原子的“指纹”

原子的“指纹”

在人类探索物质微观结构的进程中，人们认识最早的粒子便是原子。从15世纪下半叶起，随着自然科学的不断发展，人们通过对大量的物理现象和化学现象的深入研究，已经认识到了原子的实在性。特别是通过物质化学运动方面的研究，人们不仅认识了原子许多基本的特性，而且，也认识到原子本身是多种多样的。但是，那个时候人们一向认为，原子是构成世间万物的、不能够再分的“原始物质”。正是这些原子构成了天体、我们的地球以及自然界中的一切，也包括了声、光、电，甚至连社会现象和思维现象都可以归结为原子的机械运动。总之，人们认为原子是构成世间一切一切的最小单元。这幅“原子世界图景”，虽然可以使人们了解到原子世界的绚丽多彩，但是它却制约着人们对物质世界更深层次的认识与探索。

按照原子论的学说，各种原子没有质的区别，只有大小、形状和位置的差异，这些原子始终处于永不停息的运动之中，它们以各种不同的方式相互结合，从而可以构成五颜六色的大自然。

截止到目前，人们已经认识到，自然界中的各种物质是由100多种最基本的物质单元构成的，人们通常称这些单元为“元素”，比如，氧元素、氢元素、铁元素……好像音乐简谱中的七个音符，由这几个小小的音符，便可以组成人间众多的、美妙动人的旋律；同样，由这些元素也可以构成种类繁多的物质世界。

每一种元素都有一种原子与之对应，同一种元素的原子具有相同的性质，它们的大小、形状和质量完全一样；而不同元素的原子，它们的性质则各异。目前，连同各种元素的同位素在内，原子的总数已多达几百种，其中大部分是自然界存在的。在元素周期表中，92号元素以后的各个元素，都是通过人工方法制造出来的。

电子发现以后，揭开了原子的秘密。原子世界仅仅是物质微观结构中的一个层次。随着现代科学技术的飞速进步，尤其是原子核物理学科的建立与发展，原子世界内部的奥秘越来越多地被揭示出来。短短的几十年间，人们在探索原子世界方面已经取得了巨大的成果，一幅幅美妙的图画已展现在世人的面前。

原子内部是一个非常复杂的系统，它是由更微小的粒子构成的。1911年，英国物理学家卢瑟福在前人工作的基础上，结合实验研究的成果，大胆地提出了原子有核模型的新思想，把原子划分为原子核与核外电子两部分。原子核仅占据原子中心很小一部分，但是，它却集中了原子99．9%的质量。原子核密度之大，真是令人惊讶，每立方米高达10¹⁷千克。如果把原子核一个一个地排列起来，装满一个小小的火柴盒，那么，这个火柴盒的质量相当于整个喜马拉雅山的总质量。这样高密度的物体，在地球上，人们还从未发现过。只有在浩瀚无垠的宇宙间，才能够找到它们的踪影，像中子星、黑洞等这些天体，它们的质量密度可以达到这样的数量级。

自然界中为数众多的原子，它们的结构类似，长得模样都差不多，那么，人们怎样才能准确地区分它们呢？要想做到这一点，需要设法找到每一种原子，它们最具代表性的特征是什么。只要知道了这些不同原子的特征标记，就等于掌握了分辨它们的方法。原子的这种“特征标志”就好比人的“指纹”一样，尽管每个人的手外形长得都差不多，然而，它们的“指纹”却截然不同。每个人都有自己独特的指纹，因此，指纹便是区分每一个人非常重要的标记。读者会有这样的常识，公安人员在办案的时候，常常会在蛛丝马迹当中，依据作案人员留下的小小指纹，可以获得意想不到的结果，对侦破案情往往会起到关键的作用。

对于原子来说，究竟什么是区分它们的标记呢？也就是说，原子的“指纹”是什么呢？英国的一位物理学家、诺贝尔物理学奖获得者格洛维·巴克拉圆满地解决了这个神秘的问题。

科学家们在实验中发现，任何一个带电粒子，当它做加速运动的时候，会不断地以发射光子的形式，向外辐射能量。若将X射线管与电源相联接，阴极发射出来的电子，在电场力的作用下，会获得很高的能量。这些电子在与阳极板相撞时，由于遇到了障碍物，电子运动急剧改变，会产生很大的加速度。这样，电子就会不断地向外释放能量，这正是前面讲到的X射线产生的情况。

科学家们进一步研究发现，当X射线管接入的电压比较低的时候，产生的X射线光谱是连续变化的，而且，不论阳极板是用什么金属材料制成的，产生的光谱是一样的，均为连续光谱。但是，如果接入的电压足够高的话，情况就完全不同了，这时，形成的X射线光谱不再连续变化，而是形成独立的光谱，即光谱线是一条一条分开的，人们将这种光谱称为“线状光谱”。采用不同材料制作的阳极板，实验中观察到的线状光谱完全不同。例如，用金属钼制作的阳极板与金属钨制作的阳极板，产生的线状光谱存在着明显的差异。这一实验结果，给予人们很大的启示，为探寻区分原子的方法指出了方向。

因为任何一种阳极板，制作它的材料都是由原子组成的，使用的材料不同，其原子自然不一样。比如，钼原子与钨原子是性质不同的两种原子。由此表明，不同的原子形成的线状光谱是不一样的。通过大量的、反复的实验，人们惊奇地发现：每一种原子都有自己特定的线状光谱；不同的原子，它们的线状光谱彼此都是不一样的。因此，人们通常把这类光谱称为原子的“特征光谱”，或者叫做原子的“标识光谱”。

原子特征光谱的发现，为人们区分和鉴别原子提供了有效的方法和手段。这正如人的指纹一样，特征光谱就是原子的“指纹”，是原子“身份”的标志，这也就是原子“标识光谱”名称的由来。

如今，通过实验，人们已经将每一种原子的标识光谱制作出来了。这样，在鉴别原子的时候，只需制出这种原子的特征光谱，再与已知的各种原子的标识光谱相对照，按号入座，即可确定原子的“身份”了。

巴克拉这一杰出的研究成果，具有非常重要的意义。在以后的学习中，我们会逐渐地认识到，它不仅为以后几年中发展X射线波谱奠定了有力的基础，而且，还导致了一些新现象的发现，从而拓宽了X射线应用的领域。

X射线标识光谱的研究，则是巴克拉一生中主要的追求方向，他也为此付出了许多艰辛的劳动，取得了令世人瞩目的成就。在这方面，他成为负有国际声望的先驱者，荣获了1917年度的诺贝尔物理学奖。

至此，有人会进一步提出这样的问题，原子的特征光谱究竟是怎样产生的呢？广大读者一定很关心这个话题。为了让大家搞清楚这个问题的来龙去脉，还得从原子的内部结构谈起。

原子中的电子，分布在以原子核为中心的一个一个的壳层上，每个壳层中，允许容纳的电子数是一定的。原子的这种结构，被人们称做原子的“壳层结构”。当电子填满某个壳层或支壳层以后，这些填满了电子的壳层或支壳层，与原子核一起形成了一个稳定的集体，叫做“原子实”。对于原子实来说，丢掉一个电子，或从原子实外得到一个电子，都是不容易的。

如果原子实受到外来的高能量光子流的照射，或者受到高能量粒子的撞击，原子实中的某个电子被电离了，那么，这个电子脱离了原子实以后，它原来占据的位置就空了出来；由于出现了空位，原子实以外的电子就有机会跳到这个空位中。电子这么一跳，随着电子位置的改变，电子的状态发生了变化，电子前后相应的两个状态的能量自然不一样，改变的能量便以光子的形式向外释放，从而产生了一条光谱线。

如果一个原子实中，同时有多个电子的位置发生了改变；或者不同的原子实中，都有电子的位置发生改变，这种情况下，便会产生许多条光谱线，从而形成了线状光谱。

不同的原子，具有各自的壳层结构。因而，它们的原子实的构成也存在着一定的差异；当不同的原子实内部发生电子跃迁的时候，就产生了各自不同的X射线光谱。这样，每一种原子都会有自己独特的光谱——标识光谱。

可见，这种光谱是原子内层电子跃迁产生的，与价电子无关。原子“指纹”的存在，对于物质结构的研究、分辨各种不同的原子、鉴别新原子等方面，都有着重要的作用。运用这种方法，不仅简便、省时、易行，而且其灵敏度和准确度都非常高。这种方法在采矿、冶金、化工等许多部门有着广泛的应用。