Page 23 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源

不同元素的原子的相对重量，得出了第一个原子量表。之后，人们成功地测定了各种元素的
原子量和许多化合物的分子式，原子-分子学说成为具有确凿实验基础的科学理论。就这样，
古希腊自然哲学家所臆想的世界本原——原子，在近代科学中得到了证实。道尔顿的化学原
子论的建立，一方面深化了人们对物质世界的认识，使得人们从物质的微观结构要素来推导
宏观物质的性质成为可能；另一方面也使牛顿的机械物质观更加深入人心，人们把原子看作
是物质分割的极限，认为原子是物质的“始原”，并把物质世界归结为几十种不同的原子。
然而，19 世纪末，X 射线、放射性和电子的发现，动摇了原子不变、原子不可分、原
子是物质最小微粒的传统观念，给科学界带来了极大的震撼。特别是电子的发现，揭开了研
究原子内部结构的序幕，并使人们了解伦琴(W.K.Roentgen)发现的 X 射线的本质，理解由贝
克勒尔(H.A.Becquerel)、玛丽·居里(M.S.Curie)和皮埃尔·居里(P.Curie)所发现的天然放射性成
为可能。
电子的发现与研究阴极射线相联系。英国物理学家汤姆孙(J.J.Thomson)根据阴极射线在
磁场和静电场作用下发生偏转的大小，测定射线中粒子的电荷 e 与质量 m 之比（e/m），他
发现阴极射线粒子的荷质比约为氢离子荷质比的 2000 倍，而且与电极材料和放电管中的气
体种类均无关。1897 年他提出阴极射线是由质量比氢原子小得多的带负电的粒子组成，从
而导致了电子的发现。汤姆孙因此获得了 1906 年的诺贝尔物理学奖。
汤姆孙发现电子之后随即提出了一个原子模型，他设想原子的主要部分像一个带正电的
蛋糕一样，而带负电荷的电子则像葡萄干一样镶嵌在其中，这些电子能在它们的平衡位置上
作简谐振动，观察到的原子所发光谱的各种频率就是这些振动的频率，并且，这种葡萄干似
的电子很容易从原子中跑出来。汤姆孙的原子模型似乎能够把当时知道的实验结果和理论考
虑都归纳进去。直到 1911 年，卢瑟福（E.Ritherford）根据盖革（H.Geiger）和马斯登（E.Marsden）
所做的α粒子散射实验，从被散射α粒子的角分布推想出了原子有核结构模型：中间是集中了
几乎全部原子质量并带有正电荷的原子核，外面围绕着高速运动的带负电荷的电子，使得整
个原子是电中性的，原子核和电子之间通过电磁场而发生相互作用。但是，根据经典电磁学
理论，卢瑟福的模型解释不了原子的稳定性和原子线状光谱的实验事实。1913 年，丹麦物
理学家玻尔把“量子化”概念引进卢瑟福的原子有核模型，从而建立起能够说明上述实验事
实的原子结构的量子化轨道理论。
卢瑟福的原子有核结构模型揭示了原子的核结构，这是微观世界中从原子深入到原子核
的重要一步。起初人们根据许多原子的原子量很接近氢原子的原子量的整数倍，以为它们的
原子核应当由最轻的氢原子核（被称为质子）组成，但为了保证核电荷数等于原子序数，必
须在核中再加上若干个电子。后来发现，质子和电子组成原子核的设想和它们相应的自旋及
统计性质不符，而且与实验也不符。1932 年，英国的查德威克（J.Chadwick）在用 a 粒子轰
击铍（Be）靶的实验中发现了一种粒子，不带电且穿透性很大，质量接近质子的质量，后
来这种粒子被叫做中子。查德威克因此获得了 1935 年诺贝尔物理学奖。根据查德威克的发
现，伊凡宁柯（D.D.Ivanenko）和海森堡提出了原子核由质子和中子组成的原子核结构理论，
质子和中子通称“核子”， 核子依靠强大的核力结合在一起。核力也称为强相互作用，其特
点是强度大，力程短，其强度要比原子内结合电子的电磁力大一百倍。根据这一理论，原子
核的质量数与所含核子数相同，从而克服了由质子加电子组成原子核那种旧设想中出现的自
旋和统计法困难。到 20 世纪 40 年代，质子中子核模型使物质结构看起来比较完善了：分子
由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核又由质子和中子组成。这时人们将质子、中
子和电子叫做基本粒子，认为它们是不可再分的，世界万物由这些基本粒子构成。
可是到了 20 世纪 50 年代以后，大功率的粒子加速器被陆续发明和建造起来，人们用加
速后的高能质子去打击质子，结果出现了许多各式各样的粒子，这些粒子有的甚至比质子还
重，但又不是原子或分子，它们的性质与质子或中子接近，它们跟核子的作用类似于核子之

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