Question

原子是怎么被发现的?怎么观察到?

Answer 1

有着一个探险家所具备的最宝贵的素质：洞察力和直觉,这使得他能够抓住那个不起眼,但却是唯一的,稍纵即逝的线索,从而打开那扇通往全新世界的大门.1913年初,年轻的丹麦人汉森（Hans Marius Hansen）请教玻尔,在他那量子化的原子模型里如何解释原子的光谱线问题.对于这个问题,玻尔之前并没有太多地考虑过,原子光谱对他来说是陌生和复杂的,成千条谱线和种种奇怪的效应在他看来太杂乱无章,似乎不能从中得出什么有用的信息.然而汉森告诉玻尔,这里面其实是有规律的,比如巴尔末公式就是.他敦促玻尔关心一下巴尔末的工作.
突然间,就像伊翁（Ion）发现了藏在箱子里的绘着戈耳工的麻布,一切都豁然开朗.山重水复疑无路,柳暗花明又一村.在谁也没有想到的地方,量子得到了决定性的突破.1954年,玻尔回忆道：当我一看见巴尔末的公式,一切就都清楚不过了.
要从头回顾光谱学的发展,又得从伟大的本生和基尔霍夫说起,而那势必又是一篇规模宏大的文字.鉴于篇幅,我们只需要简单地了解一下这方面的背景知识,因为本史话原来也没有打算把方方面面都事无巨细地描述完全.概括来说,当时的人们已经知道,任何元素在被加热时都会释放出含有特定波长的光线,比如我们从中学的焰色实验中知道,钠盐放射出明亮的黄光,钾盐则呈紫色,锂是红色,铜是绿色……等等.将这些光线通过分光镜投射到屏幕上,便得到光谱线.各种元素在光谱里一览无余：钠总是表现为一对黄线,锂产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线,钾则是一条紫线.总而言之,任何元素都产生特定的唯一谱线.
但是,这些谱线呈现什么规律以及为什么会有这些规律,却是一个大难题.拿氢原子的谱线来说吧,这是最简单的原子谱线了.它就呈现为一组线段,每一条线都代表了一个特定的波长.比如在可见光区间内,氢原子的光谱线依次为：656,484,434,410,397,388,383,380……纳米.这些数据无疑不是杂乱无章的,1885年,瑞士的一位数学教师巴尔末（Johann Balmer）发现了其中的规律,并总结了一个公式来表示这些波长之间的关系,这就是著名的巴尔末公式.将它的原始形式稍微变换一下,用波长的倒数来表示,则显得更加简单明了：
ν＝R（1/2^2 - 1/n^2）
其中的R是一个常数,称为里德伯（Rydberg）常数,n是大于2的正整数（3,4,5……等等）.
在很长一段时间里,这是一个十分有用的经验公式.但没有人可以说明,这个公式背后的意义是什么,以及如何从基本理论将它推导出来.但是在玻尔眼里,这无疑是一个晴天霹雳,它像一个火花,瞬间点燃了玻尔的灵感,所有的疑惑在那一刻变得顺理成章了,玻尔知道,隐藏在原子里的秘密,终于向他嫣然展开笑颜.
我们来看一下巴耳末公式,这里面用到了一个变量n,那是大于2的任何正整数.n可以等于3,可以等于4,但不能等于3.5,这无疑是一种量子化的表述.玻尔深呼了一口气,他的大脑在急速地运转,原子只能放射出波长符合某种量子规律的辐射,这说明了什么呢?我们回忆一下从普朗克引出的那个经典量子公式：E = hν.频率（波长）是能量的量度,原子只释放特定波长的辐射,说明在原子内部,它只能以特定的量吸收或发射能量.而原子怎么会吸收或者释放能量的呢?这在当时已经有了一定的认识,比如斯塔克（J.Stark）就提出,光谱的谱线是由电子在不同势能的位置之间移动而放射出来的,英国人尼科尔森（J.W.Nicholson）也有着类似的想法.玻尔对这些工作无疑都是了解的.
一个大胆的想法在玻尔的脑中浮现出来：原子内部只能释放特定量的能量,说明电子只能在特定的“势能位置”之间转换.也就是说,电子只能按照某些“确定的”轨道运行,这些轨道,必须符合一定的势能条件,从而使得电子在这些轨道间跃迁时,只能释放出符合巴耳末公式的能量来.
我们可以这样来打比方.如果你在中学里好好地听讲过物理课,你应该知道势能的转化.一个体重100公斤的人从1米高的台阶上跳下来,他/她会获得1000焦耳的能量,当然,这些能量会转化为落下时的动能.但如果情况是这样的,我们通过某种方法得知,一个体重100公斤的人跳下了若干级高度相同的台阶后,总共释放出了1000焦耳的能量,那么我们关于每一级台阶的高度可以说些什么呢?
明显而直接的计算就是,这个人总共下落了1米,这就为我们台阶的高度加上了一个严格的限制.如果在平时,我们会承认,一个台阶可以有任意的高度,完全看建造者的兴趣而已.但如果加上了我们的这个条件,每一级台阶的高度就不再是任意的了.我们可以假设,总共只有一级台阶,那么它的高度就是1米.或者这个人总共跳了两级台阶,那么每级台阶的高度是0.5米.如果跳了3次,那么每级就是1/3米.如果你是间谍片的爱好者,那么大概你会推测每级台阶高1/39米.但是无论如何,我们不可能得到这样的结论,即每级台阶高0.6米.道理是明显的：高0.6米的台阶不符合我们的观测（总共释放了1000焦耳能量）.如果只有一级这样的台阶,那么它带来的能量就不够,如果有两级,那么总高度就达到了1.2米,导致释放的能量超过了观测值.如果要符合我们的观测,那么必须假定总共有一又三分之二级台阶,而这无疑是荒谬的,因为小孩子都知道,台阶只能有整数级.
在这里,台阶数“必须”是整数,就是我们的量子化条件.这个条件就限制了每级台阶的高度只能是1米,或者1/2米,而不能是这其间的任何一个数字.
原子和电子的故事在道理上基本和这个差不多.我们还记得,在卢瑟福模型里,电子像行星一样绕着原子核打转.当电子离核最近的时候,它的能量最低,可以看成是在“平地”上的状态.但是,一旦电子获得了特定的能量,它就获得了动力,向上“攀登”一个或几个台阶,到达一个新的轨道.当然,如果没有了能量的补充,它又将从那个高处的轨道上掉落下来,一直回到“平地”状态为止,同时把当初的能量再次以辐射的形式释放出来.
关键是,我们现在知道,在这一过程中,电子只能释放或吸收特定的能量（由光谱的巴尔末公式给出）,而不是连续不断的.玻尔做出了合理的推断：这说明电子所攀登的“台阶”,它们必须符合一定的高度条件,而不能像经典理论所假设的那样,是连续而任意的.连续性被破坏,量子化条件必须成为原子理论的主宰.
我们不得不再一次用到量子公式E = hν,还请各位多多包涵.史蒂芬.霍金在他那畅销书《时间简史》的Acknowledgements里面说,插入任何一个数学公式都会使作品的销量减半,所以他考虑再三,只用了一个公式E = mc2.我们的史话本是戏作,也不考虑那么多,但就算列出公式,也不强求各位看客理解其数学意义.唯有这个E = hν,笔者觉得还是有必要清楚它的含义,这对于整部史话的理解也是有好处的,从科学意义上来说,它也决不亚于爱因斯坦的那个E = mc2.所以还是不厌其烦地重复一下这个方程的描述：E代表能量,h是普朗克常数,ν是频率.
回到正题,玻尔现在清楚了,氢原子的光谱线代表了电子从一个特定的台阶跳跃到另外一个台阶所释放的能量.因为观测到的光谱线是量子化的,所以电子的“台阶”（或者轨道）必定也是量子化的,它不能连续而取任意值,而必须分成“底楼”,“一楼”,“二楼”等,在两层“楼”之间,是电子的禁区,它不可能出现在那里.正如一个人不能悬在两级台阶之间漂浮一样.如果现在电子在“三楼”,它的能量用W3表示,那么当这个电子突发奇想,决定跳到“一楼”（能量W1）的期间,它便释放出了W3-W1的能量.我们要求大家记住的那个公式再一次发挥作用,W3-W1 = hν.所以这一举动的直接结果就是,一条频率为ν的谱线出现在该原子的光谱上.
玻尔所有的这些思想,转化成理论推导和数学表达,并以三篇论文的形式最终发表.这三篇论文（或者也可以说,一篇大论文的三个部分）,分别题名为《论原子和分子的构造》（On the Constitution of Atoms and Molecules）,《单原子核体系》（Systems Containing Only a Single Nucleus）和《多原子核体系》（Systems Containing Several Nuclei）,于1913年3月到9月陆续寄给了远在曼彻斯特的卢瑟福,并由后者推荐发表在《哲学杂志》（Philosophical Magazine）上.这就是在量子物理历史上划时代的文献,亦即伟大的“三部曲”.
这确确实实是一个新时代的到来.如果把量子力学的发展史分为三部分,1900年的普朗克宣告了量子的诞生,那么1913年的玻尔则宣告了它进入了青年时代.一个完整的关于量子的理论体系第一次被建造起来,虽然我们将会看到,这个体系还留有浓重的旧世界的痕迹,但它的意义却是无论如何不能低估的.量子第一次使全世界震惊于它的力量,虽然它的意识还有一半仍在沉睡中,虽然它自己仍然置身于旧的物理大厦之内,但它的怒吼已经无疑地使整个旧世界摇摇欲坠,并动摇了延绵几百年的经典物理根基.神话中的巨人已经开始苏醒,那些藏在古老城堡里的贵族们,颤抖吧!
(2)美国研制出能够看见原子的电子显微镜 据美联社报道,美国橡树岭国家实验室的研究人员正在以创记录的分辨率清楚地观察原子世界,因为他们研究出的电子显微镜能够能分辨出硅晶体的单个、哑铃形状的原子. 　　橡树岭国家实验室电子显微镜研究小组的负责人斯蒂芬·彭尼库克说：“每当你能更加清楚地看到某种东西的时候,那么你便能了解一些秘密.”彭尼库克及其同事在《科学》杂志上的一篇文章中说,他们观察原子的图像分辨率已达到0.6埃,打破了橡树岭国家实验室今年早些时候刚刚创立的0.7埃图像辨析率的记录. 　　埃是光谱线波长的最小单位.一埃大约仅仅是人头发丝直径的五十万分之一.大多数原子的直径大约只有1埃.彭尼库克说：“我们正跨进一道原本无法企及的门槛,在里面我们有史以来第一次真正清楚地看到了原子.”彭尼库克表示,具备观测材料在原子水平下结合过程的能力可能会极大促进半导体产业、化学以及新材料开发的发展. 　　橡树岭国家实验室使用电子显微镜看见了以红色哑铃形状出现的硅原子图像,图像的分辨率达到了0.78埃.彭尼库克说：“这是我们首次获得低于埃的分辨率的明确证据.”橡树岭国家实验室是美国能源部下属的一个实验室.由彭尼库克领导的研究小组使用过一种30万伏的尖端电子显微镜,再辅以美国尼昂公司开发的一种称为像差修正的新型计算机化成像技术,对原子进行研究. 　　彭尼库克称这种分辨率修正技术能够同时给26块透镜调焦.彭尼库克说：“这项研究真正是一项具有历史意义的成果,因为过去50年科学家一直在进行这方面的研究,只是在最近几年才真正证明这种技术是可行的.”5年前,橡树岭国家实验室在没有使用像差修正技术的情况下创造了1.3埃图像分辨率的世界记录.而在今年早些时候,该实验室使用像差修正技术再次创造了0.7埃图像分辨率的世界记录.研究人员称他们下一个目标将是在三维空间下观察原子.
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