原子论
有一种观点,即万物都由二、三个简单的部分所构成。
这种观点起源于公元前4世纪期间原子论的哲学中。
原子论由希腊哲学家卢萨普斯创立,他的弟子德莫克里特更充分地发展了这一哲学观点。
德莫克里特给他的基本粒子命名为原子,意思就是不可分割。
他把原子想象为小而坚硬的粒子,由大小和形状不同的相同物质组成。
在公元前3世纪期间,一位名叫伊彼究鲁的希腊哲学家把德莫克里特原子论融汇到自己的哲学体系之中。
大约公元前50年,罗马哲学家和诗人克里蒂斯在他的诗中提出了原子论的基本原则。
在中世纪这段时间,原子概念在很大程度上被忽略了,部分原因是因为亚里斯多德拒绝接受原子论。
亚里斯多德是古希腊的哲学家,他的理论统治了中世纪的哲学和科学。
然而,原子是形成所有物质基本单位的观点却留存了下来。
在16和17世纪期间,现代科学的缔造者们,如英国的培根和牛顿以及意大利的伽利略都相信原子。
但是这些科学家仅为德莫克里特所描述的原子理论增添了少许内容。
现代原子理论的诞生
1750年,出生在现克罗地亚的科学家布斯卡维齐提出,德莫克里特所认为的原子"不可分割"的观点可能是错误的。
布斯卡维齐认为,原子包含更小的部分,而更小的部分中还含有再小的部分,如此下去,直到构成物质的基本结构单元。
他认为这些结构单元肯定是没有大小的几何学上的点。
今天,大多数原子物理学家接受这种想法的现代形式。
当化学成为18世纪末期一门精确科学的时候,原子理论得到了极大的发展。
化学家发现,只能根据某种固定的质量比例将元素组成化合物。
1803年,一位名叫道尔顿的英国化学家提出了一种原子理论,对这一发现进行解释。
道尔顿假设,每种元素都由特别种类的原子构成,并且元素的不同性质是由于它们的原子上存在的差异所致。
他进一步指出,同种元素的所有原子在大小、形状和质量上都是相同的。
根据道尔顿的理论,当原子结合并形成一种特定化合物的时候,总是以特定的数目比例实现。
结果,一种特定化合物的质量组成总是固定不变的。
原子结构的首次描述
1897年,英国物理学家汤姆逊发现了原子是"可分割的"。
在研究真空管中的阴极射线时,他发现了这种现象,并确认这种射线由质量很轻、带负电荷的粒子构成。
由此,汤姆森发现了电子。
他随即意识到,电子一定是原子的一部分。
他假设了一个模型,在这个模型中带负电荷的电子镶嵌在带正电荷的球体中。
尽管汤姆森的描述距离人们现在所了解的真实情况还很遥远,但他的工作却激励了其他科学家去对原子结构进行研究。
1911年,汤姆森以前的学生、英国物理学家卢瑟福提出了自己的原子结构理论。
他宣称,几乎全部的原子质量都集中在微小的原子核中。
他还指出,原子核被电子所包围,电子在原子核的外部空间高速运动,速度大得惊人。
卢瑟福这种理论的依据是他所做的用α粒子轰击金箔的实验结果。
实验中,大部分粒子穿过了金箔,这表明金原子内部大部分是空的。
但是,有一些粒子就好像它们碰撞到了固体似的,被反弹了回来。
卢瑟福得出结论,这些粒子被极微小、但是很重的原子核强力地反射。
卢瑟福的理论并没有解释电子在原子中的分布。
然而,在1913年与卢瑟福一起工作的丹麦物理学家波尔对电子结构做出了描述。
波尔指出,电子只能在围绕核的某一轨道上运动。
虽然波尔原始粗糙的原子图像不够清晰,但是这种观点的许多方面后来被证明是正确的。
1924年,法国物理学家路易斯.德.布罗意提出,电子有着一些波的性质。
到了1928年,通
过许多物理学家的努力,对电子的排布有了正确的描述。
原子核的研究
尽管到1928年时,物理学家已经掌握了电子的运动状况,但是,核在很大程度上仍然是个谜。
1902年,质子得以确认,并且卢瑟福在1914年提出,质子是原子核组成的一部分。
但是科学家意识到,原子核不会只由质子构成。
1932年,一位名叫.查德维格的英国物理学家发现,原子核也包括不带电荷的粒子(或叫做中子)。
同时,到了20世纪30年代早期,科学家研制出了粒子加速器,以便产生足够高的能量来研究原子核。
原子核物理学的先驱们并没有期望看到他们的知识很快就能被实际利用。
然而,研究人员在1938年发现,用中子轰击铀原子的核,可以使核分裂成两部分,并释放出能量。
他们称这个过程为核裂变。
核裂变在1939年二次大战爆发前的几个月被发现,并用于原子弹中,在1945年帮助尽快结束了这场战争。
原子武器的发展使许多国家政府认识到原子核物理学的重要性,因此,战后这些政府为原子核的研究提供大量的资金。
有了资金,使建造更大规模和能量的加速器成为可能。
通过这些加速器,有关原子核的细节情况越来越多地展现在人们面前,研究人员意识到,质子和中子不是简单的物质。
他们还发现,中子并不完全缺少电荷,相反,它包含相同数量的正、负电荷。
另外,研究人员还发现了数以百种新粒子。
这些粒子与其它粒子以及质子和中子都十分相似,这表明,所有核子可能仅仅是一些简单基本的不同排列而已。
新近发现
到了1964年,研究人员已经找到了足够的线索来证明,质子、中子和其他核子的基本部分可能是相似的。
为此,加利福尼亚理工学院两位物理学家--美国人杰尔曼和俄罗斯裔的茨威格提出了一种理论,用来描述这些部分。
杰尔曼将这些部分命名为夸克。
到1971年,物理学家已经能够证明,这些粒子比质子和中子要小很多。
夸克理论的成功导致了亚原子物理学的快速发展。
由于这些粒子很复杂,一直没有形成对质子和中子相互之间力的作用的准确描述。
不过,使夸克保留在一起的力已经被充分认识,这可以最终帮助物理学家理解核力。
无论夸克是否是原子的最终极端,基本的结构单元的问题仍然存在。
为了回答这个问题,很多研究一直在进行之中。