原子，没有最小，只有更小

纪舟

一位20世纪的物理学家在他的著作里写了这么一句话：“如果有一句话可以总结人类知道的所有知识，那这句话一定是：‘万物都是由原子构成的。”

你能想象只有千万分之一毫米大小的原子构成了我们身边的万物吗？你能想象你身体里的一切都是无数原子的有序组合吗？你的身体是原子，你吃的食物是原子，你代谢的废物也是原子……

等等，我觉得有必要向你解释一下千万分之一毫米的概念。一个原子和一个乒乓球的大小对比，就如同一个玻璃球和地球比较一样。你现在吃惊了吗？其实不光是你，科学家在知道这一切时，惊讶程度并不亚于你。

正是因为原子如此之小，人类对原子的认识前后历经了几千年，迄今为止可分为三个阶段，而且以后还将继续。正所谓：人类文明不停息，原子认识不停止。

第一阶段猜想推测

距今2500年前，古希腊的哲学家德谟克利特提出，万物都是由一种微小粒子构成的，该粒子被称为“原子”。“原子”在希腊语中的意思是“无法继续分割的物质”。他认为组成每种物质的原子不同，比如有一种便是“人类的灵魂原子”。

而同时代的哲学家亚里士多德则支持“四元素说”，认为万物都是由空气、水、火、土四种元素构成的。而且所有物质都是由这四种物质组合而成，但亚里士多德并不认为这些元素就是微小粒子。

将元素和原子论加以结合的，是18世纪的英国物理及化学家约翰·道尔顿。他认为每种元素都有自己固有的原子，化合物是不同的原子以一定的比例结合而成的。他还推算出形成化合物的各原子的质量比。到了1803年，道尔顿发表了原子符号，还计算出将氢原子的质量当成1时各原子的相对质量，即原子量。如今，原子量的概念仍继续沿用（现在是用碳12作为原子量的标准，定它的原子量为12，以各元素的原子质量与碳12的原子质量的比值作为各原子的原子量）。

这些就是人类对原子第一阶段的认识。在这期间，科学家认为原子真实存在，是物质的最小单位，也是无法再分割的粒子。

第二阶段 实验认识

1897年，英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊在研究“阴极射线”的过程中发现了电子，打破了原子不可再分的假说。此后，有关原子结构的猜测从未停息过，而率先找出答案的，是英国物理学家欧内斯特.卢瑟福。

卢瑟福在研究一种被称为“α射线”的强烈放射线时发现，α射线的粒子质量约为电子质量的8000倍，并且带有正电荷。于是，卢瑟福提出他的原子模型假说：原子的中心为原子核，原子核周围是电子。现在，我们已经知道了原子核的大小，如果以半径来比较的话，原子核半径大约只有原子半径的万分之一，而原子的所有质量几乎都凝聚在此，电子的质量则轻得可以忽略不计。

原子和原子世界是如此之小，以至于科学家不得不另寻理论来解决原子世界的问题，于是，量子力学诞生了。根据19世纪奥地利理论物理学家欧文-薛定谔和英国物理学家马克斯-博恩的说法，电子的位置和速度是无法同时测定的，不过，“电子的存在范围”却可以推算。他们认为，在该范围中，1个电子可以同时存在于无数个场所。这样的观点也许很不容易理解，不过却能解释各式各样的实验结果。

1924年，瑞士籍奥地利裔理论物理学家泡利主张：能出现在某一“能够存在范围”的电子最多只有2个，换言之，相同形状的电子云最多只能有2个。以氧原子为例，8个电子中，具有相同形状电子云的电子每2个1组，共有4组。铀原子电子云的种类数高达48个。不过，由于电子云会在相同的场所重叠，因此就整体来看，好像一个非常大的球状云。这就是泡利主张的“电子的自旋方向朝上和朝下者成对存在”的“泡利不相容原理”。

此后，科学家开始研究不同大小的原子的性质，以寻求其内在规律。以氢为例，它具有易燃、可与氧结合生成水的化学性质。而在元素周期表中与氢相邻的氦，却不像氢那么容易燃烧，也不会爆炸，因此，氦气常用作使气球上浮的气体。科学家研究发现，元素的化学性质是由电子数决定的，特别是受位于最外层的电子数目的影响。因此，在元素周期表上，最外层电子数相同的元素会排在同一族。

1917年，卢瑟福又有了重大的发现。他以α粒子撞击氮原子，发现从氮原子核中飞出未知粒子。该粒子带有与1个电子相当分量的正电荷，卢瑟福将之命名为“质子”，并认为原子核就是质子的集合，原子之所以呈现电中性，是因为质子数和电子数一样。因此，质子数也被称为“原子序数”。

但在事实面前，这一理论的矛盾很快就暴露出来了，解决该矛盾的是20世纪英国的原子物理学家詹姆士.查德威克。1930年，查德威克在以α粒子撞击铍的薄膜和石蜡时，发现了一种身份不明的“电中性粒子”。查德威克计算了该粒子的速度和质量，得知该粒子的质量大致与质子相等。随后，该粒子被命名为“中子”。中子是继电子、质子之后被发现的、构成原子的第三个成员。查德威克还进一步指出，原子核由质子和中子构成，这两种粒子合称“核子”。

原子核由质子和中子构成，质子数决定原子的种类，中子数则影响原子质量，质子和中子的数目总和被称为“质量数”，表示该原子的大致质量。因此，即使同样是氢，也有较轻和较重的氢。事实上，所有的元素都拥有这种原子序数相同但中子数目不同的原子，即同位素。第一个发现同位素的科学家是19世纪英国的物理化学家弗雷德里克·索迪。

在查德威克发现中子两年后的1934年，日本的物理学家汤川秀树预言有一种可以让原子核的组成分子结合在一起而不四散的力——核力。核力像黏胶一样作用于质子与中子、质子与质子、中子与中子之间，尤其是质子与中子之间的强大吸引力，将核子组合成原子核。因此，质量大的原子核分裂时会产生巨大能量；质量小的原子核彼此融合（即聚变）时也会产生庞大能量。但要产生核聚变并非易事，一般需要超高温、高压等条件。核分裂就是使原子弹爆炸的原理，而核聚变的例子就是太阳。

第三阶段宏观与微观惊人相似

在量子力学的连接下，微小到千万分之一毫米的原子世界竟然和宏大到百亿光年的天体世界，巧妙地组合在一起，其中最为经典的就是宇宙大爆炸理论。

目前认为，宇宙大爆炸大约发生在137亿年前，那时的宇宙处在高温、高密度的灼热状态。根据科学家的研究结果推测，电子、质子、中子大约诞生于大爆炸后的十万分之一秒以内。大约经过3分钟后，宇宙的温度下降至约10亿摄氏度，四处飘荡的质子和中子结合，诞生氦、锂等质量较小的原子核。再经过大约38万年后，宇宙温度大约下降至3000℃，四散的原子核和电子结合，原子诞生了。

恒星聚变能产生的原子质量最大的元素是铁，它是由内部温度50亿摄氏度，并且具有10倍以上太阳质量的恒星聚变生成的。当制造出铁之后，质量更大的元素的核聚变反应就不会再进行，恒星开始急速收缩，最后会发生大爆炸，即超新星爆发。