量子史话（六）人类如何发现原子存在？又是怎样知道原子结构的？

　　前几期的视频我多次说到，人类确定原子的存在是一件非常艰难的事情，虽然从古希腊开始，人们就说过，物质是由原子构成的，这些原子就是没有结构的实心小球，不可分割；

　　但2000多年来，原子只是哲学上的思辨，并没有充分的论证，所以对科学来说没有多大的意义。

　　到了19世纪，关于原子是否存在分成了两派，一派是毫无理由的相信原子的存在，另一派就是毫无理由的不相信原子的存在。

　　这两派之间的争论俗称抬杠，目的就是看谁先被气死。很显然19世纪的麦克斯韦、玻尔兹曼相信原子存在，他俩通过假设原子的存在，利用统计学去研究分子的热运动，解释了气体的宏观性质，宏观性质都有啥？比如我们人为能感受到的温度和压力。

　　而反对原子论的人就有赫赫有名的大科学家马赫以及奥斯瓦尔德，这两人的资历和威望非常高。

　　由于麦克斯韦主要的研究领域不在热力学，而且他去世得也早，因此玻尔兹曼就成为了主要的攻击对象，在长时间的与人争论中，玻尔兹曼越来越觉得自己被孤立了起来，甚至觉得别人都看不起他，长时间的这种心态就导致了他的精神出现了严重问题，加上病痛的折磨，于1906年结束了自己的生命。

　　按理说，原子是否存在，以及原子的化学性质这些问题都是化学家的事情，但是此时的化学家只能通过元素之间的化学反应，归纳出一些表象规律，对研究原子来说并无多大的实际意义。

　　所以还得物理学家出手解决这些问题。对原子是否存在的研究并不是简单地通过某一项实验直接确定的，而是一个循序渐进的过程。

　　这还得从1858年说起，这一年德国物理学家“尤利乌斯·普吕克”在研究低压真空管放电实验的时候发现，低压真空管阳极一端的玻璃壁上出现了绿色的辉光。

　　低压放电管的结构很简单，里面有稀薄的气体，一端是阴极、一端是阳极，各自连接一个金属电极，在两端加几千伏的电压后，就能在阳极玻璃管上看到微弱的绿光。

　　为了进一步研究绿光的来源，英国人克鲁克斯改进了真空放电管，改进后的管子叫克鲁克斯管。也就是图中的样子。

　　在管子的末端涂上荧光粉，然后在前面放一个金属薄片，通电以后，可以看到金属片的阴影投在了末端玻璃管上。

　　这说明，有一种看不见的东西从阴极发射了出来，可以肯定它的穿透力不是很强，打在末端的荧光粉上，使得荧光粉发出了明亮的绿色辉光。

　　这种看不见的东西是啥？当时谁也不知道，不过给它起了一个名字叫：阴极射线。这种神奇的现象立即引起了人们的兴趣，各大实验室的物理学家都开始把玩阴极射线管。

　　你能想到，就这一个小小管子，让人类顺着线索发现了放射性，发现了元素的衰变；也让人类发现了原子的组成部分。

　　关于阴极射线到底是啥？一开始英国人和德国人就吵了起来，英国人说这是一种带电粒子，德国人说这是类似于紫外线的电磁波，当时他们把电磁波叫以太波。

　　英国说这话的人是瓦尔利，因为他发现阴极射线在磁场中会偏转，德国说以太波的人是赫兹，他发现这玩意在电场中不发生偏转。

　　德国除了赫兹，维尔茨堡大学的伦琴也在实验室摆弄阴极射线管，在研究阴极射线管的时候，通常要关灯、拉窗帘，在暗室中实验效果更好一些，有天他无意中把一个荧光屏放在了阴极射线管的旁边，这时他发现除了玻璃管的末端，在距离射线管比较远的荧光屏上也看到了绿色闪光。

　　他为了确认，是不是有阴极射线跑出来了，就用黑纸包裹玻璃管，用纸片，木板遮挡，都无法消除闪光，只有换了稍微厚一点的金属板的时候，才消除了荧光屏上的闪光。

　　伦琴确认，这并不是阴极射线，因为这种看不到的新射线穿透能力非常强，他用代表未知的字母X，将其命名为X射线。

　　关于X射线是如何在阴极射线管中出现，这个问题我会在后面的视频中提到。我们接着往下说；

　　1895年12月28号伦琴以一篇题为《关于一种新射线》的文章发表了他的发现。

　　X射线瞬间点燃了科学界的热情，也在全世界引起了巨大的轰动，各大报纸头版头条疯狂报道，如此轰动的原因是，伦琴照出了人类历史上第一张人体X射线的照片，在所有的人看来，这个发现跟魔法一样神奇。

　　消息很快传到法国，法国人贝克勒尔知道伦琴的发现以后，比任何人都兴奋，因为他家祖上就是研究荧光物质的，比如有些铀矿石在黑暗环境下就能发出幽幽绿光，不过非常暗基本上看不到，但是把铀矿石放在太阳底下暴晒一下，荧光就会变得非常强烈。

　　贝克勒尔就想，铀矿石在太阳下一晒，是不是也能发出X射线，结果发现只要是含铀的荧光物质，不需要暴晒就能释放出看不见的辐射，将照相底片曝光。

　　这是人类首次发现的元素放射性现象，不过放射性这个词是后来居里夫人发明的。在贝克勒尔之后，居里夫人成为了法国乃至当时全世界放射性研究的先驱。

　　1896年，在英国卡文迪许实验室，给汤姆逊当助手的卢瑟福，正在按照导师的要求研究X射线，对气体产生的效应时，听说了贝克勒尔的铀射线。

　　他决定从穿透能力的角度研究下铀射线，卢瑟福发现铀释放出来的射线有两种，一种穿透力很弱，一张纸就能把它挡住，命名为α射线。

　　一种穿透能力稍微强一些，需要一张薄铝板才能挡住，跟阴极射线的穿透能力差不多，命名为β射线，后来证实阴极射线和β射线其实是同一种东西。

　　随后德国物理学家发现钍及其化合物也能发出辐射，卢瑟福发现钍的辐射中有一种射线穿透力明显强过于前两种射线，按照字母顺序就叫它γ射线吧。

　　1901年卢瑟福先是发现了放射性的半衰期，也就是元素放射性强度下降一半所需要的时间。随后又英国化学家索迪发现了，元素的嬗变现象，也就是元素在经历了放射性辐射以后，就转变成了另外一种元素。

　　这一发现一下圆了化学家点石成金的梦想，牛顿要是知道这事，估计能激动地哭出来，这是他最爱的事业。

　　至此元素的放射性，以及元素的嬗变，就成为了原子存在的证据之一。

　　大家别忘了，阴极射线的事情还没有解决呢。当年问题卡在了有人发现它在磁场中会偏转，又有人发现它在电场中不偏转，这不是互相矛盾吗。

　　卡文迪许实验室的掌门人汤姆逊在1897年的时候，决定重新研究阴极射线，他发现赫兹之所以在电场下不能偏转阴极射线，是因为真空管中有残留的气体干扰，将气体抽干净以后，阴极射线可以在电场下偏转，从而也证明了这是一种带负电的粒子。

　　接着汤姆逊给阴极射线在同一方向上同时施加电场和磁场，通过调节两者的强度，使得阴极射线正好沿着直线打在探测屏上，并且算出了粒子的荷质比。

　　不管阴极换哪种金属材料，粒子的荷质比都不会发生变化，汤姆逊猜测这种粒子是所有元素所共有的一部分，取名为电子。

　　元素既然有带负电的电子，那么它肯定有带正电的粒子，因为物质是电中性的，所以电子的发现也成为了原子存在的证据，也表明了原子可再分。这个问题可是争论了几千年的话题，不知道气死了多少人。

　　1903年卢瑟福还根据自己对原子结构的研究，提出了一个广为人知的原子模型。这个问题在下个视频中我们会提到。

　　最后一个为原子存在盖棺定论的发现是，1905年爱因斯坦发表的一篇，关于解释布朗运动现象的论文，以纯理论的方式证实了原子存在的真实性。

　　布朗运动发现的比较早，大约在1827年，说的是，植物学家布朗观察到落入水中的花粉在做随机的不规则运动。

　　80年间没有一人想清楚这是咋回事，唯独爱因斯坦通过分子热运动理论解释了花粉的不规则运动。

　　要不我经常说，爱因斯坦的数学影响不了他的伟大，因为他的物理直觉无人能及。

　　总结一下，原子存在的证据有：放射性的发现，元素的嬗变；电子的发现；以及对布朗运动的解释。

　　到1905年之后，基本上已经没人怀疑原子存在的真实性，那么接下来的工作就是既然原子存在，而且还可再分，那么原子的结构是怎样的？

　　这是下个视频，我们要说的内容。