第一章 物质最小单元之谜

§1.1 原子——从哲学概念到科学学说

公元前420年左右,古希腊思想家德谟克利特(Democri-tus) (见图1.1左图)提出了“原子” (atom)概念. 他认为,所有物质经过一定次数的分割之后就不能再进一步分割了, 而这些不能再进一步分割的基本单元即原子. 原子在希腊文中的意思是不可分割的微粒. 在其学说中, 不同的原子具有不同的形态和重量. 公元前 300 多年, 中国战国时代的哲学家惠施(惠子) (见图1.1右图)说: “至大无外,谓之大一;至小无内,谓之小一.”“大一”是说整个空间大到无所不包,不再有外部;“小一”是说物质最小的单元,小到不可再分割,不再有内部.他认为物质世界是由微小的不可再分割的物质所构成. 这个最小的单元,和德谟克利特称为原子的单元很类似.这些是人类从哲学概念认识自然界的最早的原子论,但是他们都没能说明原子或“最小的单元”具体是什么.

图1.1 左图: 德谟克利特;右图: 惠施

1803年,英国化学家道尔顿(J. Dalton) (见图1.2)提出了基本单元概念, 开创了科学的原子学说. 他认为原子是不能破坏的小质点, 每种元素都有一种特定的原子, 相同的原子胶合在一起, 结合成宏观物质. 一种元素之所以不同于另一种元素, 是因为原子的质量和性质不同, 即一种原子与另一种原子之间的最基本物理差别在于它们的质量(对应于后来的原子量). 两千多年来人们关于物质是由最小单元 ——原子构成的思想由哲学的推理,变成了科学的学说.

图1.2 道尔顿

1869年, 门捷列夫 (D. I. Mendeleev) (见图1.3) 设计了一个新的分类系统——元素周期表.该表按照元素的原子质量的次序排列, 并预言了三种新元素 ——锗、镓、钪. 人们很快发现了这三种新元素,从而奠定了元素周期表的实验基础. 当时人们并不知道元素为何会排成这样一个周期表.

1912年,玻尔(N. H. D. Bohr) (见图1.4)曾去英国卢瑟福实验室访问4个月,那时正是卢瑟福(E. Rutherford)发现原子中有一核心的激动人心的时刻.回到哥本哈根后,玻尔致力于原子模型研究. 1913年,他构造出了玻尔原子模型,指出原子里电子的排列样式决定了元素的性质. 玻尔认为, 经典电磁学不能用来描述原子内部的运动规律.他的原子模型基于量子论解释了元素周期律,推动了描述原子内部力学规律的理论——量子力学的诞生, 是物理学进入新时代的标志. 1922年, 玻尔获得诺贝尔物理学奖. 下一节将详细介绍玻尔原子模型.

玻尔是一位杰出的原子物理学家. 有趣的是, 他很喜爱运动,在青年时代还是丹麦一支球队的一个主要的后备守门员. 应吴有训邀请, 玻尔曾在1937年 5 月访问我国上海、南京、北京等地, 并做了多场学术报告. 玻尔的儿子 (A. N. Bohr)在哥本哈根良好的物理学氛围的熏陶下成长为一位杰出的原子核物理学家,并于1975年获得诺贝尔物理学奖. 玻尔父子是历史上少有的几对都获得了诺贝尔物理学奖的父子之一.