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1、第十章 从粒子到宇宙课程资源1 古希腊的原子论思想自泰勒斯提出“万物源于水”这个命题以来，自然哲学家们都相继发展了对自然现象进行说明的理论。早期的人们都把自然现象归于某种单一的自然物质，如水、气、火等，古希腊的“四因素说”和中国古代的“五行说”都属于这类学说，这种作法虽然完成了对自然界的统一解释，但并不令人信服。人们都知道，自然界中既有水，也有火。但常言说得好，水火不相容，它们分明是两种完全不同的东西，为什么水本质上就是火或者反过来火本质上就是水呢?如此看来，用单一的自然物质作为自然界统一的基础是行不通的。自然界的现象和事物是复杂多样的，将“多”统一成“一”是不大容易的，特别是在现象的层次上，
2、更是不能服人。由于“多”与“一”的矛盾不能解决，科学思想的概念基础不能牢固建立，科学的大发展就不可能。原子论者留基伯（活跃在公元前440年左右）、德谟克里特（约前460约前370）是爱奥尼亚人，前者生于米利都，后者生于希腊北部的阿布德拉，他们提出了科学思想史上极为重要的原子论思想。原子论主张，世界是统一的，自然现象可以得到统一的解释，但统一不是在宏观的层次上进行的，不是将一些自然物归结为另一些自然物，而是将宏观的东西归结为微观的东西，这些微观的东西就是原子。把一个物体一分为二，它变得更小，但仍然是一个物体，它还可以被一分为二。这个过程是否可以无限地进行下去呢？原子论者说，不能。分割过程进行到最
3、后，必然会有一个极限，这个极限就是原子。所谓原子，在希腊文中的意思就是不可再分割的东西。原子太小，我们看不见，但世界上的万事万物都是由原子构成的，世界的共同基础是原子。为什么世界上诸种事物会彼此不一样呢？原子论回答说，这是因为组成它们的原子在形状、大小、数量上不一样。这个回答看似平常，但非同一般。我们知道，世界上丰富多彩的事物之所以难以统一，原因在于，它们看起来彼此有质的区别，原子论把这些质的区别还原成一些量上的差异，就使统一的自然界可以用数的科学来描述。我们知道数学在今天对于自然科学是必不可少的，之所以会这样，因为有原子论这样的思想基础。原子论在希腊时代还只是思辨的产物，主要是一种哲学理论，
4、不是科学理论，原子论者留基伯和德谟克里特本人并不是科学家。但是作为一种杰出的科学思想，原子论有其重要的历史地位。近代科学重新复兴了原子论，并在实验基础上构造了物质世界的原子结构。今天，“原子”已不再是一种哲学的思辨，而是一个物理学概念。物质由分子构成，分子由原子构成，而原子则由原子核和核外电子组成。20世纪，人们对原子核的内部组成又有了新的发现。这一切科学成就都根源于2500年前古希腊原子论者的天才猜想。（选自吴国盛科学的历程 北京大学出版社）2 中国古代的“五行说”和古希腊的“四元素说”五行学说是我国古代人民创造的一种哲学思想。它以日常生活中常见的五种物质金、木、水、火、土作为构成宇宙万物及
5、各种自然现象变化的基础要素。五行说把自然界一切事物的性质纳入这五大类的范畴，认为宇宙是由金、木、水、火、土五种基本物质所构成的，是金、木、水、火、土五种基本物质相杂相和而化生的。五行说认为，这五种元素各有不同属性，如木有生长发育之性；火有炎热、向上之性；土有和平、存实之性；金有肃杀、收敛之性；水有寒凉、滋润之性。这五种元素在天上形成五星，即金星、木星、水星、火星、土星，在地上就是金、木、水、火、土五种物质，在人就是仁、义、礼、智、信五种德性。五行之间有相生相克的关系。相生，指它们可以依照一定的顺序相互生成。相克，指它们之间依照另一顺序相互克制。其具体的相生关系为木生火、火生土、土生金、金生水、
6、水生木，相克关系为木克土、土克水、水克火、火克金、金克木。五行说认为，正是五行的相生相克才化生出了世间的万事万物。古希腊的哲学家伊壁鸠鲁认为：一切物质都由四种原材料，或者说元素，加上第五种不可名状而且游移不定的物质构成。这四种元素是土、水、空气和火，它们被视为是干、湿、冷、暖等特性的结合体。干和冷产生土，因此才有了泥土和石头；而水的成分是湿和冷。亚里士多德认为，光是暖和湿的混合物；在另一方面，暖和干形成火。按照四元素的理论看来，一棵破土而出的植物，是石头(土)和水同太阳光中的火的一种结合。树木被砍伐并晒干后，便失去水元素，这样就能燃烧了。树木在燃烧后变成了石头(也即灰)和火。这种观点得到了亚里
7、士多德的支持。这样简单的解释人人都能理解。因此比起难以想象的原子论来，四元素论的信徒要多得多。伊壁鸠鲁和亚里士多德的土、水、空气、火四元素论被普遍接受，并维持了许多世纪。“四元素说”认为，不同物质是由这四种不同元素依不同比例组合而成。在中世纪的欧洲，四元素说曾经是炼金术的理论依据。炼金术士们认为只要改变物质中这四种元素的比例，即可使普通金属变为黄金。四元素说承认了世界的物质性，是其进步的一面。但是却使化学的发展长期受到了阻碍。直到波义耳才否定了四元素说的错误，使得化学得以迅速发展。3 电子的发现电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究是从真空放电现象开始的。1858
8、年，德国物理学家谱鲁克在利用德国玻璃工盖斯勒发明的盖斯勒放电管研究气体放电时，发现对着阴极的管壁上出现了美丽的绿色光辉。1876年德国物理学家哥尔德斯坦证实这种绿色光辉是由阴极上所产生的某种射线射到玻璃上产生的，他把这种射线命名为“阴极射线”。“阴极射线”到底是什么？这个问题引起物理学界一场大争论。法国物理学家大多认为阴极射线是一种电磁波（以太波），英国的物理学家则认为是一种带电粒子流，这一争论持续了二十年，促使许多物理学家进行很有意义的实验，推动了物理学的发展，这场争论最后由J.J.汤姆生解决了。J.J.汤姆生，1856年12月18日生于英国，1884年任卡文迪许实验室教授。这个实验室在他的
9、领导下，成为全世界引人注目的物理实验中心，世界各地的科学家常来这里开展研究工作。图1041886年，汤姆生开始研究气体放电和阴极射线。当时英国物理学家克鲁克斯证明了阴极射线能被磁铁所偏转。1893年赫兹曾试图利用静电场使阴极射线发生偏转，但未获成功。汤姆生研究后发现，这是由于真空管的真空度不够高，静电场建立不起来。1895年，法国科学家佩兰发现金属圆筒内接收到阴极射线后圆筒带负电；1897年，汤姆生得到工艺师埃佛斯特的帮助，提高了真空度，用图10-4 所示的装置进行实验获得成功。阴极射线穿出小孔之后，进入一个静电场区域，它是由两块平行板电极加上电压而产生的，可以看到阴极射线在电场中向上偏转一段
10、距离。如果同时加上一个垂直于纸面向里的适当强度的磁场，便又可以抵消这种偏转，而使射线仍然射至对称的中心点，通过调节电压和磁场，测量射线不发生偏转时的磁感应强度，汤姆生就计算出射线粒子的速度。然后，汤姆生撤去磁场，测出射线在平板电场右端出口处横向偏转值，可以计算出阴极射线粒子的电荷与质量的比值（也称为比荷），约为氢离子比荷的2000倍。汤姆生还发现，不管怎样改变放电管中的气体（空气、氢气、二氧化碳）的种类，也不管怎样改变电极的材料（铝、铁、铂），阴极射线粒子的比荷始终保持不变，这意味着阴极射线是由一种比荷完全确定的粒子流所组成的，由此断定，这种粒子应是电极材料原子的基本组成部分。1897年8月，
11、汤姆生把他的发现写成论文阴极射线，10月发表在哲学杂志上。在这篇发现电子的论文及以后的论文中，汤姆生一直把他发现的粒子称为微粒，直至第一次世界大战后，他才顺应了科学界流行的说法，将其称为“电子”。4 粒子散射和卢瑟福有核原子模型卢瑟福在1898年研究放射性时发现、射线，并经过多年工作，在1908年1909年证明粒子就是氦离子He+。他在研究射线对物质的作用时，发现射线在底片上形成的图像会由于极薄物质的散射作用而变得边缘模糊。根据J.J.汤姆生的散射理论可以解释这个现象。1908年卢瑟福的助手盖革在用闪烁法观测粒子散射时，发现金箔的散射作用比铝箔强。卢瑟福认为：“由于、粒子穿越原子，应有可能从周
12、密研究偏折和性质中，形成原子结构的某些概念，正是这种结构产生出上述效应。实际上，高速带电粒子受物质原子的散射是解决这个问题的最适宜的方法之一。”于是，卢瑟福建议盖革系统地考察不同物质的散射作用，并让学生马斯登协助工作。在后面的实验中马斯登观察到了射线大角度散射的惊人结果。1909年，他们报导说：“粒子的漫反射取得了判决性证据。一部分落到金属板上的粒子方向改变到这样的地步，以至于重现在入射的一边。” 粒子经反射后落到闪锌屏上，平均角度为90，在屏上不同位置统计反射粒子数，得到“入射的粒子中每8000个粒子有一个要反射回来”的统计结果。当卢瑟福知道这个结果时，他觉得实在难以置信，因为这无法用J.J
13、.汤姆生的实心带电球原子模型和散射理论解释。即使用汤姆生后来提出的多次散射理论，也只能定性地说明这一反常现象，而多次散射的概率则小到微不足道，比1/8000的结果相差太远了。这些快速运动的粒子和粒子的轨道会穿越原子，并且观测到的偏折是由于原子系统中存在着强电场，这两点似已无疑问。一般都假设，、射线在穿过物质薄片时遭到的散射是由于物质原子多次微弱散射的结果。但是盖革和马斯登的射线散射观测却表明射线有一部分经单次碰撞必定会遭到大于直角的偏折。例如他们发现，入射射线的一小部分，大约两万分之一，在穿过约0.00004厘米厚的金箔时发生了平均为90角的偏折。盖革随后证明，射线束穿过这样厚的金箔，其偏折角
14、的最概然值约为0.87。根据概率论作一简单计算，表明粒子偏折到90角的机会是极小的。卢瑟福对这个问题苦思了好几个星期，他进行了简单的计算，计算结果表明，原子一定是处于强大电场的位置中，以至于一次碰撞竟能产生这样大的偏折。然后，卢瑟福从理论上探讨能够产生粒子大角度偏折的简单原子模型，再将理论推出的结果与当时的实验数据比较。他假设，对于小于10-14m的距离，中心电荷和粒子的电荷都可看成是集中在一点。经过推导，卢瑟福得到一系列推论，将盖革和马斯登的实验数据与这些推论比较，基本相符。由此，卢瑟福提出了“只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径，粒子穿越单个原子时，才有可能产生大角度散射”。1911年
15、，卢瑟福把这些成果以题为物质对、粒子的散射和原子构造的论文发表在哲学杂志上。接着，盖革和马斯登对粒子散射实验又作了许多改进，在1913年发表了全面的实验数据，进一步肯定了卢瑟福的理论。卢瑟福提出有核原子模型是经过深思熟虑的。他清楚地知道，这个模型面临与经典理论相矛盾的危险，因为正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求。卢瑟福在论文最后特别提到“长冈曾从数学上考虑过土星原子的性质”，他肯定知道长冈的图形模型和佩兰1901年提过的核模型都因上述困难而未获成功。但他却大胆地坚决地站在他们这一边，勇敢地向经典理论挑战，因为他有大角度粒子散射的实验事实作为依据。他相信自己的散射理论要比J.J.汤姆生的散
16、射理论更具有普遍性，既能解释大角度散射，又能解释散射，是经得起实践检验的。不过，在论文中他的提法很慎重，只是确认“正电荷集中在原子中心”这一点，没有作更多的推断。至于稳定性问题，他并不讳言，在论文一开始就申明：“在新阶段，不必考虑所提原子的稳定性，因为显然这将取决于原子的精细结构和带电的组成部分的运动。”卢瑟福有自知之明，知道自己的原子模型还很不完善，他“希望在一二年内能对原子构造说出一些更明确的见解”。卢瑟福严谨的科学态度，于此可见一斑。卢瑟福还明确地指出了研究原子结构的科学方法：“从原子内部结构获取信息的最有力的方法之一，在于研究高速粒子穿过物质的散射，例如粒子和粒子。由于它们的巨大运动能量，高速粒子或粒子一定会穿过挡在其路途中的原子。与原子碰撞的结果就使带电粒子偏离其直线轨道，这就可以搞清楚原子中造成偏折的电力的强度和分布。”卢瑟福的方法和理
