显微镜下真实的原子，一览无遗！

导语：世界万物都是由微小的原子构成，那原子到底长啥样？我们现在的科技可以看到原子吗？

大家现在看到的这个画面就是由一个个原子排列所形成的画面，画面中那些不断排列的微小颗粒，便是一个个原子，这幅相关动画是由IBM公司在2013年利用扫描隧道显微镜操纵单个原子所制作。在1981年，美国IBM公司的两位科学家根据量子隧穿效应，创造发明了扫描隧道显微镜，扫描隧道显微镜的面世，便把我们人类的视角带入了原子层面，它让我们对原子有了更加直观的感受，但我们知道原子模型的建立是在上世纪30年代，这时的人们还没有如此先进的科学仪器，那他们又是如何了解原子以及发现原子的内部结构的？

我们人类对原子结构的了解，可追至19世纪末对电子的发现说起，在这个时期，虽然还没有像如今强大的科学仪器，但这时却有着一群充满斗志的英雄豪杰，他们凭借着坚韧的意志以及敏锐的观察，一步一步为我们人类打开了微观世界的大门。

在19世纪时，这时的物理学家普遍都在研究一个被称为克鲁克斯管的实验装置，这个装置是一个被抽了真空的真空管，在真空管中有两个电极，一个正极和一个负极，当给这两个电极通电时，在阴极会发射出一束射线，射线打在荧光板上就会发光，所以，也称这个射线为阴极射线。

这个就是在当时很流行的一个实验装置，虽然它看着很简单，在我们眼里这就是一个很普通的装置，但当时的物理学家就是凭借这个装置撬开了原子的世界大门。克鲁克斯管会释放阴极射线，那它为何会释放射线，释放的这些射线又到底是什么？是微粒又或是1种波呢？这是当时物理学家对阴极射线的疑问。

在一八九七年，英国籍科学家汤姆逊在对阴极射线开展科学研究时，他惊奇的发现，这些射线的本质竟是一粒粒比原子还要小的微粒。在1897年，汤姆逊对克鲁克斯管进行了改造，他给阴极射线加上了电场，再加上电场之后，他发现当这些射线经过电场时会被电场偏转，这样的现象与带电粒子经过电场时的偏转极为相似，所以他认为阴极射线应该是由一粒粒的带电粒子所组成。

根据其偏转的方向及角度，汤姆逊计算出了这种粒子的荷质比，然而计算的结果却显示，这种粒子的质量竟比最轻的氢原子的质量还要小，这在当时是一个极为震惊的发现，因为在当时，人们一直是认为原子就是物质的最小结构，它不可再分，所以当发现一个比原子还要小的微粒时，这说明了什么？说明原子并不是最小的结构，为了证实这个推测，汤姆逊随后则采用了不同材料的电极，以及给射线中加入不同的气体。

结果他发现这种粒子的质量和电荷不会随着物质的不同而改变，于是他们去坚信，这种粒子也是所有物质的构成成分且还是一个比原子还要小的结构，之后，汤姆逊称这种粒子为电子。他认为电子应该是原子的内部结构，它就像一粒粒西瓜子那样镶嵌在原子的内部，这个就是人们对原子结构的最早模型，西瓜模型或枣糕模型。

当然，我们现在是知道这个模型其实并不是正确的原子模型。除过电子，原子内部其实还存在一个实心的核，即原子核，但无可否认，这个模型在人类探索原子的历程中的确是一次颠覆的发现，它首次把我们的视野带向了原子的内部。

在1911年，基于汤姆逊的西瓜模型，汤姆逊的学生卢瑟福做了一个十分著名的阿尔法粒子散射实验，根据这个实验，他最终发现了原子核的存在。在汤姆逊提出西瓜模型之后，在1909年，卢瑟福想利用阿尔法粒子轰击原子的实验来验证其老师的原子模型。根据汤姆逊的西瓜模型，电子是均匀分布在原子之内，因阿尔法粒子质量要比电子大，所以卢瑟福认为当用阿尔法粒子轰击原子时，那么阿尔法粒子应该是可以穿透其内部，但实验的结果确定，卢瑟福惊讶，当他用阿尔法粒子轰击金箔时，的确发现了一些粒子穿透了原子，但有一些粒子却并不是这样，它们好像是打在了某一个实体上发生了偏转，有的甚至还被弹了回来。

依据这个结果，卢瑟福猜测在原子内部应该还有一个很小的核心存在，这个核心聚集了原子的大部分质量，而在核心的外面才是散布的质量较小的电子。因此依据这一猜想，卢瑟福便公布了原子核和核外电子的原子模型，但在这个模型提出不久，人们又发现原子核外围的电子，应该不是卢瑟福以为的那般，是随机的轨道，这是因为依据麦克斯韦的电磁理论思想，当电子绕原子核旋转时会因其释放电磁波而损失能量，那么久而久之，电子就会落向原子核，那原子也就会缩小成像原子核那么小的一个实心结构。

而这样的状况是与实际不符的，所以在1913年，为了解决这个问题，物理学家波尔提出了电子能层轨道的原子模型，他认为电子围绕原子核旋转的轨道是以能层的形式存在，而能层与能层之间是存在间隙的，只有这样，原子才能保证它的体积以及内部空旷的空间，这个就是波尔的原子模型。波尔原子模型的出现，这标志着人类对微观世界的了解突破到了一个新的层面，因为波尔的原子模型引入了量子化概念，他把电子的轨道设定为了一层层不连续的量子数，这与我们经典理论的连续性是完全不同的。

量子化的引用，这对于探索微观世界来说是一个质的突破，这个突破让我们对原子又有了新的认识，在1926年，基于先辈们对原子的探索，奥地利科学家薛定谔便推出了非常有名的薛定谔方程，依据薛定谔方程新的原子模型，就此诞生薛定谔方程是一个概率方程，它可以描述微观粒子在某个位置出现的概率，那为什么要用概率而不用准确的值呢？

在前面我们曾提到微观的粒子世界是完全不同于我们的经典世界，在微观世界中粒子具有很多的特殊性质，而其中最重要的一个性质就是不确定性。不确定性的存在，让我们无法准确的知道粒子的位置，所以粒子的位置是模糊不定的，只能以概率来描述。

依据这个概率方程，电子就没有所谓的固定轨道，它是以概率云的方式存在于原子核的周围。因此，原子模型也就演变为了原子核加电子元的模型，这个模型就是现如今我们对原子最为准确的了解。当然，在原子核中含有质子和中子，质子和中子中，又还存在夸克。