第九章威力巨大的原子(3)
開頭，盧瑟福研究無線電波，取得了一點成績--他成功地把一個清脆的信號發送到了1公裏之外，這在當時是一個相當可以的成就--但是，他放棄了，因為有一位資深同事勸他，無線電沒有多大前途。總的來說，盧瑟福在卡文迪許實驗室的事業不算興旺。他在那裏待了3年，覺得自己沒有多大作為，便接受了蒙特利爾麥克·吉爾大學的一個職位，從此穩步走上了通向輝煌的漫長之路。到他獲得諾貝爾獎的時候，他已經轉到曼徹斯特大學。其實是在那裏，他將取得最重要的成果，確定原子的結構和性質。
到20世紀初，大家已經知道，原子是由幾個部分構成的--湯姆遜發現電子，就確立了這種見解--但是，大家 還 不知道的是：到底有多少個部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什麽形狀。有的物理學家認為，原子可能是立方體的，因為立方體可以整齊地疊在一起，不會浪費任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄幹麵包，或者像一份葡萄幹布丁：一個密度很大的固體，帶有正電荷，上麵布滿了帶負電荷的電子，就像葡萄幹麵包上的葡萄幹。
1910年，盧瑟福（在他的學生漢斯·蓋格的協助之下。蓋格後來將發明冠有他名字的輻射探測儀）朝一塊金箔發射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會反彈回來。他說，他就像朝一張紙發射了一發38厘米的炮彈，結果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發生的事。經過冥思苦想以後，他覺得隻有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識到，原子內部主要是空無一物的空間，隻有當中是密度很大的核。這是個很令人滿意的發現。但馬上產生了一個問題，根據傳統物理學的全部定律，原子因此就不應該存在。
讓我們稍停片刻，先來考慮一下現在我們所知道的原子結構。每個原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質子，帶負電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質子和中子裝在原子核裏，而電子在外麵繞著旋轉。質子的數量決定一個原子的化學特性。有一個質子的原子是氫原子；有兩個質子的原子是氦原子；有三個質子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個質子就得到一種新元素。（由於原子裏的質子數量總是與同樣數量的電子保持平衡，因此你有時候會發現有的書裏以電子的數量來界定一種元素，結果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質子決定一個原子的身份，電子決定一個原子的性情。）中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質量。一般來說，中子數量與質子數量大致相等，但也可以稍稍多一點或少一點。增加或減少一兩個中子，你就得到了同位素。考古學裏就是用同位素來確定年代的--比如，碳－14是由6個質子和8個中子組成的碳原子（因為二者之和是14）。
中子和質子占據了原子核。原子核很小--隻有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大，它實際上構成了原子的全部物質。克羅珀說，要是把原子擴大到一座教堂那麽大，原子核隻有大約一隻蒼蠅那麽大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。
認為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實體隻是一種幻覺，這個見解現在依然令人吃驚。要是兩個物體在現實世界裏碰在一起--我們常用台球來作為例子--它們其實並不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費裏斯解釋說，"兩個球的負電荷場互相排斥......要是不帶電荷，它們很可能會像星係那樣安然無事地互相穿堂而過。"你坐在椅子上，其實沒有坐在上麵，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上麵，你的電子和它的電子不可調和地互相排斥，不可能達到更密切的程度。
差不多人人的腦海裏都有一幅原子圖，即一兩個電子繞著原子核飛速轉動，就像行星繞著太陽轉動一樣。這個形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學家創建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯的，但照樣很有生命力。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽係，我們的太陽係成了一個大得多的體係裏的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長岡所提出的圖像作為它網站的標記。物理學家很快就意識到，實際上，電子根本不像在軌道上運行的行星，更像是電扇旋轉著的葉片，想要同時填滿軌道上的每一空間。（但有個重要的不同之處，那就是，電扇葉片隻是好像同時在每個地方，電子真的就同時在每個地方。）
不用說，在1910年，或在此後的許多年裏，知道這類知識的人為數甚少。盧瑟福的發現馬上產生了幾個大問題。尤其是，圍繞原子核轉動的電子可能會墜毀。傳統的電動力學理論認為，飛速轉動的電子很快會把能量消耗殆盡--隻是一刹那間--然後盤旋著飛進原子核，給二者都帶來災難性的後果。 還 有一個問題，帶正電荷的質子怎麽能一起待在原子核裏麵，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見，那個小天地裏在發生的事，是不受適用於我們宏觀世界的規律支配的。
開頭，盧瑟福研究無線電波，取得了一點成績--他成功地把一個清脆的信號發送到了1公裏之外，這在當時是一個相當可以的成就--但是，他放棄了，因為有一位資深同事勸他，無線電沒有多大前途。總的來說，盧瑟福在卡文迪許實驗室的事業不算興旺。他在那裏待了3年，覺得自己沒有多大作為，便接受了蒙特利爾麥克·吉爾大學的一個職位，從此穩步走上了通向輝煌的漫長之路。到他獲得諾貝爾獎的時候，他已經轉到曼徹斯特大學。其實是在那裏，他將取得最重要的成果，確定原子的結構和性質。
到20世紀初，大家已經知道，原子是由幾個部分構成的--湯姆遜發現電子，就確立了這種見解--但是，大家 還 不知道的是：到底有多少個部分；它們是怎樣合在一起的；它們呈什麽形狀。有的物理學家認為，原子可能是立方體的，因為立方體可以整齊地疊在一起，不會浪費任何空間。然而，更普遍的看法是，原子更像一塊葡萄幹麵包，或者像一份葡萄幹布丁：一個密度很大的固體，帶有正電荷，上麵布滿了帶負電荷的電子，就像葡萄幹麵包上的葡萄幹。
1910年，盧瑟福（在他的學生漢斯·蓋格的協助之下。蓋格後來將發明冠有他名字的輻射探測儀）朝一塊金箔發射電離的氦原子，或稱α粒子。令盧瑟福吃驚的是，有的粒子竟會反彈回來。他說，他就像朝一張紙發射了一發38厘米的炮彈，結果炮彈反彈到了他的膝部。這是不該發生的事。經過冥思苦想以後，他覺得隻有一種解釋：那些反彈回來的粒子擊中了原子當中又小又密的東西，而別的粒子則暢通無阻地穿了過去。盧瑟福意識到，原子內部主要是空無一物的空間，隻有當中是密度很大的核。這是個很令人滿意的發現。但馬上產生了一個問題，根據傳統物理學的全部定律，原子因此就不應該存在。
讓我們稍停片刻，先來考慮一下現在我們所知道的原子結構。每個原子都由三種基本粒子組成：帶正電荷的質子，帶負電荷的電子，以及不帶電荷的中子。質子和中子裝在原子核裏，而電子在外麵繞著旋轉。質子的數量決定一個原子的化學特性。有一個質子的原子是氫原子；有兩個質子的原子是氦原子；有三個質子的原子是鋰原子；如此往上增加。你每增加一個質子就得到一種新元素。（由於原子裏的質子數量總是與同樣數量的電子保持平衡，因此你有時候會發現有的書裏以電子的數量來界定一種元素，結果完全一樣。有人是這樣向我解釋的：質子決定一個原子的身份，電子決定一個原子的性情。）中子不影響原子的身份，但卻增加了它的質量。一般來說，中子數量與質子數量大致相等，但也可以稍稍多一點或少一點。增加或減少一兩個中子，你就得到了同位素。考古學裏就是用同位素來確定年代的--比如，碳－14是由6個質子和8個中子組成的碳原子（因為二者之和是14）。
中子和質子占據了原子核。原子核很小--隻有原子全部容量的千萬億分之一，但密度極大，它實際上構成了原子的全部物質。克羅珀說，要是把原子擴大到一座教堂那麽大，原子核隻有大約一隻蒼蠅那麽大--但蒼蠅要比教堂重幾千倍。1910年盧瑟福在苦苦思索的，就是這種寬敞的空間--這種令人吃驚、料想不到的寬敞空間。
認為原子主要是空蕩蕩的空間，我們身邊的實體隻是一種幻覺，這個見解現在依然令人吃驚。要是兩個物體在現實世界裏碰在一起--我們常用台球來作為例子--它們其實並不互相撞擊。"而是，"蒂姆西·費裏斯解釋說，"兩個球的負電荷場互相排斥......要是不帶電荷，它們很可能會像星係那樣安然無事地互相穿堂而過。"你坐在椅子上，其實沒有坐在上麵，而是以1埃（一億分之一厘米）的高度浮在上麵，你的電子和它的電子不可調和地互相排斥，不可能達到更密切的程度。
差不多人人的腦海裏都有一幅原子圖，即一兩個電子繞著原子核飛速轉動，就像行星繞著太陽轉動一樣。這個形象是1904年由一位名叫長岡半太郎的日本物理學家創建的，完全是一種聰明的憑空想像。它是完全錯的，但照樣很有生命力。正如艾薩克·阿西莫夫喜歡指出的，它給了一代又一代的科幻作家靈感，創作了世界中的世界的故事，原子成了有人居住的太陽係，我們的太陽係成了一個大得多的體係裏的一顆微粒。連歐洲核子研究中心也把長岡所提出的圖像作為它網站的標記。物理學家很快就意識到，實際上，電子根本不像在軌道上運行的行星，更像是電扇旋轉著的葉片，想要同時填滿軌道上的每一空間。（但有個重要的不同之處，那就是，電扇葉片隻是好像同時在每個地方，電子真的就同時在每個地方。）
不用說，在1910年，或在此後的許多年裏，知道這類知識的人為數甚少。盧瑟福的發現馬上產生了幾個大問題。尤其是，圍繞原子核轉動的電子可能會墜毀。傳統的電動力學理論認為，飛速轉動的電子很快會把能量消耗殆盡--隻是一刹那間--然後盤旋著飛進原子核，給二者都帶來災難性的後果。 還 有一個問題，帶正電荷的質子怎麽能一起待在原子核裏麵，而又不把自己及原子的其他部分炸得粉碎。顯而易見，那個小天地裏在發生的事，是不受適用於我們宏觀世界的規律支配的。