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第六章 下降的阶梯

一、古希腊人的观念

人们在分析各种物体的性质时,总是先从“不大不小”的熟悉

物体入手,然后一步步进入其内部结构,以寻求人眼所看不到的物

质性质的最终源泉。现在,就让我们来分析一下端到餐桌上来的蛤

蜊杂烩。这倒不是由于这道菜味道鲜美、营养丰富,而是由于它可

以做为混合物的一个恰当的例子。用肉眼就可以看出,它是由好多

种不同成分混杂在一起的:蛤蜊片,洋葱瓣,番茄块,芹菜段,土

豆丁,胡椒粒,肥肉末,还有盐和水,一古脑儿搅在一起。

日常生活中我们所见到的大部分物质,特别是有机物,一般

都是混合物,尽管往往要用显微镜才能确认。比如,用低倍放大镜

就能看出,牛奶是由均匀的白色液体和悬浮在其中的小滴奶油所

组成的乳状液。

在显微镜下可以看到,土壤是一种精细的混合物,其中含有

石灰石、黏土、石英、铁的氧化物、其他矿物质、盐类以及各种动

植物体腐烂而成的有机物质,如果把一块普通的花岗岩表面打磨

光,就立即可以看出,这块石头是由三种不同物质(石英、长石

和云母)的小晶粒牢固结合在一起组成的。

在我们对物质的细微结构进行研究的这座下降的阶梯上,混

合物只是第一位,或者说是楼梯口。紧接着,我们可以对混合物中

每一种纯净物质的成分进行研究。对于真正的纯净物质,如一段

铜丝、一杯水或室内的空气&*(悬浮的灰尘不算在内),用显微镜


* 作者这里有一个疏忽。空气并不是纯净物质,而是氮气、氧气等多种气体的混合

物。——译者

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观察时看不出有任何不同组成的迹象,它们好像是完全一致的。

的确,铜线等所有真正的固体(玻璃之类的非结晶体除外)在高

倍放大下都显示出所谓微晶结构。在纯净物质中,我们看到的所

有晶体都是同一种类型的——铜丝中都是铜晶体,铝锅上都是铝

晶体,食盐里只能看到氯化钠晶体。使用一种专门技术(慢结

晶),我们可以把食盐、铜、铝或随便哪一种纯净物质的体积任意

增大,而在这样得到的“单晶”中,每一小块都和其他部分一样

均匀,正如水或玻璃一样。

靠肉眼所见,或者凭借最好的显微镜所示,我们能否假设这

些均匀的物质无论被放大多少倍都不变样呢?换句话说,能否相

信一块铜、一粒盐、一滴水无论减成多么少,它们所具有的性质也

不会改变呢?它们是否永远能分割为具有同样性质的更小部分?

第一个提出并试图解答这个问题的人,是约 2300 年前生活在雅

典的希腊哲学家德谟克利特(Democritus)。他的答案是否定的。他

更倾向于认为,任何一种东西,不管看起来多么均匀,总是由大量

(究竟大到什么程度,他可不晓得)很小的(到底小到什么程度,他

也不清楚)粒子组成的。他把这种粒子叫做“原子”,意思就是

“不可分割者”。各种物质中原子的数目不同,但各种物质性质的不

同只是表观的,而不是实在的。火的原子和水的原子是一样的,只

是表现不同而已。所有的物质都是由同样的固定不变的原子所组成。

与德谟克利特同时代的人恩培多克勒(Empedocles)则持有不

同的观点。他认为有若干种不同的原子,它们按不同比例渗杂起

来,就构成了各种物质。

恩培多克勒基于当时处于萌芽阶段的化学知识,提出了四种原

子,以对应当时被认为是最基本的四种物质:土,水,空气和火。

按照这套论点,土壤是由紧排在一起的土原子和水原子组成

的;排列得越好,土质就越好。生长在土壤里的植物把土原子和水

原子与太阳光中的火原子结合,形成木头的分子。当水逸去后,木

头就成了干柴。燃烧干柴,就把木头分成原来的火原子和土原子;

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火原子从火焰里跑掉,土原子留下来就是灰烬。

用这种说法来解释植物的生长和木头的燃烧,在科学处于婴

儿阶段的时期,倒显得颇为合乎逻辑。不过,这种解释确实是错

的。我们现在知道,植物生长所需要的大部分物质,并不像古代人

或许多现代人——如果没有人讲给他们听的话——所认为的那样

来自土壤,而是来自空气。土壤除作为支承物和保存植物所需水

分的水库外,只提供一小部分供生长用的盐类。要想培养出一株

大玉米,只要有顶针那么大的一块土壤就够了。

实际情况是这样的:空气是氮气和氧气的混合物(不像古人

所想像的那样是一种简单的元素),另外还含有一定数量由氧原子

和碳原子所组成的二氧化碳分子。在阳光的作用下,植物的绿叶

吸收了大气中的二氧化碳;二氧化碳与根系提供的水分反应,生

成各种物质,以构成植物本身。生成物中还有氧气,其中一部分氧

气回到大气中,这就是“屋里养花草,空气变得好”的原因。

当木头燃烧时,木头分子再和空气中的氧结合,重新变成二

氧化碳和水蒸气从火焰中散出。

至于“火原子”这种曾被古人认为能够进入植物的物质结构

之中的东西,实际上并不存在。太阳光只提供能量,以破坏二氧化

碳分子,形成供生成植物消化的气体养料。而且,既然火原子不存

在,火焰也就显然不是火原子的“逸散”,而是一股炽热的气体物

质,由于在燃烧过程中释放能量而变为可见之物。

我们再用一个例子说明对化学变化的看法在古代和现代的这

种不同。你一定知道,各种金属是由不同的矿石在鼓风炉的高温

中熔炼出来的。各种矿石粗看起来往往和普通石头差不多,因此,

难怪古代科学家们认为矿石也和其他石头一样,是由同一种土原

子组成的。当把一块铁矿石放在烈火中时,就得到与普通石头完

全不同的东西——一种有光泽的坚硬物质,可用来制造好的刀子

和矛头。他们对此所做的最简单的解释,是说金属是土与火结合

而成的。换句话说,土原子与火原子结合成金属分子。

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为了将这个概念应用于所有金属,他们解释说:不同性质的

金属,如铁、铜、金,是由不同比例的土原子与火原子组成的。闪

闪发光的黄金比暗黑的铁含有更多的火,这不是很明显的吗!

不过,如果真是这样的话。为什么不往铁里再加些火,或干脆

不如往铜里加火,让它们变成贵重的黄金呢?中世纪那些讲求实

际的炼金术士们想到了这一点,力图把贱金属变成“人造黄金”,

结果,他们在烟气缭绕的炉火旁不知耗去了多少年华。

从他们的观点来看,他们所做的事情就和现代化学家在发明

一种生产人造橡胶方法时所做的事情一样有道理。他们的理论与

实践的虚妄之处,在于他们认为黄金和其他金属不是基本物质,

而是合成物质。可是把话说回来,如果不通过尝试,又怎能知道哪

种东西是基本的还是合成的呢?如果没有这些先驱化学家们进行

化铁铜为金银的徒劳尝试,我们可能永远不会晓得金属是基本的

化学物质,而含金属的矿石是金属原子和氧原子结合成的化合物

(化学上如今称为金属氧化物)。

铁矿石在鼓风炉的呼呼火焰中变成了金属铁,这并不是古代

炼金术士们所认为的不同原子(土原子和火原子)的结合,恰恰

相反,这是不同原子分开(即从铁的氧化物分子中取走氧原子)

的结果。铁器在潮--湿--空气中表面生成的锈,也并不是铁在分解过

程中失去火原子后剩下来的土原子,而是铁原子与水或空气中的

氧原子结合成铁的氧化物分子&①。


① 炼金术士们是用下面的式子表示铁矿石的变化过程的

土原子+火原子—→铁分子,

(矿石)

铁的生锈则表示为:

铁分子—→土原子+火原子。

(锈)

我们则是这样写这两个过程的:

铁的氧化物分子—→铁原子+氧原子

(铁矿石)

和 铁原子+氧原子—→铁的氧化物分子。

(锈)

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从上面的讨论,我们可以清楚地看出,古代科学家们关于物

质的内部结构以及化学变化的本质的概念,基本上是正确的,他

们的错误出在没能认准哪些东西是基本物质。事实上,恩培多克

勒所列出的四种物质没有一种是基本的:空气是几种不同气体的

混合物,水分子是由氢、氧两种原子组成的,土的组成很复杂,包

含有许许多多不同的成分,最后,火原子根本就不存在&①。

实际情况是这样的:自然界中有 92 种不同的化学元素&*,也

就是 92 种原子,而不是四种。其中如氧、碳、铁、硅(大部分岩

石的主要成分)等元素大量地在地球上存在,并为人们所熟悉;

另一些则很稀少,如镨、镝、镧之类,你可能从来还没有听说过

哩。除这些天然元素之外,现代科学还人工制成了一些全新的化

学元素,我们在本书后面还要谈到它们。其中有一种叫做钚,它注

定了要在原子能的释放上起重要作用(不管是用于战争或和平利

用)。这 92 种基本原子以不同比例相结合,就组成了无穷无尽的

各种复杂的化学物质,例如黄油和奶油,骨头和木头,食油和石

油,草药和炸药,等等,等等。有一些化合物名字又长又难念,恐

怕很多人连听也没有听说过,但化学家们则必须熟知它们。目前,

有关原子间无穷尽的组合情况、化合物的制备方法及性质的化学

手册,正在一卷接一卷地问世呢。

二、原子有多大?

德谟克利特和恩培多克勒在讲到原子的存在时,已经模模糊

糊地意识到,从哲学观点来看,物质是不可能无限制地分割下去

的。它们早晚总要达到一个不能再分的基本单元。

现代的化学家在提到原子时,就要明确得多了。因为要理解

化学的基本定律,就绝对需要了解有关基本的原子和它们在复杂


① 在本章后面可以看到,火原子的概念在光量子理论中得到了部分的恢复。

* 2001 年国际原子量表中公布的人类已探明的元素数量达 115 种,其中自然元素 94

种,人造元素 21 种。

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分子中组合的性质。按照化学的基本定律。不同的元素只按严格

的质量比例结合,这个比例显然就反映了这些元素的原子间的质

量关系。因此,化学家们得出结论说,氧原子、铝原子、铁原子的

质量分别为氢原子质量的 16 倍、27 倍和 56 倍。但是,原子的真

正质量是多少克,人们并不清楚。不过,各种原子的相对原子质量

(即原子量)是化学中最基本的数据,而真正的质量有多少克这一

点,倒根本不会影响到化学定律和化学方法的内容和应用,因此

在化学上是无足轻重的。

然而,物理学家在研究原子时,他首先就要问:原子的真实大

小有多少厘米?它重多少克?在一定量的物质中含有多少分子或

原子?有没有什么办法来观察、计数和操纵单个分子和原子?

估算原子和分子的大小的方法有许多种,最简单的一种非常

容易进行,如果德谟克利特和恩培多克勒当时想到这个方法,也

能把它付诸实现,根本用不着现代化的实验仪器。既然一种物质,

譬如铜。它的最小组成单位是原子,那就显然不能把它弄得比一

个原子的直径还薄。因此,我们可以试着把铜拉长,直到它成为一

根由单个原子组成的长链;或者把它锻扁,成为只有一层原子的

铜箔。不过,用这样的办法加工铜或其他固体简直是无法实现的,

它们一定会在中途断裂。但把液体,如水面上的一层薄油膜,展成

一张单原子“地毯”却是很容易的。在这种情况下,分子“个体”

和“个体”之间只在水平方向相连,而不能在竖直方向相叠。读

者们只要耐心加小心,自己就能够做这项实验,测出几个简单的

数据,求出油分子的大小来。

取一个浅而长的容器(图 43),把它完全水平地放在桌子上或

地板上。往里加水直到边缘;容器上横搭一根金属线,让它和水面

相接触。若向金属线的任意一侧加入一小滴某种纯油,油就会布

满金属线那一侧的整个水面。现在沿容器边缘向另一侧移动金属

线,油层就会随线的移动而越散越薄,直到变成厚度等于单个油

分子直径的一层。在这以后,如果再移动金属线,这层完整的油膜

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就会破裂,露出底下的水来。已知滴入的油量,再得出油膜不至破

裂的最大面积,单个油分子的直径就很容易算出来了。


图 43 水面上的薄油膜在伸展到一定程度后就会裂开

做这项实验时,你会注意到另外一个有趣的现象。当把油滴

在水面上的时候,你首先会看到油面上的虹彩。你大概很熟悉这

种虹彩,因为在港口附近的水面上经常可见到它。这是光线在油

层上下两个界面上的反射光互相干涉的结果;不同的颜色是由于

油层在扩散过程中各处厚度不均匀所造成的。如果你多等一会儿,

让油层铺匀,整个油面就只有一种颜色了。随着油层的变薄,颜色

逐渐由红变黄,由黄到绿,由绿转蓝,再由蓝至紫,与光线波长的

减小相一致。再伸展下去,油面的颜色就完全消失了。这不是因为

油层不存在,而是油层的厚度已比可见光中最短的波长还要小,

它的颜色已超出我们的视阈。不过,油面和水面还是能够分清的,

因为从这层极薄液体的上下表面所反射的光互相干涉的结果,光

的强度会减小,所以,即便色彩消失了,油面还是因为显得较为

“昏暗”,可以与水面区分开来。

实际进行一下这项实验,你将发现,1 立方毫米的油可以覆盖

大约 1 平方米的水面:再把油膜进一步拉开,就要露出-水面了&①。


① 那么,油膜在破裂前能有多大的厚度呢?设想有一个边长 1 毫米的立方体,里面装

上油(1 立方毫米),那么油面有 1 平方毫米。为了把 1 立方毫米的油摊开在 1 平方米的面

积上,原来 1 平方毫米的油面必须扩大 100 万倍(从 1 平方毫米到 1 平方米)。因此,原立

方体的高度也须减少 100 万倍,以保持体积不变。这就是油膜厚度的极限,即油分子的真实

大小。这个数值为 0.1 厘米×10-6=10-7 厘米=1 纳米。由于一个油分子中包含有若干个原

子,所以原子还要小一些。

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第六章 下降的阶梯


三、分 子 束

还有一个能演示物质具有分子结构的有趣方法。这个方法可

以在研究气体或蒸汽通过小孔涌向四周真空时实现。

拿一个陶土制的小圆筒,一端钻有一个小洞,外侧绕上电阻

丝,这就做成了一个小电炉。现在,把这个电炉放进一个高真空的

大玻璃泡里。如果在圆筒里放入一些低熔点金属。如钠或钾,那里

面就会充满金属蒸气;它们会从小洞钻出来。一旦撞到冷的玻璃

壁上,就会附着在上面。观察玻璃壁上各处所形成的镜子一样的

金属薄膜的情况,就可以清楚地看出物质从电炉里跑出来以后的

运动状况。

再进一步研究,我们还会看到,在炉温不同的情况下,泡壁上

金属膜的样子也不同。当炉温很高时,内部的金属蒸气密度很大,

所见到的现象很像通常所见到的从蒸汽机或茶壶里逸出的水蒸气,

这时从小洞里出来的金属蒸气向各个方向扩散(图 44a),充满了

整个玻璃泡,并基本上均匀地沉积在整个内壁上。

但在温度较低时,炉内的蒸气密度也较低,这时,现象就完全

两样了。从小洞里逸出的物质不再向四面八方扩散,绝大部分都

沉积在对着电炉开口的玻璃壁上,好像它们是沿着直线前进的。

如果在开口的前面放一个小物体(图 44b),现象就更加明显了;

物体后面的玻璃壁上不会形成沉积,这块空白的轮廓会和障碍物

形状完全一样。

如果我们认识到,金属蒸气就是在空间各个方向上互相冲撞

着的大量分离的分子,那么,蒸气密度大小不同时所发生的差异

就很好理解了。当密度大时,从小开口冲出的气流就像从失火剧

场的门内挤出来的一股疯狂的人流,它们在门口外的大街上四散

跑开时还在互相冲撞着;另一方面,密度小时的气流相当于从门

里一次只出来一个人的情况。因此,它们能够走直路,而不会互相

妨碍。

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图 44

这种从炉内小口排出的低密度物质流称为“分子束”,是由大

量紧挨在一起共同飞越空间的独立原子组成的。这种分子束对研

究单个分子的性质非常有用。例如,它可用来测量热运动的速度。

研究这种分子束速度的装置是美国物理学家斯特恩(Otto

Stern)最先发明的,它简直和斐佐测定光速的仪器一样(见图

31)。它包括同轴的两个齿轮,只有以某种速度旋转时才能让分子

束通过(图 45)。斯特恩用一片隔板来接受一束很细的分子束,从

而得知分子运动的速度一般都是很大的(钠原子在 200℃时为每秒

1.5 公里),并随气体温度的升高而加大,这就直接证明了热的动

理说。按照这种理论,物体热量的增加正好就是物体分子无规运


图 45

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动的加剧。

四、原子摄影术

上面这个例子几乎不容置疑地证实了原子假说的正确性。不

过,到底是“眼见为实”才好。因此,最确凿的证据莫过于用眼

睛看到分子和原子这些小单位了。这已由英国物理学家布拉格

(William Lawrence Bragg)在不久前用他所发展的晶体-内分子和原

子摄像法实现了。

不要以为给原子拍照是件容易的事,因为在给这么小的物体

照相时,如果所用的照明光线的波长比被拍摄物体的尺寸大,照

片就会模糊得一塌糊涂。你总不能用刷墙的排笔来画工笔画吧!

和微小的显微组织打过交道的生物学家都很明白这种困难,因为

细菌的大小(约 0.000 1 厘米)和可见光的波长相仿。如果要使细

菌呈现出清晰的像,就得用紫外线给细菌摄影,才能获得较好的

结 果 。 但 是 分 子 的 尺 寸 及 其 在 晶 格 中 的 间 隔 是 如 此 之 小

(0.000 000 01 厘米),无论是可见光还是紫外线都无法充当画具。

如果想要看到单个原子,非用波长比可见光短几千倍的射线——X

光——不可。但这么一来,又会遇到一个似乎无法克服的困难:X

光可以穿透物体而不发生折射,因此,无论是放大镜还是显微镜,

都不会使 X 光聚焦。这种性质再加上 X 光的强大穿透力,在医学

上当然是很有用的,因为 X 光如果在穿透人体时发生折射,就会

把 X 光底片弄成一片模糊。但就是这个性质,似乎又排除了得到

任何一张放大的 X 光照片的可能性!

乍一看,似乎形势甚为无望。可是布拉格想出了一个解决困

难的巧妙办法。这个办法是建立在阿贝&*(Ernst Abbé)所提出的

显微镜的数学理论上的。阿贝认为,显微镜所成的像可以看作是

大量单独图样的叠加,而这每一个单独图样又是一幅在视场内成


* 阿贝(1840~1905 年),德国科学家。——译者

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一定角度的平行暗带。从图 46 所给出的一个简单例子可以看出,

一个位于黑暗背景中央的明亮椭圆可以由四个单独的暗带图样叠

加而成。


图 46

按照阿贝的理论,显微镜的聚焦过程可以分为三个步骤:

①把原图像分解成大量的单独暗带图样;②把每一个图样分别放

大;③把得到的图样叠加在一起,以获得放大了的图像。

这个过程与用几块单色板印制彩色图片的方法很有些类似。

单独看每一块单色板时,可能看不出上面究竟是些什么东西,但

如果正确地叠印出来,整幅画面就呈现出来了,既清楚,又明确。

能够自动完成上述三个步骤的 X 光透镜是没有的,这就使我

们不得不分步来进行:先从各个不同角度对晶体拍摄大量单独的 X

光暗带图样,然后再正确地叠印在同一张感光片上。这就和有 X

光透镜是一样的;只不过用透镜只须一瞬间就能做到的,现在却

得由一位熟练的实验人员忙上若干小时。正因为如此,布拉格的

方法只能用来拍摄晶体的照片,不能拍摄液体和气体的照片。因

为晶体的分子总是呆在原地,而液体和气体的分子却在不停地狂

乱奔腾。

应用布拉格的方法,虽然不能“咔嚓”一下就得到照片,但

合成的照片却也同样完美。这就好像在由于技术原因而不能在一

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第六章 下降的阶梯


张底片上摄下整座大教堂时,不会有人反对用几张胶片来分拍一

样。

后面的图版 I 就是这样得到的一张 X 光照片,拍的是六甲苯。

化学家是这样写它的:


H

H


H— C —H H— C —H


H

C

C

H


H—C — C

C —C —H


C

C


H

H


H— C —H H—C —H


H

H

由六个碳原子构成的碳环,以及与它们连接的另外六个碳原

子都在照片上清楚地显现出来了。较轻的氢原子感光微弱,几乎

看不出来。

哪怕是最最多疑的人,在亲眼看到这样的照片以后,也该会

同意分子和原子确确实实是存在的了吧!

五、把原子劈开

德谟克利特给原子起的名称,在希腊文中有“不可再分者”

的意思,就是说,这些微粒是对物质进行分割的最终界限,或者

说,原子是组成物体的最小、最简单的组成部分。经过几千年,

“原子”这个以往的哲学概念现在已经有了精确的科学内容,它已

被大量的实验证据所充实,成了有血有肉的实体。与此同时,原子

是不可分的这个概念仍然始终存在着。过去人们设想,不同元素

的原子之所以具有不同的性质,是因为各种原子的几何形状不同

的缘故。例如,人们曾经认为,氢原子是球形的,钠原子和钾原子

是长椭球形的;另一方面,氧原子的形状被设想成面包圈形的,不

过,中心的那个洞几乎被封死了。这样,在氧原子两边的洞里各放

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进一个球形的氢原子,就会生成一个水分子(H2O)。至于钠或钾

能置换出-水分子中的氧,则被解释为钠和钾的椭球形原子能比球

形的氢原子能更好地纳入面包圈状氧原子的中心洞(图 47)。


图 47 图中右下角签名是:里德伯,1885 年

从这种观点出发,不同元素所发射的不同光谱,被归因为不

同形状的原子有不同的振动频率。基于这种想法,物理学家们力

图按照用实验测定的各元素的光谱频率来确定各种原子的形状,

如同人们在声学中解释小提琴、乐钟、萨克斯管的不同音色一样。

但是,这种尝试根本没有成功。以原子的几何形状来解释各

种原子的物理、化学性质的做法,没有获得任何有意义的进展。直

到人们意识到原子并不是几何形状不同的简单物体,而且恰恰相

反,是由许多独立的运动部分组成的复杂结构后,才真正迈出了

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理解原子性质的第一步。


图 48 图中右下角的签名是:汤姆孙,1904 年

在原子的精细躯体上切了第一刀的荣誉属于著名英国物理学家

汤姆孙(Joseph John Thomson)。他指出,各种元素的原子都包

含有带正电和带负电的部分,它们靠电吸引力结合在一起。汤姆

孙设想,原子是由大体上均匀分布着正电的一个正电体以及在它

们内部浮动的大量带负电的微粒组成(图 48)。带负电微粒(汤姆

孙称之为电子)的电荷总数与正电体的电荷数相等,因此,原子

在总体上不呈现电性。不过,按照他的假设,原子对电子的束缚并

不十分紧,因此,可能会有一个或几个电子分离出去,剩下一个带

正电的部分,称为正离子;同样,有的原子会从外部得到几个额外

的电子,因而有了多余的负电荷,称为负离子。原子得到或失去电

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子的过程叫做电离。根据法拉第&*(Michael Faraday)经典著作中

的论证,原子所带的电荷一定是 5.77×10-10 静电单位这个电量的

整数倍。汤姆孙的论点建立在法拉第的理论之上,同时又前进了

一步。他发明了从原子中得到电子的方法,并对高速飞行的自由

电子束进行了研究,从而确立了这些电子是一个个粒子的观点。

汤姆孙对自由电子束进行研究所取得的一个特别重要的成果,

就是测出了电子的质量。他让一个强电场从某种物体(如热的电

炉丝)中拉出一束电子,使这束电子在一个充电电容器的两块极

板间通过(图 49),由于电子带着负电——说得更确切些,电子本

身就是负电体——电子束就会被正极板吸引,被负极板排斥,从

而偏离了原来的直线路径。


图 49

在电容器后面放上一个荧光屏,电子束打在上面,就很容易

看出偏离来。知道了电子的电量、偏离距离和电场强度,就能够计

算出电子的质量。汤姆孙求得了它的数值。它确实非常小,只有氢

原子质量的 1/1840。这就证明,原子的主要质量集中在带正电的

部分。

汤姆孙关于在原子内存在运动着的负电子群这个观点是相当

正确的,但他又认为原子是大体上均匀分布着正电的物体,这可

与实际情况差得太远了。卢瑟福&**(Ernest Rutherfard)在 1911 年


* 法拉第(1791~1867 年),英国著名实验物理学家和化学家,在电学上有许多重要贡

献。——译者

** 卢瑟福(1871~1937 年),英国物理学家。——译者

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证明,原子的正电荷和大部分质量集中在位于中心的一个极小的

原子核内。这个结论出自他的&α粒子在穿过物体时发生散射的著

名实验。&α粒子是某些不稳定元素(铀、镭之类)的原子自行衰

变时所放出的微小的高速粒子,经证实,它的质量与原子的质量

相仿,又带有正电,因此一定是原来原子中带正电部分的碎块。当

α&粒子穿过某种物质靶的原子时,要受到原子中电子的吸引力和正

电部分的排斥力的作用。可是电子是很轻的,它们对入射&α&粒子

的影响不会比一群蚊子对一只受惊大象的影响更大。另一方面,

入射的带正电的&α&粒子受到极为靠近它的原子中那质量很大的正

电体的斥力,会使粒子偏离正常路径向各个方向散射。

可是,在研究一束&α&粒子穿过薄铝膜的散射时,卢瑟福得到

了令人惊讶的结论说,只有假设入射&α&粒子与原子的正电部分的

距离小于原子直径的千分之一。才能对观察到的现象做出解释;

而这又只有在入射&α&粒子和原子的正电部分统统比原子本身小上

千倍时才能说得通。因此,卢瑟福的发现推翻了汤姆逊的原子模

型,把汤姆孙那一大块正电体变成一小团位于原子正当中的原子

核,而那群电子则留在外边。这样一来,原子像西瓜、电子像瓜子

的看法,便被原子像缩小的太阳系——其中原子核是太阳,电子

是行星——的看法所取代了(图 50)。

原子和太阳系的这种相似性还由下述事实更进一步加强了:

原子核占整个原子质量的 99.97%,太阳占整个太阳系质量的

99.87%。电子间的距离与电子直径之比也与行星间距离与行星直

径之比相近(达数千倍)。

然而,最重要的相似之点在于,原子核与电子间的电吸引力

也好,太阳与行星间的万有引力也好,都遵从平方反比规律&①。在

这种类型的力的作用下,电子绕原子核描绘出圆形或椭圆形的轨

道,如同太阳系中各行星和彗星的情况一样。


① 即力的大小与两物体距离的平方成反比。

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图 50 图中左下角的签名是:卢瑟福,1911 年

根据上述这些有关原子内部结构的论点,各种化学元素原子

的不同,应归结为绕原子核运转的电子数目的不同。由于原子作

为整体是中性的,绕核的电子数一定是由原子核本身的正电荷数

这个基本数字所决定。至于这个基本数字,又可以根据散射实验

中&α粒子在原子核的电作用力影响下偏转的路径直接计算出来。

卢瑟福发现,在化学元素按原子重重递增次序排成的序列中,每

种元素的原子都比前一元素增加一个电子。这样,氢原子有一个

电子,氦原子有两个,锂原子有三个,铍原子有四个,等等,最重

的天然元素铀的原子有 92 个电子&①。

这些代表原子的特点的数字一般叫做有关元素的原子序数,它


① 我们现在掌握了“炼金术”(见下章),因而可用人工方法制造更复杂的原子。原

子弹所使用的人造元素钚(Pu)就有 94 个电子。

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第六章 下降的阶梯


与它所代表的元素在按化学性质分类的表中所占位置的号码相同。

因此,任何一种元素的所有物理性质和化学性质,都可以简

单地用绕核旋转的电子数来标志。

19 世纪末,俄国化学家门捷列夫(D. Mendeleev)发现,在元

素的天然序列中,元素的化学性质每隔一定数目的化学元素就重

复一次,也就是说原子的化学性质呈现明显的周期性。这种周期

性表现在图 51 中。所有的已知元素都排列在绕在圆柱上的螺旋形

带子上,每一列的元素性质相近。我们看到,第一组只有两个元

素:氢与氦;下面的两组中,每组有 8 个元素。在这后面,每隔

18 个元素,化学性质就重复一遍。如果我们还记得,沿这个序列

每走一步,原子就相应地增添一个电子,那么,我们一定会得出结

论:化学性质的周期性必定是某种稳定的电子结构——或者“电

子壳层”——重复出现的结果。第一个壳层在填满时有两个电子,

第二、三壳层在填满时都各有 8 个电子,再往后则各有 18 个。我

们还可以从图 51 中看出,在第六、第七两组中,严格的周期性被

两群元素(即所谓镧系和锕系)扰乱了一下,以致须从正常的环

状面上接出两块来。这是由于这些元素的电子壳层结构有了某些

内部变化,因而把元素的化学性质弄乱了。

现在,有了原子的结构图,我们来试试解答一下,组成无穷尽

的化合物复杂分子的这些不同元素的原子,它们之间的结合力是

怎样的?譬如说,为什么钠原子和氯原子能搞到一起,形成食盐的

分子?图 52 表示出这两个原子的电子壳层结构。氯原子的第三电子

壳层还缺一个才能满员,而钠原子的第二壳层在饱和后还多出

一个电子。这样,这个多余的电子必然有跑到氯原子那里去,从而

把氯原子那个未填满的电子壳层填满的倾向。由于这种电子转移,

钠原子(失去一个电子)带正电,氯原子带负电。在这两个带电

原子(现在应该叫做离子)之间的静电引力的作用下,它们结合

在一起。形成氯化钠分子,说通俗些就是食盐分子。同样的道理,

氧原子的外壳层缺少两个电子,因此会对两个氢原子进行“绑

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a 正视图


b 背面图

图 51

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第六章 下降的阶梯



图 52 钠原子和氯原子结合成氯化钠分子的示意图

架”,拿去它们仅有的电子,凑成一个水分子(H2O)。另一方面,

氧、氯之间和氢、钠之间就没有结合的倾向,因为前二者都是肯拿

不肯放,后二者都想给不想要。

凡属电子壳层已完备的原子,如氦、氖、氩、氙,都是很满足

的。它们既不送出电子,也不纳进电子,乐于保持光荣的孤立。

因此,这些元素(所谓稀有气体)在化学性质上呈现惰性。

在结束原子及其电子壳层的这一节时,我们还要讨论一下在

被称作“金属”的那一组物质中电子所起的重要作用。金属物质

与其他物质不同,它们的原子对外层电子的束缚很松,往往让它

们自由行动。因此,金属体-内部充满了大量不羁的浪游电子,好像

是一群无家可归的人。当我们给一根金属丝两端加上电压时,这

些自由电子就会顺着电压的作用方向奔跑,形成了我们称之为电

流的东西。

自由电子的存在也是决定物质是否具有良好的热传导性的原

因,不过,我们还是以后再来谈论这一点吧。

六、微观力学和测不准原理

我们在上一节看到,因为原子这个电子绕核旋转的系统非常

像太阳系,所以,人们自然会设想,已经明确建立起来的、决定行

星绕太阳运动的天文学定律也会同样支配着原子内部的运动。特

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别是由于静电引力与重力的定律很相似——这两种吸引力都与距

离的平方成反比——更使人觉得,原子内的电子会以原子核为一

个焦点沿椭圆形轨道运动(图 53a)。


图 53

然而,以我们这个行星系统的情况为蓝本来给原子内部的运

动情况建立稳定形象的一切尝试,直到不久以前都一直导致意想

不到的大灾难,以致有一段时期人们竟认为,不是物理学家头脑

不清,就是物理学本身出了毛病。麻烦的根子在于原子内的电子

与太阳系中的行星不同,它们带电的;因此,在绕核作回旋运动

时,它们会像任何一种振动或转动的带电体那样产生强烈的电磁

辐射。由于它们的能量随着辐射而减小,所以,按照物理学的逻

辑,原子中的电子必然会沿着螺线轨道与原子核接近(图 53b),

并在转动的动能耗尽后落在原子核上。根据已知的电子电量和电

子旋转频率,很容易计算出,电子失去全部能量而坠落在原子核

上的整个过程所需的时间不会超过百分之一微秒。

因此,直到不久以前,物理学家还用他们的最先进的知识坚

定地告诉大家,行星式原子结构的存在不会超过一秒钟的极其微

小的一部分,它命里注定要在刚刚形成后就马上瓦解。

可是,尽管物理学理论发出这样阴郁的预告,实验却表明原

子系统是非常稳定的,电子总是好端端地围着中央的原子核快乐

地转动,既不失去能量,也不打算溃灭!

这是怎么回事呢?为什么过去很正确的力学定律,一旦用到

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第六章 下降的阶梯


电子头上,就与观测到的事实如此矛盾呢?

为了解答这个问题,我们还得回到科学上最基本的问题,即

科学本身的本质上去。到底什么是“科学”?“科学地解释”自然

现象又该怎么理解呢?

我们来看一个简单例子。大家都记得,古代有许多人都相信

大地是平的。对于这种信念很难进行指责,因为你在来到一片开

阔的平原上,或者乘船渡河时,会亲眼看到这是真实的;除了可能

有的几座山之外,大地的表面看来确实是平的。如果古人说“大

地在从一个观察点观看时,怎么看都是平的”,那么,这句话并没

有错;但是,如果把这句话推广到实际观测到的界限之外,那可就

错了。一旦观察活动越过了这个习用的界限,譬如研究了月食时

地球落在月亮上的影子,或者当麦哲伦&*进行了环绕世界的著名航

行后,就立即证明了这种推广是错误的。我们现在说地球看起来

是平的,只是因为我们只能看见地球这个球体的一小部分表面。

同样地,宇宙空间可能是弯曲而有限的(见第五章)。但在有限的观

察范围内,它照旧显得平坦而无垠。

可是,这一套议论跟原子中电子运动的力学矛盾有什么关系

吗?有的。在进行这项研究时,我们已经暗暗假定,原子内的力

学、天体运动力学、还有日常生活中我们所熟悉的“不大不小”

的物体的运动力学都遵从相同的规律,因而可以用同样的术语来

描述他们。而在事实上,我们熟知的力学概念和定律是凭经验建

立在对大小与人体相当的物体进行研究的基础上的。后来,这一

套定律又被用来解释更大的物体(如行星和恒星)的运动,结果

能够极为精确地推算出几百万年前和几百万年后的各种天文现象,

因之成功地成为天体力学。看来,这种推广无疑是正确的。

但是,谁能保证这种能用来解释巨大天体和一般大小的物体

(炮弹、钟摆、玩具陀螺等)运动的定律,同祥能适用于比无论哪


* 麦哲伦(Ferdinand Magellan),1480~1521 年,葡萄牙航海家,人类史上首次率船队

环行地球一周。——译者

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一种最小的机械装置都小许多亿倍、轻许多亿倍的电子的运动呢?

当然,没有理由预言一般的力学定律在解释原子的微小组成

部分的运动时必定失败,但话又得说回来,如果确是如此,也不要

大吃一惊。

本来是天文学家用来解释太阳系中行星运动的东西,现在却

用来解释电子的运动,难免会导致似是而非的结果。在这种情况

下,应该先考虑在将古典力学应用于这样微小的粒子时,基本概

念和定律是否需要加以改变。

古典力学中的基本概念是运动质点的轨迹,以及质点沿轨迹

运动的速度。过去人们认为,任何运动的物质微粒在任何时刻都

处在空间的一个确定位置上,这个微粒的各个相继的位置形成一

条连续的线,称作轨迹。这个命题一直被认为是不喻自明的,并被

当做基本概念来描绘一切物体的运动。一个给定物体在不同时刻

所处不同位置之间的距离,除以相应的时间间隔,就导出了速度

的定义。从位置和速度的概念出发。整个古典力学就建立起来了。

直到不久以前,还不曾有哪位科学家想到这些描述运动的基本概

念会有什么不对头的地方,哲学家们也一直把它们当作先验的东

西。

然而,在用古典力学定律来描述微小的原子系统时,情况却

是大谬不然了。人们意识到这里发生了根本性的错误,而且越来

越倾向于认为,错误发生在最根本之处,即错在整个古典力学的

基础上。运动物体的连续轨迹和任意时刻的准确速度这两个运动

学概念,对原子内的小微粒来说未免太粗糙了。简单地说。要想把

我们所熟悉的古典力学观念推广到极细微的物质中去,事实证明,

需要对它们进行大幅度的改造。不过,如果古典力学的老概念不

适用于原子世界,那么,它们肯定也不能绝对无误地反映大物体

的运动状况。因此我们得出结论:古典力学的原则应看作是对

“真实情况”的很好的近似;这种近似一旦应用于原先适用范围之

外的更为精细的系统,就会完全失效。

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第六章 下降的阶梯


对原子系统中的力学运动的研究,以及量子力学的建立,为

科学奠定了新的基础。量子力学的建立出于一个新的发现,即两

个不同物体间存在着一个各种可能发生的相应作用的下限。这个

发现把运动物体的轨迹这个古典定义推翻了。事实上,我们如果

说运动物体具有遵从精确数学形式的轨迹,也就等子说存在着借

助某种专门物理仪器记录下运动轨迹的可能性。但是不要忘了,

要想记录任何运动物体的轨道,都不可避免地会干扰原来的运

动。这是因为如果运动物体对记录其空间连续位置的仪器发生

作用,那么,按照牛顿的作用力与反作用力大小相等的定律,

这套仪器也对运动物体发生作用。要是我们能使两个物体(在

这里是运动物体和记录位置的仪器)之间的相互作用按照需要

任意减小(这在古典物理学中被认为是可能的),就能做出理

想的仪器,使它既对运动物体的连续运动极为敏感,又对物体

运动不产生实际影响。

但是,由于存在着物理相互作用的下限,我们就再也不能将记

录仪器对运动物体的影响任意减小了,这就从根本上改变了形势。

因此,观察物体运动这一行动对运动所造成的影响,就变成了运动

本身的一个重要部分。这样,我们就再也不能用一条无限细的数学

曲线来表示轨迹,而不得不代之以具有一定厚度的松散带子。在新

力学看来,古典物理学中的细线轨迹应变成一条模糊的宽带。

物理相互作用的这个下限——更常用的名称叫做作用量子

——只有很小的数值,仅仅在研究很小的物体时才显得重要。

因此,一颗手枪子弹的轨迹尽管确实不是一根数学上的清晰曲线,

但是这根轨迹的“粗细”却比子弹体中一个原子的直径还要小好

多倍,因此,实际上可把它的厚度当作零。但是,对于比子弹小得

多的物体,它们的运动很容易受观察仪器的影响,因而轨迹的

“粗细”变得越夹越重要。对围绕原子核旋转的电子而言,轨迹的

粗细和原子的直径差不多,因此,电子运动的轨迹再也不能用图

53 那样的曲线来描述,而得用图 54 的方式来表达了。在这种情况

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20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


下,对微粒的运动不能再用我们所熟悉的古典力学术语,因为无

论它的位置还是速度,都具有一定程度的测不准性[海森伯&*

(Werner Heisenberg)的测不准原理和玻尔&**(Niels Bohr)的并协

原理]。


图 54 原子内电子运动的微观力学图景

物理学上的这项惊人的新发现,把过去我们熟知的概念,如

运动粒子的轨迹、精确位置和准确速度,统统扔到垃圾堆里去了,

我们的日子可真是不好过啊!过去已被接受的基本法则不再能用

来研究电子的运动了,那么,我们现在该立足于何处?究竟以什么

数学公式来取代古典力学中的数学公式,才能兼顾到量子物理学

所要求的位置、速度、能量等物理量的测不准性呢?

问题的答案可通过研究一个类似的古典光学理论的题目而找

到。我们知道,日常生活中所观察到的大部分光学现象,都可以用

光沿直线传播的说法来解释,因此,我们把光称作光线。不透明物

体所投下阴影的形状,平面镜和曲面镜所成的像,透镜和其他复

杂光学系统的聚焦,都可以根据光线的反射和折射的基本定理得

到顺利的解释(图 55a、b、c)。

但我们同时也知道,这种用光线来表示光的传播的几何光学

方法,在光学系统中光路的几何宽度与光的波长可相比拟时就大

大失灵了。这时发生的现象叫做衍射,对此,几何光学完全无能为


* 海森伯(1901~1976 年),著名德国理论物理学家,哥本哈根理论物理学派的代表人

物。——译者

** 玻尔(1885~1962 年),著名丹麦物理学家,哥本哈根理论物理学派的创始人。——

译者

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第六章 下降的阶梯


力。一束光在通过一个很小的小孔(尺寸在 0.000 1 厘米上下)

后,就不再沿直线行进,而是成扇状散开(图 55d)。现在拿一面

镜子,在镜面上划出许多平行的细线,就成为“衍射光栅”,如果

有一束光射到上面,那么,光就不再遵从熟悉的反射定律,而是被

抛向不同方向;具体方向与光栅的线条间距和入射光波长有关

(图 55e)。还有,当光从散布在水面上的油膜界面反射回来时,会

产生一系列特殊的明暗条纹(图 55f)。


图 55 左边三个图是可以用光线来解释的现象,

右边三个图是无法用光线解释的现象

这几种情况中,

“光线”这个熟悉的概念完全不能说明所观

察到的现象,因此我们必须用光能在整个光学系统所在空间中的

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20&世纪科普经典特藏 从一到无穷大


连续分布的概念来代替它。

很容易看出,光线概念在解释衍射现象时的失败和轨迹概念

在量子物理学中的失败,两者是很相似的。正像光学中不存在无

限细的光束一样,量子力学原理也不允许存在无限细的物体运动

轨迹。在这两种情况中,一切打算用确定的数学曲线来反映物体

(光或微粒)运动的尝试都必须放弃,而代之以连续分布在一定空

间中的“某种东西”的表示方法。对于光学来说,这“某种东西”

就是光在各点的振动强度;对于力学来说,这“某种东西”就是

新引入的位置测不准性的概念,这就是说,运动微粒在任意给定

时刻都可处在几种可能位置当中的任何一个位置,而不是处在事

先可确定的唯一的一点上。我们再也不能准确说出运动微粒在给

定时刻位于何处,只能根据“测不准原理”的公式计算出运动的

范围。波动光学(研究光的衍射)的定律和波动力学[又称微观

力 学 , 它 由 德 布 罗 意&*( L. de Broglie) 和 薛 定 愕&**( Erwin Schrödinger)所发展,是研究微小粒子的运动的]定律的相似性,

可由一个实验明显地表示出来。

图 56 上画的是斯特恩研究原子衍射的装置。一束用本章前面

提到的方法产生的钠原子被一块晶体的表面所反射。晶格中规则

排列的原子层在这里起了光栅的作用,它使入射的微粒束衍射。

入射微粒经晶体表面反射后,用一组按不同角度安放的小瓶分别

收集起来进行统计。图 56 上的点划线表示出实验结果。我们可以

看到,钠原子不是沿一个方向反射(即不像用一把玩具枪向金属

板射出滚珠的情况那样),而是在一定角度内形成一个很像 X 光衍

射图样的分布。

这类实验不可能用描述单个原子沿确定轨道运动的古典力学观

点来解释,而要用新兴的微观力学——把微粒的运动看成与现代光

学中光波的传播相同的学科——来解释,这是完全可以理解的。


* 德布罗意(1892~1987 年),法国理论物理学家。——译者

** 薛定愕(1887~1961 年),奥地利理论物理学家。——译者

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第六章 下降的阶梯



图 56

a. 可用抛体说法解释的现象(滚珠在金属平板上的反弹)

b. 不能用抛体说法解释的现象(钠原子在晶体表面的反射)


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