第六章 下降的階梯
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放方面起重要作用（無論作為戰争用途還是和平利用）。
這92種基本元素的原子以各種比例相結合，便形成了水、黃油、油、土壤、石頭、骨頭、茶、炸藥等無數複雜的化學物質。
還有許多化合物，比如甲基異丙基環己烷，或氯化三苯基吡喃鎓，雖然化學家可能熟知，但大多數人恐怕連念都念不下來。
目前，人們正在一卷又一卷地編寫化學手冊來總結無數原子組合的性質和制備方法呢。
二、原子有多大？ 德谟克利特和恩培多克勒在談到原子時，本質上是把他們的論證建基于一種哲學觀念，即我們無法想象物質能被分成越來越小的部分而永遠達不到一個不可再分的單元。
現代化學家在談到原子時，意思則要明确得多，因為要想理解化學的基本定律，就必須精确知道基本的原子及其在複雜分子中的組合。
根據化學的基本定律，不同的化學元素隻有按照明确的重量比例才能結合起來，這些比例必定反映了這些元素原子的相對重量。
例如，化學家們得出結論說，氧原子、鋁原子和鐵原子的重量分别是氫原子質量的16倍、27倍和56倍。
不過，雖然不同元素的相對原子重量是最重要的基本化學信息，但真正的原子重量是多少克，在化學研究中根本不重要。
了解這些精确的重量絲毫不會影響其他化學事實，也不會影響化學定律和化學方法的運用。
然而，物理學家在思考原子時首先必定會問：&ldquo原子的真實大小是多少厘米？重多少克？一定量的物質含有多少分子或原子？能夠對單個分子和原子進行觀察、計數和操縱嗎？&rdquo 有許多種不同的方法來估計原子和分子的大小，其中一種最為簡單，倘若德谟克利特和恩培多克勒碰巧想到了這種方法，興許也能在沒有現代實驗設備的情況下使用它。
如果構成某個物體（比如一根銅絲）的最小單位是原子，那就顯然不可能把該物體變成比這樣一個原子的直徑還薄的薄片。
于是，我們可以試着把這根銅絲拉長，直到它最終成為一個單個原子鍊；或者把它砸成厚度隻有一個原子直徑的銅箔。
不過，對于銅絲或任何其他固體材料而言，這項任務幾乎是不可能完成的，因為這種材料不可避免會在達到想要的最小厚度之前斷裂。
但把液體材料（比如水面上的一個油膜薄層）鋪展為一層由它的單個分子所組成的&ldquo地毯&rdquo卻很容易。
在這層薄膜中，&ldquo個體&rdquo分子彼此之間隻在橫向相連，而沒有縱向堆積。
隻要認真和耐心，讀者們可以親自做這項實驗，用簡單的方法測量出油分子的大小。
取一個淺而長的容器（圖43），将它置于桌子或地闆上，使之完全水平。
往裡加水到将近溢出，在容器上搭一根金屬線，近乎與水面接觸。
現在，如果向金屬線的一側加入一小滴純油，油就會布滿金屬線這一側的整個水面。
若是沿着容器邊緣朝另一側移動金屬線，油層就會随着金屬線而鋪展開來，變得越來越薄，其厚度最終會等于單個油分子的直徑。
達到這一厚度之後，金屬線的任何進一步移動都會導緻這層連續的油膜破裂，形成水洞。
知道了滴入水中的油量以及油膜破裂以前的最大面積，很容易算出單個油分子的直徑。
圖43 水面上的油膜薄層伸展得太過就會斷裂 做這個實驗的時候，你會注意到另一個有趣的現象。
當把油滴在水面時，你首先會看到油面上熟悉的彩虹色，你也許在港口附近的水面上多次見到過這種顔色。
它是從油層上下兩個界面反射出來的光線幹涉的結果。
不同位置之所以有不同的顔色，是因為油層在擴散過程中各處的厚度不均勻。
如果稍等片刻讓油層鋪勻，整個油面就會有均一的顔色。
随着油層變得越來越薄，其顔色将按照光線波長的減小逐漸由紅轉黃，由黃轉綠，由綠轉藍，再由藍轉紫。
如果油面的面積再擴展下去，顔色就完全消失了。
這并不意味着油層不存在，而是油層的厚度已經小于最短的可見波長，其顔色已經超出我們的視覺範圍。
不過，你仍然能夠分清油面與清晰的水面，因為從這個薄層上下表面反射出來的兩束光線會發生幹涉，使光的總強度減小。
于是，當顔色消失時，油面仍将因為顯得有些&ldquo昏暗&rdquo而區别于清晰的水面。
實際做這項實驗的時候，你會發現，1立方毫米的油可以覆蓋大約1平方米的水面。
但若想把油膜進一步拉開，就會露出清晰的水面了。
三、分子束 還有一個有趣的方法可以演示物質的分子結構，那就是研究氣體或蒸汽經由小孔湧向周圍的真空。
假定有個抽空的大玻璃泡，内置一個小電爐，所謂的電爐其實是一個壁上鑽有小孔的陶制圓筒，外面纏有供熱的電阻絲。
如果把某種低熔點金屬比如鈉或鉀放入電爐，圓筒中就會充滿金屬蒸汽，并将從圓筒上的小孔洩漏到周圍的空間。
一旦碰到冷的玻璃壁，金屬蒸汽就會附在上面。
玻璃壁各處形成的鏡子般的金屬沉積薄層将會清楚地顯示出物質逸出電爐之後的行進過程。
此外我們還會看到，如果爐溫不同，玻璃壁上金屬膜的分布也會不同。
爐溫很高時，爐子内部金屬蒸汽的密度會很大，這時的現象就像水蒸氣從茶壺或蒸汽機裡逸出。
從小孔出來的金屬蒸汽會朝四面八方擴散（圖44a），充滿整個玻璃泡，并且較為均勻地沉積在整個内壁上。
圖44 然而爐溫較低時，爐内蒸汽的密度也會較低，此時現象就完全不一樣了。
從小孔逸出的物質不再朝四面八方擴散，而是似乎沿一條直線運動，其中大部分都沉積在正對着爐子開口的玻璃壁上。
如果在開口前面放一個小物體（圖44b），這種現象就更加明顯了。
物體背後的玻璃壁上不會形成沉積，這塊空白沉積區域的形狀将和障礙物的幾何影子完全一樣。
如果我們還記得，蒸汽是由空間中沿四面八方彼此沖撞的大量分子形成的，那麼就很容易理解密度大小不同的蒸汽逸出時為何會有那樣的行為差異。
蒸汽密度很高時，氣流從小孔沖出就像驚慌失措的人流從失火劇場的出口湧出來一樣，從門口出來之後，他們在大街上四散奔逃時仍然在相互沖撞；而蒸汽密度很低時，就好像從門裡一次隻出來一個人，因此可以直線前進而不受幹涉。
這種從爐孔排出的低密度蒸汽物質流被稱為&ldquo分子束&rdquo，它是由并排飛越空間的大量分子組成的。
這種分子束對于研究分子的某些性質非常有用。
例如，我們可以用它來測量熱運動的速度。
斯特恩（OttoStern）最早發明了這種裝置來研究分子束的速度，它實際上等同于斐索用來測定光速的儀器（見圖31）。
它的兩個齒輪被安裝在同一個軸上，隻有以正确的角速度旋轉時才能讓分子束通過（圖45）。
斯特恩用一塊隔闆攔住從這樣一個儀器發出的一束很細的分子束，表明分子運動的速度一般來說是很大的（200℃時鈉原子的速度是每秒1.5公裡），而且随着氣體溫度的升高，分子運動的速度還會加大，這便直接證明了熱的運動論。
根據這種理論，物體熱量的增加純粹是物體分子無規則熱運動的加劇。
圖45 四、原子攝影 上面這個例子幾乎無可置疑地證明了原子假說的正确性。
但既然&ldquo眼見為實&rdquo，要證明分子和原子存在，最令人信服的證據莫過于親眼見到這些微小的單元本身了。
直到最近，英國物理學家布拉格（WilliamLawrenceBragg）才用他發明的對晶體内原子和分子進行攝影的方法實現了這樣一種視覺演示。
但不要以為給原子攝影很容易，因為在給這麼小的物體拍照時，必須考慮一個事實：如果照明光線的波長大于被拍攝物體的尺寸，照片就會非常模糊。
你總不能用刷牆的刷子來畫波斯細密畫吧！和微小的微生物打交道的生物學家都很清楚這個困難，因為細菌的大小（約0.0001厘米）與可見光的波長類似。
要使細菌的像更加清晰，需要用紫外光給細菌攝影，才能獲得更好的效果。
但分子的尺寸及其在晶格中的距離實在太小（0.00000001厘米），無論可見光還是紫外光都無法用來繪制它們。
想要看到單獨的分子，就必須使用
這92種基本元素的原子以各種比例相結合，便形成了水、黃油、油、土壤、石頭、骨頭、茶、炸藥等無數複雜的化學物質。
還有許多化合物，比如甲基異丙基環己烷，或氯化三苯基吡喃鎓，雖然化學家可能熟知，但大多數人恐怕連念都念不下來。
目前，人們正在一卷又一卷地編寫化學手冊來總結無數原子組合的性質和制備方法呢。
二、原子有多大？ 德谟克利特和恩培多克勒在談到原子時，本質上是把他們的論證建基于一種哲學觀念，即我們無法想象物質能被分成越來越小的部分而永遠達不到一個不可再分的單元。
現代化學家在談到原子時，意思則要明确得多，因為要想理解化學的基本定律，就必須精确知道基本的原子及其在複雜分子中的組合。
根據化學的基本定律，不同的化學元素隻有按照明确的重量比例才能結合起來，這些比例必定反映了這些元素原子的相對重量。
例如，化學家們得出結論說，氧原子、鋁原子和鐵原子的重量分别是氫原子質量的16倍、27倍和56倍。
不過，雖然不同元素的相對原子重量是最重要的基本化學信息，但真正的原子重量是多少克，在化學研究中根本不重要。
了解這些精确的重量絲毫不會影響其他化學事實，也不會影響化學定律和化學方法的運用。
然而，物理學家在思考原子時首先必定會問：&ldquo原子的真實大小是多少厘米？重多少克？一定量的物質含有多少分子或原子？能夠對單個分子和原子進行觀察、計數和操縱嗎？&rdquo 有許多種不同的方法來估計原子和分子的大小，其中一種最為簡單，倘若德谟克利特和恩培多克勒碰巧想到了這種方法，興許也能在沒有現代實驗設備的情況下使用它。
如果構成某個物體（比如一根銅絲）的最小單位是原子，那就顯然不可能把該物體變成比這樣一個原子的直徑還薄的薄片。
于是，我們可以試着把這根銅絲拉長，直到它最終成為一個單個原子鍊；或者把它砸成厚度隻有一個原子直徑的銅箔。
不過，對于銅絲或任何其他固體材料而言，這項任務幾乎是不可能完成的，因為這種材料不可避免會在達到想要的最小厚度之前斷裂。
但把液體材料（比如水面上的一個油膜薄層）鋪展為一層由它的單個分子所組成的&ldquo地毯&rdquo卻很容易。
在這層薄膜中，&ldquo個體&rdquo分子彼此之間隻在橫向相連，而沒有縱向堆積。
隻要認真和耐心，讀者們可以親自做這項實驗，用簡單的方法測量出油分子的大小。
取一個淺而長的容器（圖43），将它置于桌子或地闆上，使之完全水平。
往裡加水到将近溢出，在容器上搭一根金屬線，近乎與水面接觸。
現在，如果向金屬線的一側加入一小滴純油，油就會布滿金屬線這一側的整個水面。
若是沿着容器邊緣朝另一側移動金屬線，油層就會随着金屬線而鋪展開來，變得越來越薄，其厚度最終會等于單個油分子的直徑。
達到這一厚度之後，金屬線的任何進一步移動都會導緻這層連續的油膜破裂，形成水洞。
知道了滴入水中的油量以及油膜破裂以前的最大面積，很容易算出單個油分子的直徑。
圖43 水面上的油膜薄層伸展得太過就會斷裂 做這個實驗的時候，你會注意到另一個有趣的現象。
當把油滴在水面時，你首先會看到油面上熟悉的彩虹色，你也許在港口附近的水面上多次見到過這種顔色。
它是從油層上下兩個界面反射出來的光線幹涉的結果。
不同位置之所以有不同的顔色，是因為油層在擴散過程中各處的厚度不均勻。
如果稍等片刻讓油層鋪勻，整個油面就會有均一的顔色。
随着油層變得越來越薄，其顔色将按照光線波長的減小逐漸由紅轉黃，由黃轉綠，由綠轉藍，再由藍轉紫。
如果油面的面積再擴展下去，顔色就完全消失了。
這并不意味着油層不存在，而是油層的厚度已經小于最短的可見波長，其顔色已經超出我們的視覺範圍。
不過，你仍然能夠分清油面與清晰的水面，因為從這個薄層上下表面反射出來的兩束光線會發生幹涉，使光的總強度減小。
于是，當顔色消失時，油面仍将因為顯得有些&ldquo昏暗&rdquo而區别于清晰的水面。
實際做這項實驗的時候，你會發現，1立方毫米的油可以覆蓋大約1平方米的水面。
但若想把油膜進一步拉開，就會露出清晰的水面了。
三、分子束 還有一個有趣的方法可以演示物質的分子結構，那就是研究氣體或蒸汽經由小孔湧向周圍的真空。
假定有個抽空的大玻璃泡，内置一個小電爐，所謂的電爐其實是一個壁上鑽有小孔的陶制圓筒，外面纏有供熱的電阻絲。
如果把某種低熔點金屬比如鈉或鉀放入電爐，圓筒中就會充滿金屬蒸汽，并将從圓筒上的小孔洩漏到周圍的空間。
一旦碰到冷的玻璃壁，金屬蒸汽就會附在上面。
玻璃壁各處形成的鏡子般的金屬沉積薄層将會清楚地顯示出物質逸出電爐之後的行進過程。
此外我們還會看到，如果爐溫不同，玻璃壁上金屬膜的分布也會不同。
爐溫很高時，爐子内部金屬蒸汽的密度會很大，這時的現象就像水蒸氣從茶壺或蒸汽機裡逸出。
從小孔出來的金屬蒸汽會朝四面八方擴散（圖44a），充滿整個玻璃泡，并且較為均勻地沉積在整個内壁上。
圖44 然而爐溫較低時，爐内蒸汽的密度也會較低，此時現象就完全不一樣了。
從小孔逸出的物質不再朝四面八方擴散，而是似乎沿一條直線運動，其中大部分都沉積在正對着爐子開口的玻璃壁上。
如果在開口前面放一個小物體（圖44b），這種現象就更加明顯了。
物體背後的玻璃壁上不會形成沉積，這塊空白沉積區域的形狀将和障礙物的幾何影子完全一樣。
如果我們還記得，蒸汽是由空間中沿四面八方彼此沖撞的大量分子形成的，那麼就很容易理解密度大小不同的蒸汽逸出時為何會有那樣的行為差異。
蒸汽密度很高時，氣流從小孔沖出就像驚慌失措的人流從失火劇場的出口湧出來一樣，從門口出來之後，他們在大街上四散奔逃時仍然在相互沖撞；而蒸汽密度很低時，就好像從門裡一次隻出來一個人，因此可以直線前進而不受幹涉。
這種從爐孔排出的低密度蒸汽物質流被稱為&ldquo分子束&rdquo，它是由并排飛越空間的大量分子組成的。
這種分子束對于研究分子的某些性質非常有用。
例如，我們可以用它來測量熱運動的速度。
斯特恩（OttoStern）最早發明了這種裝置來研究分子束的速度，它實際上等同于斐索用來測定光速的儀器（見圖31）。
它的兩個齒輪被安裝在同一個軸上，隻有以正确的角速度旋轉時才能讓分子束通過（圖45）。
斯特恩用一塊隔闆攔住從這樣一個儀器發出的一束很細的分子束，表明分子運動的速度一般來說是很大的（200℃時鈉原子的速度是每秒1.5公裡），而且随着氣體溫度的升高，分子運動的速度還會加大，這便直接證明了熱的運動論。
根據這種理論，物體熱量的增加純粹是物體分子無規則熱運動的加劇。
圖45 四、原子攝影 上面這個例子幾乎無可置疑地證明了原子假說的正确性。
但既然&ldquo眼見為實&rdquo，要證明分子和原子存在，最令人信服的證據莫過于親眼見到這些微小的單元本身了。
直到最近，英國物理學家布拉格（WilliamLawrenceBragg）才用他發明的對晶體内原子和分子進行攝影的方法實現了這樣一種視覺演示。
但不要以為給原子攝影很容易，因為在給這麼小的物體拍照時，必須考慮一個事實：如果照明光線的波長大于被拍攝物體的尺寸，照片就會非常模糊。
你總不能用刷牆的刷子來畫波斯細密畫吧！和微小的微生物打交道的生物學家都很清楚這個困難，因為細菌的大小（約0.0001厘米）與可見光的波長類似。
要使細菌的像更加清晰，需要用紫外光給細菌攝影，才能獲得更好的效果。
但分子的尺寸及其在晶格中的距離實在太小（0.00000001厘米），無論可見光還是紫外光都無法用來繪制它們。
想要看到單獨的分子，就必須使用