No.1 核時代到來
原子,在古希臘哲學中是“渾然一體不可分割”的含義。古希臘哲學家德謨克利特認為,世界萬物都是由某種最小的物質組成的,他把這種最小的物質單元命名為原子。但是,長久以來,人們對原子的概念沒有十分重視,在科學書刊中很少使用原子這個術語。
16和17世紀,隨著文藝複興運動和近代科學的發展,原子學說逐漸引起了科學家的注意。18世紀,以英國的卡文迪和法國的拉瓦錫為代表的化學家在實驗中發現,自然界的物質盡管千變萬化,但它們都是由一些有限的基本元素組成的。而每一種元素卻是由一些化學性質相同的東西構成的,於是,德莫克利特的原子學說又被重新提起,聲望大大提高。19世紀初,英國的道爾頓通過科學實驗和邏輯推理,證實了原子的客觀存在,又一次驗證了原子學說,並首次提出了原子量表。隨著原子量測定工作的更加深入,人們不斷發現新的化學元素。19世紀60年代,俄國的門捷列夫在前人基礎上編製了更加完整的元素周期表。這張表揭示了物質世界的秘密:所有的物質都由原子構成,它們之間有著密切的聯係。在19世紀,幾乎所有的科學家都認為,原子是物質的基本單位,也是最小的單位,用任何方法也不能把原子分開了。
1895年,德國物理學家倫琴發現了一種奇異的光線,它穿透力很強,能把衣服口袋裏的硬幣和手的骨骼顯示在底版上,這就是著名的“X射線”。當時沒有人能解釋這種光線是怎樣發射的,所以就取了名字叫“X”。好奇的科學家們紛紛開始研究這種神秘的光線。1896年3月,法國物理學家克勒爾發現,鈾鹽在不受任何光源的照射時也可以使膠片感光,他證明了,鈾元素是造成這種現象的原因。波蘭科學家居裏夫人重複了克勒爾的試驗,她進一步猜想,是不是隻有鈾才具有放射這種性質呢?1898年,居裏夫人和德國物理學家施米特同時發現,釷元素也能發出新射線,他們把這種性質定義為“放射性”。這一年7月,居裏夫婦和別的科學家合作,又發現了一種新元素,她把這種元素命名為釙,發音是波蘭的第一個音節,是居裏夫人為了紀念她的祖國而命名的。這年12月,她又發現了鐳。並且經過4年的努力,她在1902年提煉出了0.1克的純金屬鐳。鐳的能量十分巨大,它的放射性相當於鈾的200萬倍,放射完畢,就會形成氦和鉛兩種新的物質。
放射性的發現促使科學家開始思考原子的內部結構,居裏夫人在一篇文章裏談到了放射性能量的來源,她說:“放射性物質的原子,從化學觀點來看是不可分的,但在這裏就可以分了。”1902年,英國物理學家盧瑟福提出,放射性現象是原子自行蛻變的過程。在此過程中,一種元素的原子變成了另一種元素的原子,同時發射出射線。這些射線都來自原子核。盧瑟福的原子嬗變理論解釋了許多實驗事實,它的重要意義有兩點:第一,完全打破了原子不可分的哲學和化學定義;第二,他將統計的概念引進到原子研究之中。由於這些貢獻,他獲得了1908年諾貝爾化學獎。
盧瑟福並沒有滿足於已經取得的成績,證實原子可分之後,他和他的學生開始探索原子的結構。當時,比較流行的原子模型認為:帶正電的部分和帶負電的部分在原子內是均勻分布的。但盧瑟福在實驗中發現,粒子在撞擊原子的過程,有時能直線通過,有時卻有大角度的散射。這意味著原子內部不是均勻的,有一部分很硬,是它導致撞擊原子的粒子發生散射。
盧瑟福很快就提出了他的原子模型。這個模型很像一個行星,大部分的質量都集中在原子中心的一小部分上,電子圍著中心轉動,並占據著大部分的空間。大概而言,中心的原子核體積僅為整個原子的萬分之一,但質量所占的比例卻與之相反。他通過實驗還發現,原子內帶正電荷的粒子處於原子核中,他把這種粒子命名為質子。盧瑟福還預見說,原子核中還有一些不帶電的粒子。這個關於原子模型的假說,打開了原子世界神秘的大門。
1913年,又一部劃時代的論著出現了,這就是丹麥物理學家玻爾的博士論文《論原子和分子的組成》,這篇著作使他獲得1922年的諾貝爾物理獎。論文進一步完善了盧瑟福的原子模型,他提出,電子在原子內部是隨著能量的不同一層一層按級分布的,越往裏,能量越大。這種模型把量子理論和經典力學結合起來,為進一步深入研究確定了正確的方向。