孟胜:原子的故事——揭开原子的面纱「云里·悟理-第7课」

第七课

原子的故事——揭开原子的面纱

主讲人

《云里 · 物理》系列微课简介

大家好,经过前面几节课的铺垫,我们现在终于来到了物理学最核心的内容之一,就是我们这个世界到底是由什么组成的。

01 原子:空空荡荡世界里的存在

我首先想和大家分享的是,我们这个世界其实是空空荡荡的。大家可能觉得奇怪,我们周围充满了各种东西呀,高的、低的、大的、小的、重的、轻的,五光十色、五彩斑斓,为什么说我们周围的世界是空空荡荡的?

那我们来看一下。从大的尺度讲,整个的宇宙从一个星系到一个星系,从一个行星到另外一个恒星是多么的遥远。离我们最近的恒星是太阳,而离太阳最近的恒星连光都需要走4年。光走过太阳的大小只需要4秒钟。我们想一下,我们4秒钟经过了一个物体,要经过漫长的4年才能碰到下一个物体——这是多么空荡啊!

世界的本原

那么我们从小的尺度讲,一个原子的实体部分只有1个飞米的大小,也就是说10^-15m。两个原子的间距通常是10^-10m,也就是说差五个量级。我们想象一下,如果一个原子就像一个人的大小,那么我们在北京放一个原子,下一个原子就应该放到石家庄——这是多么广阔的距离。所以我们的世界就是这么的空空荡荡。那么空空荡荡的空间里面,仅有的那一点东西是什么?这就是我们今天要说的主题——原子。

著名的物理学家费曼曾经打过这样的一个比方:假设我们这一代人类由于核战争或者是别的灾难灭亡了,那我们最想传递给下一代人类的知识,用一句话来概括 是什么?他说最重要的就应该是“世界都是由原子组成的”这句话。如果我们知道世界是由原子组成的,那么或早或晚,我们就会发展出现代科技,就会发展出核能,发展出现代的智能社会。

费曼

说到底我们的世界、我们的万物、世界的万物,不就是一些原子的组合,也就是一堆原子和一堆橘子没有什么区别。比如说,害得我们大家不得不待在家里的病毒,它只有30000个碱基(对),每个碱基也就20~30个原子,也就是说不到1000000的原子。它是这么小的一个集体,就能产生这么可怕的威力。而我们的人体大概有10^28个原子,我们整个的宇宙大概有10^80个原子——这个数目是非常大,但是也是可以理解而且是有限的。比如说我们的太阳有10^60个原子,那么整个宇宙里面大概有10^20个太阳这样的恒星,也就是亿亿亿个(万亿亿)太阳 ,大概是这个大小。

病毒

人体

宇宙

02 水是世界的本质

我们谈到原子的概念,想理解原子的概念是从哪儿产生的。我们的先辈们

很早就在思考,我们这个世界到底是什么组成的,到底是哪些东西。在这个方面,东方文化和西方文化有惊人的一致,只是后来它们慢慢走向不同的方向。

老子说过,他在思考宇宙万物的时候,他提出“道生一、一生二、二生三、三生一万”。也就是说,宇宙的一切都是由这个“道”产生的。这个“道”是什么?可能是道理,但它是不是一个实体,他并没有指出来。后来早期的中国人又发展了这个概念,产生了五行这种观念——金木水火土。金生水、水生木、木生火、火生土、土生金,相克相生组成了我们的大千世界。

五行

在西方有非常类似的观念。最早思考世界本原的哲学家是古希腊的泰勒斯,他提出“水是世界的本原,万物都是由水组成”。今天我们听到这句话可能觉得很好笑,世界怎么可能是由水组成的呢,有很多东西不是水嘛。但是我们要正确的理解这句话,如果你知道他的意思,知道在泰勒斯的语言里水是什么意义,从我们现代科学的观念去理解它,你会发现他是非常深刻的。他的深刻体现在两个方面。首先他指出世界有本原这个东西,也就是说,大千世界,五光十色,由一个统一的东西 ,由一个不变的东西组成,那个东西还是一个实体。这个思想是非常深刻的。

另外他指出这个实体可能就是水。我们嘲笑可能就嘲笑他这一点,为什么是水呢?但是大家仔细想想,水的实质是什么?水中的原子最主要的是氢。现在的宇宙,根据现在的理解,我们的宇宙大概70%都是氢元素,剩下的20%-30%是氦还有其它的一些元素。所以我们的宇宙要么就是氢,要么就是氢中的质子组合起来的别的元素。所以说世界是由氢组成的,或者是由水组成的并没有什么差错,是非常朴素的,但是又(是)非常有洞见的。所以这个观念非常重要,启发了人们后来开展各种科学研究。

再后来,古希腊的其他哲学家又发展了这个观念,提出了“四元素”说,水气火土这是组成世界的基本元素,任何万物都是这几个基本元素混合而成的。这和我们的金木水土非常相似。

四元素

03 “四”生万物——四元素学说

泰勒斯认为水是世界的本原,但是这和现实生活可能有点矛盾。比如说一块木头晒得很干并没有水,所以人们并不完全赞同。最先提出质疑的是他的学生阿那克西曼德,他自己说世界的本原不是水,应该是别的东西,是一个连续不可分的,一个连续不断的物质。他首先质疑水是世界本原这个话,也就是说所谓的“吾爱吾师,但吾更爱真理”。

他(阿那克西曼德)不同意老师的观念,但是他的学生又更进了一步。他的学生叫阿那克西美尼。他(阿那克西美尼)指出不是水的这个东西应该是什么,应该是气。他说气是世界的本原,是所有物质的组成部分。因为水在自然条件下会蒸发会变得看不见了,不可见的这个东西就是气,到处存在,到处充盈。

紧接着赫拉克利特又提出不同的观念,他说可能不是水,也不是气,应该是火。现在我们对火可能觉得不太好把握。火到底是什么东西?火其实就是特殊的气,特别活泼的气。根据现在科学的观点,火是我们看到的发光发热一团东西,但是它实质就是里面的一些气体原子在相互发生反应,放出了热,放出了光,产生了我们感觉到的火焰这种形式。所以火就是最活泼的气。赫拉克利特提出火是世界的本原,其核心在于他认为世界是动的——因为火是运动着的。他是想强调世界的本原有一部分是连续不断而且不停地运动的东西。

再接着就是恩培多克勒。他总结了大家的这些意见。他说可能你们说的都对也都不全对,应该这几种东西都是世界的本原,都是组成我们这个丰富世界的成分,或者说基本元素。而且根据他的观察他又加了一个元素:土。因为有一些东西,像石头,他认为主要是由土组成的,不是别的。

经过这几位哲学家的发展,柏拉图把这个世界本原的认识,又进一步形象化。他最主要的贡献是认为不仅有这四种元素,而且这四种元素可能是切切实实存在的。它们都有特定的性质,所有物质的性质都可能由这四种元素来解释,甚至这些元素本身也有些特定的组成、特定的形状、特定的性质。

比如说他认为,这四个元素和四种多面体是直接对应的。大家可以想到,正二十面体就像一个球形,他说这个就是水的形象——因为水可以到处流动像球一样;这个四面体可以想象是个火——因为它特别灵活;最稳定的这个立方体就是土的形象。还有一个就是正八面体,他认为这就是气——因为大家不留意它察觉不到它,应该代表着气。

多面体

但是实际上有且只有五种(正)多面体,还有一种多面体叫正十二面体。那这是什么东西?怎么对应于四元素?这个是由柏拉图的学生亚里士多德来补充的。他认为我们地上的东西是由四元素组成的,但是天体中的东西,宇宙间的东西,应该是第五种元素组成的。这第五种元素就是以太,它就对应于正十二面体。所以他就把这个更加形象化、固定化。

亚里士多德极大地总结了前期人们对世界本原的认识,把四元素固定下来而且发扬光大。这一观念一直影响到我们人类的2000多年的文明史。直到300多年以前才有人真正质疑这个观念。

04 两千年来的物质观

我举两个例子。比如说伟大的医生希波克拉底,就采纳了四元素学说。他把四元素用到了人体里面,他认为四个元素在人体里面就对应于四种体液。比如说血液就对应于气,粘液就对应于水,黄胆汁对应于火,黑胆汁对应于土。这四种体液就对应于四种基本元素,是构成我们身体的成分,而且是相互平衡的。如果我们有一种元素多一点,我们的身体就会不舒服,就会生病。比如说如果气或者说血液多一点,可能就会上火;如果我们的粘液多一点,可能就会水肿。所以他认为人体的健康、人体的身体情况就是用四元素的多或少来解释,治病也是依照这个道理。

甚至人们用这种四种元素来解释人的性格。大家可以想象得到这四种性格分别就是多血质、粘液质、胆汁质、忧郁质(抑郁质)这四种性格。一直到今天人们仍然习惯于用这种组合来解释某一个人的个性。

另外一个例子就是开普勒,现代科学的奠基人(之一)。他仍然想采用这种四元素或者是几种多面体来理解我们这个宇宙。他认为这几大行星它们的轨道,就是这几种多面体组合。这几个多面体决定的圆,就是这几个行星的天体轨道。也反应了这个四元素或者这种世界本原的思想的巨大影响。

开普勒的宇宙模型

最先对四元素学说提出质疑的是波义耳。波义耳在1661年发表了一本书,叫作《怀疑派的化学家》。他在这里面提出就像我们今天所通常认识的那样,四元素学说太粗糙了,不可能是组成我们这个世界的本原。比如说一块金块,它到底是水,是火,还是气,还是土?它里面可能没有这些东西,也不是这些东西的混合。他认为应该用更精确的元素,更精确的认识来替代这种粗略的四元素,从而导致了我们现代科学的发展。波义耳被认为是现代化学的奠基人.

05 “嗅“到原子的味道——古原子论

刚才说到这个四元素学说,统治了人们大概2000多年的时间,是我们认识这个世界的主流的观念。但是毕竟不是所有的人都是这样认为的。这里面有一个著名的人物,就是古希腊的哲学家德谟克利特。德谟克利特大概比泰勒斯稍晚一点,和孟子大概是一个时代的。德谟克利特在思考世界的本原的时候,提到一个很重要的观念,他说世界就应该是原子和虚空组成,这个原子就是不可分的那个小单元,这个单元组成了世界的万物,这个空间——虚空——只是这些原子运动的舞台。所谓的原子按照希腊语或者英语,就是不可分的意思,a就是不,tom就是分开。原子本身就是不可分的小粒子。

德谟克利特

那么德谟克利特怎么想到“这个世界是由原子组成的”这一个重要的概念呢?传说是因为德谟克利特有一天他走在街上的时候,他突然闻到一阵面包的香味,往前一看,果然街角处有一个面包店。这个现象引起他的深思:他认为他怎么能知道前面有面包的存在呢?一定是有面包的小颗粒飘了过来,进入了他的鼻子被他所嗅到,所以他才能知道有面包。他认为这个面包的小颗粒就是一个原子,面包的原子。那么推广而来,世界所有的物体都应该是这个样子的,都由很小很小的小颗粒组成。我们之所以能感受到这个世界,就是因为这个物质的各种小颗粒——不可分的这种小粒子进入了我们的身体,比如说进入了我们的鼻子,进入了我们的耳朵,进入了我们的眼睛。

面包

甚至更有意思的是,德谟克利特提出人的灵魂可能也是由原子组成的。我们的身体是由原子组成我们的灵魂可能是由比较精密的、比较精华的原子组成。所以他讲到,如果人的身体消失了,那么原子都散开了,构成灵魂的那些比较精华的原子也散开了,所以灵魂也就不存在了。这是很朴素的一种唯物的观点。德谟克利特提出了世界由原子组成的这种原始的朴素的原子论,被称为古典原子论。

但是我们知道在德谟克利特的时代这种观念并不是主流,并不为当时的人们所普遍地接受,尤其是柏拉图和亚里士多德。他们非常厌恶德谟克利特的这种观念。柏拉图甚至提出要把德谟克利特所有的著作全都烧掉,不要让这种错误的知识——在他看来是错误的知识——流传下去。以至于今天我们对德谟克利特的认识很少,他留下来的著作也基本上没有。但是毕竟德谟克利特开创了原子论,对于那些想追求事情实质、追求事情本原、追求正确的科学道理的人提供很好的启发。

06 大胆假设——道尔顿的现代原子论

时间又到了19世纪,刚才已经提到四元素说统治了人们大部分的认识,大部分时间里对世界的认识。在波义耳还有其他一些人的努力之下,慢慢人们认识到更多的科学的道理。这时候由英国的科学家道尔顿提出了近代的原子论。

道尔顿

在道尔顿的时代,人们的科学知识已经比较丰富,有波义耳、拉瓦锡等人做了而很多的化学实验。所以道尔顿提出的原子论和德谟克利特的原子论相比,有了非常坚实的科学的依据。他的依据主要有两点:一个是所谓的定比定律,一个是倍比定律。而定比倍比定律是指化合物中的元素都是成比例的。比如说这个水,如果你电解,它一定会生成两个体积的氢气和一个体积的氧气,而绝对不会生成三个体积的氢气和一个体积的氧气——他们是成绝对比例的。由于这两个的事实道尔顿推测这些化合物——各种物质,一定是由很小的不可分的小颗粒——当然叫做原子——组成的。这些原子极其微小,它既不能被创造也不能被消灭,它不可以再被分割,在化学反应中它保持不变。所以才有了刚才的定比和倍比定律。同一种元素这些原子应该是性质、质量、大小都是相同,但是不同的元素这些形状、质量、性质应该各不相同。然后不同的原子以简单的比例组合形成了各种化合物——这就是道尔顿的原子论。

由于他建立在科学实验的基础之上,所以很快就为大家所接受。人们很乐意利用道尔顿这种原子论来理解当时进行的各种科学实验发现的各种实验现象,以至于人们利用原子论这种观点得到很多新的知识。

一个很重要的例子就是,玻尔兹曼接受了这种原子论的观点,他以“一切物质都是原子组成的”这个观念为基础,阐释了气体现象、热学现象,甚至推导出热力学第二定律,得到了各种宏观现象的统计行为,奠定了统计力学(的基础)。也就是说所有的物质都是由一大堆原子组成。这些一大堆原子它们集体运动的行为就组成了我们观察到的各种热学和其它的现象。

波尔兹曼

但是玻尔兹曼的统计力学虽然成功地解释了很多宏观现象,毕竟它是建立在“原子是存在的”这一假设的基础之上。很可惜的是在当时这仅仅是一个假设,很多人不接受甚至不赞同这个假设。主要是由马赫这种经验哲学家为代表的人物,他们认为原子看不见,所以就不存在;我们感觉不到它,它就应该不存在:我们不能接受它。这种观念在当时产生很大的影响,以至于玻尔兹曼在宣传他的学说的时候,基本上是孤军奋战,所以非常的压抑。甚至于他在1906年实在受不了这个压力,他选择自杀结束了自己的生命。这是非常可悲的。在科学史上甚至在他稍微后面一点几年到十几年的时间,原子论就获得了巨大的成功,得到了大家的公认。

07 小心求证——原子西瓜

那么这就涉及到我们怎么样能够证实原子存在这一观念,而且用科学的方法来证明。在玻尔兹曼那个时代,人们就已经开展了很多的实验,这些实验坚定地奠定了原子存在的基础。

在1897年汤姆逊做了一个著名的汤姆逊实验。他用的就是这些抽了真空的玻璃管,在玻璃管里面放一些电极,电极上加上电,电极上就会产生一种看不见的粒子流,它会打到荧光屏上产生闪光。人们推测出这种粒子流的存在。这种看不见的粒子流,人们当时把它叫做阴极射线——因为它基本上是由电极的阴电极产生的,就是在真空的玻璃管里面放上电极的时候,在加了很大的电压之后,这些电极上会产生刚才说到的射线。这些射线会在真空中运动,产生自己的轨迹,人们可以通过荧光屏闪光来推断这些粒子这些阴极射线的轨迹。汤姆逊做的实验就是在这个真空管里面加上了一个电容器,对这个电容器可以调节它的电场,把阴极射线引入这个电容器里面,通过调节电容器上的电量,能够增加阴极射线所感受到的电场,从而让阴极射线发生了偏转。

汤姆逊

汤姆逊实验

所以汤姆逊推导出,既然在电场下这个射线会偏转,那这个射线一定是带电的,所以它是由一种带电的微小颗粒组成的。甚至根据这个偏转量的大小,汤姆逊很容易推算出来这个带电量大概是多少,带电量和这个粒子质量的比例大概是氢原子的2000倍。也就是说,这个带电的小颗粒是氢原子质量的两千分之一左右。他把这个小粒子命名为电子。他认为电子是从原子中跑出来的,是原子的一部分。所以既然我们看到了原子的组成部分,那么原子也应该是存在的。他第一次从实验上证实这个原子的存在。

这个比较具有讽刺意义的是,原子第一次被实验所证实,同时也宣告了原始的原子概念的破灭。因为我们刚才已经提到,原子原始的定义就是不可分的小颗粒,但是我们现在通过测量原子内部的、能够分开的这种小颗粒,(测量这种)内部跑出来的小颗粒才得出原子的存在。由于汤姆逊探测到了电子的存在,电子这种小颗粒既然存在在原子里面,那么就应该作为一个小颗粒塞进去整个原子。为了保持中性,需要把其它的正电荷均匀地分布在这个小颗粒的周围,形成了我们所谓的枣糕模型,或者叫西瓜模型。一个电子就是一个西瓜子,正电荷就是西瓜瓤——他认为原子就是这个样子的。通过测量电子,他推算原子就应该是这样,应该是真实存在的。但是我们知道,这个并不是真实意义上的原子 。在后来的一些实验人们发现原子有一些不一样的特别的构造。

枣糕模型

1909年卢瑟福做了著名的卢瑟福实验。他的实验是这样做的:这个α粒子直接打到一块金箔上——α粒子实际上就是氦的原子核——它打到金箔上,想(通过它)探测金箔到底是由什么组成的。我们知道按照汤姆逊的观念,如果金箔上的原子全是由非常小的、质量非常小的电子,加上均匀分布的正电荷组成的话,而α粒子是质量非常大的,比氢原子还重,它打到金箔上就应该直往前冲——因为电子太小了不可能阻碍它。我们应该只能看到往前走的α粒子。但是他的实验发现,除了有往前走的α粒子,还有很多α粒子被偏转了,偏转了很大的角度,甚至有些粒子完全被偏转到180°的角度,完全被反弹回来了。那么意味着金箔里面一定有非常实在的小实体,这个实体把α粒子偏转甚至反弹回去。所以卢瑟福提出了新的原子模型:这个物质中的原子大部分质量都集中在一个很小的部分,叫做原子核;而电子只是原子核周围飞来飞去的一些小颗粒。这些原子核非常致密,以至于占的空间很小,但是一旦碰上就会把α粒子反弹回去。这个叫做有核的原子模型,或者卢瑟福的原子模型。他和汤姆逊的原子模型非常不一样,但是经过实验,经过推测,人们认为这种原子模型更加的合乎实际。

卢瑟福

卢瑟福实验

汤姆逊的原子模型

卢瑟福的原子模型

其实原子的证实还有一些间接的证据,比如说大家所熟知的布朗运动。布朗是英国的植物学家,他在1827年的时候偶然发现,如果把花粉上的小颗粒放在水上,用显微镜观察发现这些小颗粒会永远不停地在那运动,它产生的轨迹就是图里的黑线,是一种无规则的、但是永不停息的运动的状态。人们后来对这种现象做了大量的分析,其中有代表性的给出定量结论的是爱因斯坦在1905年做的工作。人们得知这些花粉之所以不停地无规地在运动,是因为水面上存在很多水的原子,或者说水分子,在颗粒很小的时候,这些水分子会不停地撞击这些颗粒,但不会均匀地撞击。有些时候往上运动的水分子多,它就会把小颗粒往上推动;有时候往左运动的水分子多一些,就会把小颗粒往左推动。所以这些花粉小颗粒的轨迹就反应了水的分子的存在这个事实,从而间接推出水是由原子或者分子组成的。

布朗运动

08 “眼见为实”——“看”见整个原子

1900年代人们对原子的存在已经毫无疑问了。那么我们今天又有什么进展?俗话说,百闻不如一见,最重要能证明原子存在的证据,应该是直接看到原子。当然了我们不可以用肉眼,或者用可见光能看到原子。这方面重要的进展是人们发明了电子显微镜,可以用电子探测的方法来观察到原子的存在。

实际上早在上世纪六十年代,人们就通过场发射的电子显微镜观察到铂针尖上有很多的电子发射出来,这些电子就来自于针尖上的原子。这些电子在屏幕上的分布就反应了针尖上的原子的分布。这里一个小亮点就是一个铂的原子,所以可以说直接能够“看”到了原子的存在。

铂针尖

更直接的证据是八十年代。在八十年代宾宁 (Binnig) 和罗雷尔 (Rohrer)这两个科学家发明了扫描隧道显微镜。它是利用电子的隧穿这种量子效应来探测物质表面的信息。电流的分布对空间非常敏感,就能反应出原子的分布。所以人们看到硅的表面就是原子排成这个样子。这就是硅表面的原子图像。一个亮点就代表一个硅的原子。

硅表面原子

甚至人们可以改变这些原子的分布,用这些针尖拨弄这些原子,让原子组成特别的形状,特别的图案。比如说1989年IBM的科学家就用原子,单个的原子组成了IBM这三个字母,这样可以用来存储一些信息,或者产生一些高科技的应用。

“IBM”图案

到了最近几年,甚至有更好玩的一些进展,比如我们刚才说原子太小,不可能用肉眼看见,也不可能用可见光直接成像,但是人们可以做一些巧妙的事情。比如说这里是单个的镱原子,单个的镱原子人们利用它吸收光子的特性,可以用大量的光子去照射这一个原子。那么原子存在的地方会吸收一些光子,会变暗,别的地方就会显得亮一些。这样的话一个暗影区就代表了这个原子的存在。从某种意义上来说,也是可以直接“看”到了看到了原子的阴影,单个原子的阴影。

这边是一个单个的锶原子,保存在很低温的真空环境里面。人们用激光去照射这个锶原子,会看到锶原子会发出光,一个小蓝点。如果你仔细去观察的话,这个小蓝点就代表了这个锶原子的存在。但是我们想强调,这个蓝点的大小并不是原子的大小,它只是这个单个原子发射光的光斑的大小。

09 “最小的演员——世界是我的舞台”

甚至人们可以拿原子来拍摄一个电影:一个原子组成了各种图案,这个图案之间连在一串,就形成这部电影的形象。IBM用这些原子作为演员,拍了一个一分钟的小视频,大家可以看一下,奇妙地展示了原子世界的有趣的一面。

这节课我们学习了原子的重要概念,并且了解到原子这个概念是怎么一步步地提出、发展、最后为大家所接受的。这节课我们还学到了原子的(基本)性质,以及怎么用原子来理解我们世界的万物。

下节课我们将了解到还有一些奇怪的原子,这些奇怪的原子又由什么东西组成的,又有哪些性质,以及我们所熟悉的这些原子它本质上又是个什么东西,它有哪些成分呢——这些我们可以通过下节课来学习。我们下期再见!

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主办单位

中国科学院物理研究所长三角研究中心

中国物理学会科普工作委员会

出品单位

悟理学院

支持单位

中国青少年科技辅导员协会

北京青少年科技教育协会

江苏中关村科技产业园管委会

校对:Dannis

编辑:fengyao

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