久不長。波爾的模型用在氫原子還好，一旦外層電子數一多，這個模型就不太好用了。

接下來出場的是波爾的學生：海森堡。他就覺得他的老師在鬼扯，什麼軌道，能級都是憑空假想出來的，物理學純粹一點不好么？

1926年，海森堡建立了量子矩陣力學，並且提出了著名的不確定性原理。相關的描述就是：

粒子的位置與動量不可能同時被確定，位置的不確定性越小，則動量的不確定性越大，反之亦然。

也有把不確定性原理翻譯成測不準原理，說的就是我們沒有辦法同時測量到粒子的位置和動量。

根據海森堡的不確定性原理，電子在原子核的位置就比較奇葩了，我們已經沒辦法用確定性的來描述電子準確的位置，我們只知道它出現在某個位置的概率是多少。所以，電子在原子核外的分布是概率雲的樣式。電子自己也不知道自己到底下一刻會出現在哪裡。

而根據海森堡不確定性原理推導而來的原子模型一直沿用至今，這也是目前科學界對於原子模型的主流看法。可以說，這是歷經了4代的師生，將近30年的時間，才最終完成了原子模型的建立。

不過，科學家雖然對原子模型有了了解，但是電子帶來的啟示：原子並非是不可再分。也讓科學家們開始思考，原子核或者電子是不是可以再繼續往下分？那究竟是不是可以繼續往下分呢？我們下期再繼續聊。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！