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人类如何发现原子存在?又是怎样知道原子结构的?

前几期的视频我多次说到,人类确定原子存在是一件非常艰难的事情,虽然从古希腊开始,人们就说过,物质是由原子构成的,这些原子就是没有结构的实心小球,不可分割;

但2000多年来,原子只是哲学上的思辨,并没有充分的论证,所以对科学来说没有多大的意义。

到了19世纪,关于原子是否存在分成了两派,一派是毫无理由的相信原子的存在,另一派就是毫无理由的不相信原子的存在。

这两派之间的争论俗称抬杠,目的就是看谁先被气死。很显然19世纪的麦克斯韦、玻尔兹曼相信原子存在,他俩通过假设原子的存在,利用统计学去研究分子的热运动,解释了气体的宏观性质,宏观性质都有啥?比如我们人为能感受到的温度和压力。

而反对原子论的人就有赫赫有名的大科学家马赫以及奥斯瓦尔德,这两人的资历和威望非常高。

由于麦克斯韦主要的研究领域不在热力学,而且他去世得也早,因此玻尔兹曼就成为了主要的攻击对象,在长时间的与人争论中,玻尔兹曼越来越觉得自己被孤立了起来,甚至觉得别人都看不起他,长时间的这种心态就导致了他的精神出现了严重问题,加上病痛的折磨,于1906年结束了自己的生命。

按理说,原子是否存在,以及原子的化学性质这些问题都是化学家的事情,但是此时的化学家只能通过元素之间的化学反应,归纳出一些表象规律,对研究原子来说并无多大的实际意义。

所以还得物理学家出手解决这些问题。对原子是否存在的研究并不是简单地通过某一项实验直接确定的,而是一个循序渐进的过程。

这还得从1858年说起,这一年德国物理学家“尤利乌斯・普吕克”在研究低压真空管放电实验的时候发现,低压真空管阳极一端的玻璃壁上出现了绿色的辉光。

低压放电管的结构很简单,里面有稀薄的气体,一端是阴极、一端是阳极,各自连接一个金属电极,在两端加几千伏的电压后,就能在阳极玻璃管上看到微弱的绿光。

为了进一步研究绿光的来源,英国人克鲁克斯改进了真空放电管,改进后的管子叫克鲁克斯管。也就是图中的样子。

在管子的末端涂上荧光粉,然后在前面放一个金属薄片,通电以后,可以看到金属片的阴影投在了末端玻璃管上。

这说明,有一种看不见的东西从阴极发射了出来,可以肯定它的穿透力不是很强,打在末端的荧光粉上,使得荧光粉发出了明亮的绿色辉光。

这种看不见的东西是啥?当时谁也不知道,不过给它起了一个名字叫:阴极射线。这种神奇的现象立即引起了人们的兴趣,各大实验室的物理学家都开始把玩阴极射线管。

你能想到,就这一个小小管子,让人类顺着线索发现了放射性,发现了元素的衰变;也让人类发现了原子的组成部分。

关于阴极射线到底是啥?一开始英国人和德国人就吵了起来,英国人说这是一种带电粒子,德国人说这是类似于紫外线的电磁波,当时他们把电磁波叫以太波。

英国说这话的人是瓦尔利,因为他发现阴极射线在磁场中会偏转,德国说以太波的人是赫兹,他发现这玩意在电场中不发生偏转。

德国除了赫兹,维尔茨堡大学的伦琴也在实验室摆弄阴极射线管,在研究阴极射线的时候,通常要关灯、拉窗帘,在暗室中实验效果更好一些,有天他无意中把一个荧光屏放在了阴极射线管的旁边,这时他发现除了玻璃管的末端,在距离射线管比较远的荧光屏上也看到了绿色闪光。

他为了确认,是不是有阴极射线跑出来了,就用黑纸包裹玻璃管,用纸片,木板遮挡,都无法消除闪光,只有换了稍微厚一点的金属板的时候,才消除了荧光屏上的闪光。

伦琴确认,这并不是阴极射线,因为这种看不到的新射线穿透能力非常强,他用代表未知的字母X,将其命名为X射线。

关于X射线是如何在阴极射线管中出现,这个问题我会在后面的视频中提到。我们接着往下说;

1895年12月28号伦琴以一篇题为《关于一种新射线》的文章发表了他的发现。

X射线瞬间点燃了科学界的热情,也在全世界引起了巨大的轰动,各大报纸头版头条疯狂报道,如此轰动的原因是,伦琴照出了人类历史上第一张人体X射线的照片,在所有的人看来,这个发现跟魔法一样神奇。

消息很快传到法国,法国人贝克勒尔知道伦琴的发现以后,比任何人都兴奋,因为他家祖上就是研究荧光物质的,比如有些铀矿石在黑暗环境下就能发出幽幽绿光,不过非常暗基本上看不到,但是把铀矿石放在太阳底下暴晒一下,荧光就会变得非常强烈。

贝克勒尔就想,铀矿石在太阳下一晒,是不是也能发出X射线,结果发现只要是含铀的荧光物质,不需要暴晒就能释放出看不见的辐射,将照相底片曝光。

这是人类首次发现的元素放射性现象,不过放射性这个词是后来居里夫人发明的。在贝克勒尔之后,居里夫人成为了法国乃至当时全世界放射性研究的先驱。

1896年,在英国卡文迪许实验室,给汤姆逊当助手的卢瑟福,正在按照导师的要求研究X射线,对气体产生的效应时,听说了贝克勒尔的铀射线。

他决定从穿透能力的角度研究下铀射线,卢瑟福发现铀释放出来的射线有两种,一种穿透力很弱,一张纸就能把它挡住,命名为α射线。

一种穿透能力稍微强一些,需要一张薄铝板才能挡住,跟阴极射线的穿透能力差不多,命名为β射线,后来证实阴极射线和β射线其实是同一种东西。

随后德国物理学家发现钍及其化合物也能发出辐射,卢瑟福发现钍的辐射中有一种射线穿透力明显强过于前两种射线,按照字母顺序就叫它γ射线吧。

1901年卢瑟福先是发现了放射性的半衰期,也就是元素放射性强度下降一半所需要的时间。随后又同英国化学家索迪发现了,元素的嬗变现象,也就是元素在经历了放射性辐射以后,就转变成了另外一种元素。

这一发现一下圆了化学家点石成金的梦想,牛顿要是知道这事,估计能激动地哭出来,这是他最爱的事业。

至此元素的放射性,以及元素的嬗变,就成为了原子存在的证据之一。

大家别忘了,阴极射线的事情还没有解决呢。当年问题卡在了有人发现它在磁场中会偏转,又有人发现它在电场中不偏转,这不是互相矛盾吗。

卡文迪许实验室的掌门人汤姆逊在1897年的时候,决定重新研究阴极射线,他发现赫兹之所以在电场下不能偏转阴极射线,是因为真空管中有残留的气体干扰,将气体抽干净以后,阴极射线可以在电场下偏转,从而也证明了这是一种带负电的粒子。

接着汤姆逊给阴极射线在同一方向上同时施加电场和磁场,通过调节两者的强度,使得阴极射线正好沿着直线打在探测屏上,并且算出了粒子的荷质比。

不管阴极换哪种金属材料,粒子的荷质比都不会发生变化,汤姆逊猜测这种粒子是所有元素所共有的一部分,取名为电子。

元素既然有带负电的电子,那么它肯定有带正点的粒子,因为物质是电中性的,所以电子的发现也成为了原子存在的证据,也表明了原子可再分。这个问题可是争论了几千年的话题,不知道气死了多少人。

1903年卢瑟福还根据自己对原子结构的研究,提出了一个广为人知的原子模型。这个问题在下个视频中我们会提到。

最后一个为原子存在盖棺定论的发现是,1905年爱因斯坦发表的一篇,关于解释布朗运动现象的论文,以纯理论的方式证实了原子存在的真实性。

布朗运动发现的比较早,大约在1827年,说的是,植物学家布朗观察到落入水中的花粉在做随机的不规则运动。

80年间没有一人想清楚这是咋回事,唯独爱因斯坦通过分子热运动理论解释了花粉的不规则运动。

要不我经常说,爱因斯坦的数学影响不了他的伟大,因为他的物理直觉无人能及。

总结一下,原子存在的证据有:放射性的发现,元素的嬗变;电子的发现;以及对布朗运动的解释。

到1905年之后,基本上已经没人怀疑原子存在的真实性,那么接下来的工作就是既然原子存在,而且还可再分,那么原子的结构是怎样的?

这是下个视频,我们要说的内容。