探索微观世界

第一节　探索微观世界

“原子”这个词，出自希腊语ατομα，它的原意就是“不可分割的东西”，也就是指用来构成世界万物的最终单元。但是，在现代社会，已经没有人认为原子是不可再分割的了。科学的进展使人们不得不背离它的原义，把它看作是可分的东西了。

在我们的日常生活中有许多的问题。其中有一些问题很容易就被解决了，另一些问题却使好几代科学家费尽了心血。望着茫茫大海，巍巍山峦，自古到今，有多少人在思索：世界万物是由什么构成的？它有最小结构吗？如果有，那是什么呢？初看起来，这是一个很幼稚的问题。但是两千多年来，人们却一直在寻求着问题的答案，为此而奋斗。

早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物是由金、木、水、火、土五种物质原料构成。《周易》有“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，它们演出世界万物。战国时的老子说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”二指的是阴和阳，阴阳统一为“冲气”，三者产生万物。在汉代出现了天地万物由“元气”组成的哲学观。公元前六世纪古希腊思想家、科学奠基人之一的泰勒斯也提出了“世界是由什么物质构成的？”问题，他和依奥宁学派的其他学者一样，感到必然存在某种物质微粒，存在某种完全可以触知的基元，而由它们组成了其他一切东西。一个世纪以后，希腊的哲学家德谟克利特把构成物质的最小单元叫做“原子”。他认为，世界是由两种基元构成的：一种是肉眼看不见的、极细小的。不能分割的原子微粒；另一种是虚空。在他看来，自然界是“原子朝着四面八方的无规则的运动”。大约500年后，在一次有关伊壁鸠鲁哲学的长诗《物性论》中，古罗马唯物主义哲学家、诗人卢克莱修用优美的诗句进一步表述了原子假设“……自然界是依靠不可见的物体来统治万物的。”与德谟克利特同时代、中国战国时期的墨子也提出了类似原子说的观点。他认为“端，体之无厚，而最前者也。”端是物的起始（不能再分割的微小粒子），把物体分割到德谟克利特的“无厚”，便达到最前的质点。就是说，物体可以“一分为二”地一直分下去，如果剖到“无”，就不能再剖下去了。这就是原子说的思想。

但是在古代，无论思想家还是哲学家对物质结构的认识，只能是凭借思辨和猜想，真正对物质的构成进行科学的研究和解释，是近二三百年来的事情。

大约在三百年以前（1661年），英国的科学家R·玻义耳经过大量的实验，提出了化学元素的概念，认为元素是用化学方法不能再分解的最简单的物质。而后的一百多年里，人们通过实验相继发现了氢（1766年）、氮（1772年）、氧（1774年）等元素，而且化学实验的技术也从“定性”发展到“定量”的水平。一系列重要的实验结果——如化学反应所遵从的质量守恒定律、元素形成化合物时所遵从的定比定律、倍比定律等，启示人们推想物质是由一些不可毁灭的微粒构成的，而且各种不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物。在19世纪初期，就形成了分子——原子论。人们认识到，在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次。宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成。原子被认为是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。

在这之后的几十年里，人们用实验方法发现的元素总数扶摇直上，其性质也相差各异。有的闪闪发光，有的乌黑透亮，有的能燃烧，有的会爆炸，有的却不怕火炼……在这些表观现象的巨大差异背后，会不会有更为本质的规律存在呢？1869年，俄国的门捷列夫在前人研究的基础上，把各种元素按照原子量递增的次序排列起来，发现元素的化合价展现出一种极有趣的周期变化规律。在经过反复研究并校正了实验资料上的一些错误之后，门捷列夫终于发现了元素周期律，并从周期表上的空缺之处成功地预言了一些当时尚未发现的化学元素。幸运的是，门捷列夫所预言的三种元素在他还活着的时候就被发现了，因此，他亲眼看到了自己的胜利。而后，周期表上那些空格的主人纷至沓来，门捷列夫的预言逐一地被实验所证实，门捷列夫的化学元素周期律得到了世界的公认。关于周期律的发现还有一段趣闻，1868年，门捷列夫在讲授无机化学时，自己动手编写了一本《化学原理》。在编写中遇到的问题是以什么元素为起点？按什么顺序来排列元素？在当时的元素不全、原子量不准的条件下，门捷列夫反复思考着元素的排列问题。几番折腾以后，门捷列夫悟出，元素在元素表中的排列位置同时取决于两个因素——属性和原子量。他制作了一幅幅元素卡片，上面写着各元素的符号、原子量和化学属性，利用纸牌灵活多变的形式研究元素之间的内在规律性。由于避免了重抄表格，又增加了形象直观性，门捷列夫的工作效率提高了。可是不管怎么排，总有元素进不去，又总有位置空出来。极度困倦的门捷列夫在沙发上打起盹来。此时理性的戒备放松了，潜意识活跃起来，门捷列夫在梦幻中看到了居然被理顺的周期表。原来原子量可以被修改——个别元素的原子量测错了，空位可以代表未发现的元素。门捷列夫一下子跳起来，紧紧抓住这一重要的启示，很快便按照原子量由小到大的顺序列出了第一张元素周期表。

一直到了科学已经很发达的今天，元素周期律对于化学和物理学的研究，仍然具有指导性的意义，它在人类认识物质结构的征途上，是一项意义重大的成就。从门捷列夫发现元素周期律起，人们开始认识到：我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有其化学性质相同的原子，即由相应的原子所组成。原子是化学元素的最小单位。但是从发现元素周期律到真正弄懂元素为什么会展现出这样的周期性，人们其后又花费了好几十年的时间。把原子视为不可再分割的最小物质单元的观点一直保持到19世纪的末期。这时，在一系列重大发现的面前，这种陈旧的、形而上学的观点受到了猛烈的冲击，也就在这时，人们对原子的认识取得了重大的突破。