原子的历程：从哲学到科学(5)

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1、原子的历程：从哲学到科学(5)原子的历程：从哲学到科学(5)原子的历程：从哲学到科学(5)　　　　十九世纪末，在关于原子是否真实存在之争进行得如火如荼之际，出现了一系列令人惊异又困惑的实验发现。1895年，伦琴发现阴极射线。1896年，贝克勒耳意外发现放射现象。最初没有人预料到，这些发现将把物理学带入一个新的纪元。　　1897年，J•；J•；汤姆逊证明阴极射线是带负电的粒子，质量比氢原子小很多，这一粒子就是我们现在所熟知的“电子”。汤姆逊通过实验进一步发现这种粒子是所有原子的组成部分。这样，化学家的原子被汤姆逊

2、一举击碎了。以前人们认为化学原子没有结构，不可分割。而电子的发现意味着，化学家的原子并非简单的、不可分的实体。此后，20世纪头十年出现了各种原子结构假说，但没有一种能够得到证实。1911年，卢瑟福在他“一生中最不可思议的实验结果”基础上提出一种原子模型。在这种新模型中，曾经是道尔顿的不可分割的原子，现在看起来每一个都像一个微型的太阳系，坚实的原子核居于中心，电子“行星”远远地围绕着它旋转。经过玻尔等的完善，这种原子模型被广泛接受，并对门捷列夫元素周期律给出了完美解释。　　1919年，卢瑟福与他的学生在做进一步实验时，发现用α粒子轰

3、击各种元素的原子核，都会从中打出高速的氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。普劳特假说在某种意义上复活了。1920年，卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。原子模型　　于是，构成宇宙间万物的基本砖石由原子变成了质子和电子。科学家们还提出了原子的质子－电子模型。但进一步的研究，否定了这种模型。1932年，卢瑟福的学生查德威克从铍原子核中打出一种质量与质子几乎一样大，但不带电荷的粒子，查德威克把这种中性粒子叫做“中子”。这说明原子核中有中子。这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就又多了一种“中子”。中子发现后，德

4、国物理学家海森堡马上意识到所有原子核可以通过质子与中子的组合来诠释。这种原子核的质子－中子模型很快就被科学界所接受，并成为今天我们所熟知的常识。　　道尔顿物质结构的绘景至此又一次发生了改变。道尔顿不可分的原子被分为：电子与原子核；而原子核又由质子和中子组合而成。各种元素的原子，不过是由质子、中子、电子这三种基本砖石造成的预制件而已。　　在此之前，道尔顿关于同一元素的原子质量完全一样的观点也被修正了。从1911年开始，人们就开始认识到存在有相同的原子序数，因而化学性质无法区分，但原子质量却不同的同位素。人们也了解到大多数元素都是同位

5、素的混合物，如自然界中的氯是两种同位素35Cl和37Cl的混合物，因而氯的相对原子质量只不过是平均值。普劳特猜想是由于错误的理由而被否定的！质子－中子这一原子核模型也使人们对同位素有了更清晰的了解：同位素只不过是同种元素原子核内的中子数有所差别罢了。　　一切都清楚、明白了。而这一切又是多么简洁明了啊。然而这一简洁明了的物质世界图景只保持了不长的时间。　　1932年，安德逊在宇宙线中发现曾被狄拉克预言的正电子，反物质进入了物理学家的视野。随着宇宙线的研究及20世纪50年代后加速器建设的迅猛发展，新粒子如雨后春笋一般涌现出来，其中被统

6、称为强子的粒子就有百种以上。这些基本粒子组成了一个令人难以置信的多样性的“动物园”，这既令人兴奋，同时也让人头疼。理论物理学家们开始忙于将数目庞大的强子进行分类。　　1964年，盖尔曼提出夸克模型。经逐步完善的夸克模型包括六种夸克：上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克、底夸克。而作为基本粒子的电子则属于轻子系列。轻子也包括六种，除我们熟知的电子外还包括电中微子、μ子、μ中微子、τ子和τ中微子。六种夸克与六种轻子可以划分成三代。于是，这12种粒子可归结到一个优美的表格型阵列中：第一代第二代第三代夸克上夸克下夸克粲夸克奇异夸克顶夸

7、克底夸克轻子电中微子电子μ中微子μ子τ中微子τ子　　如果考虑全些，还要考虑反粒子与色。添加上反轻子，那么轻子的数目要加倍，成为12种。如果考虑反夸克与夸克的色，于是夸克的数目增长到36种。正是这些夸克和轻子构成了物质。过去或现在的宇宙中所有的东西，都可以由它们来制造。而如果只关注我们周围熟悉的大千世界，则只要有第一代基本粒子就足够了：上、下夸克组成了质子和中子，它们构成了原子核；原子核加上电子，就可以组成各式各样的原子，最多再加上各种反应中必不可少的中微子。　　在寻找物质基元的道路上，我们一层接着一层地发现物质“洋葱”的不同层次分

8、层。最初化学家的原子被认为是组成宇宙万物的基元。后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、中子和电子是物质基元。而到现在这个阶段，物理学家眼中不可分的基元是夸克与轻子。那么，夸克与轻子是否就是构成宇宙的终极粒子，是世界的始基？在探索物质的基本构成