每日热议!“量子力学”的基础，是这么诞生的

2022-12-24 10:21:35 来源：科普中国

原子一词是古希腊人发明的，意思是“不可分割”。一些古希腊哲学家认为，万物都是由不可分割的原子组成的，不过因为古希腊的物理学只处于萌芽阶段，没有办法验证，所以这种观点只停留在哲学上。

18世纪末，化学家发现化学反应前后的质量是不变的，而且化学反应的时候参加反应的反应物比例也是不变的。比如说，铁和氧气反应如果得到红色粉末，那么一定是每100份铁对应42份氧。如果是黑色粉末，那就一定是100份铁对应28份氧。这说明，化学反应的时候存在某种看不见的基本单元，所有的反应都只能以这个基本单元的倍数进行。化学家约翰·道尔顿参考古希腊人的命名，把这个基本单元命名为“原子”，这就是科学原子论的诞生。

(资料图片仅供参考)

但是，现代意义上的原子也像古希腊人认为的那样不可分割吗？1897年，物理学家汤姆生制造出了一种带有电荷的射线。汤姆生认为这种射线不是电磁波，而是由某种微小颗粒组成的，他测量了这种颗粒的质量，发现它非常之轻，是最小的原子——氢原子的一千八百分之一。于是汤姆生认为，原子是可分的，这种带电的颗粒就是原子的组成元件。后人把它命名为电子。

电子带有负电荷，但原子是中性的。负电的电子如何组成中性的原子？当时就有物理学家认为，原子的结构就像太阳系一样，电子在外围环绕，正电荷位于中心，这就是所谓的原子的行星模型。但是汤姆生指出，和行星不同，电子是带电的，做圆周运动会释放出能量，导致原子不稳定。所以，他提出了另一个模型：原子是一团均匀的正电荷，其中点缀着单个的电子，就像面包里嵌着葡萄干一样，二者电荷抵消，让原子整体表现为电中性。

这个模型解释了原子的稳定性，在当时占据了压倒性的优势，但是在几年之后，就遇到了一个更大的困难。

汤姆生的学生欧内斯特·卢瑟福发现，放射性原子可以自发地放出射线，他把这些射线分成三类，其中第一类称为alpha射线。他认为alpha射线也是由微小颗粒组成的，想用和老师一样的办法测量颗粒的重量。可是他发现，这些颗粒撞到空气就会到处乱飞，导致无法准确测量。

汤姆生自己测量电子的时候遇到过这个问题，他的解决办法是抽真空。卢瑟福也用抽真空测出了颗粒的重量，但他发现这个颗粒非常重，是电子的几千倍。

这就奇怪了。电子很轻，撞在空气里的原子上被弹开可以理解。alpha射线如此之重，穿过葡萄干面包模型的原子应该不费吹灰之力才对，为什么反而会被弹开呢？看来，葡萄干面包模型存在某种严重的问题。

20世纪初的物理学家没有任何办法直接看到原子内部结构。但是，存在间接的办法，看看粒子打在原子上会发生什么，就是其中之一。空气里的原子布满整个空间，处处皆可反弹，结果一团乱麻，但如果改变实验条件，只允许反弹在指定的时间地点进行，就有可能解决这个谜题。

接下来卢瑟福进行了一系列的实验。他把金属压成很薄的层，放在真空环境里，再用alpha射线击打。结果发现，大部分的alpha射线直接穿了过去，少量发生了偏转，还有极少情况下发生了巨大的反弹，超过90度。

如何理解这个现象？假如原子是均匀的电荷，就不会出现相差这么大的结果。因此卢瑟福认为，原子里的正电荷不是像葡萄干面包模型那样摊开的，而是高度集中在原子内部的一小块区域，形成一个原子核。射来的alpha射线如果离核心很远，就直接穿过；如果正中核心，就会被大角度摊开。至于电子，则分布在外围。就这样，他用实验证明了，行星模型是对的。

虽然这个证据十分强力，足以彻底推翻葡萄干面包模型，但是它反过来也逼迫物理学家去面对行星模型原本的问题：电子环绕原子核应该是不稳定的，为什么实际上是稳定的呢？量子力学，就是在解决这个问题的过程中诞生的。如果没有卢瑟福，现代物理的半壁江山不知道会晚诞生多少年。

关键词：物理学家不可分割化学反应