第六章 下降的階梯
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波長比可見光短數千倍的射線或所謂的X-射線。
但這樣一來，我們又碰到了一個似乎無法解決的困難：X-射線幾乎可以穿透任何物質而不發生衍射，因此使用X-射線時，無論透鏡還是顯微鏡都不會管用。
當然，這種性質以及X-射線強大的穿透力在醫學上很有用，因為X-射線穿透人體時的衍射會把所有X-射線底片都弄模糊。
但正是由于這種性質，我們似乎不可能得到任何一張用X-射線拍攝的放大照片！ 初看起來，情況似乎沒有什麼希望，但布拉格找到了一個非常巧妙的辦法來解決困難。
他的思考基于阿貝（ErnstAbbé）提出的顯微鏡的數學理論。
根據阿貝的說法，任何顯微鏡圖像都可以被視為大量分離圖樣的疊加，而每一個圖樣又是以某個角度貫穿視場的平行暗帶。
圖46是一個簡單的例子，表明黑暗視場中央處一個明亮的橢圓區域可以通過四個分離的暗帶圖樣疊加而成。
圖46 根據阿貝的理論，顯微鏡的運作過程是：（1）把原有圖像分解成大量分離的暗帶圖樣；（2）把每一個圖樣放大；（3）把這些圖樣重新疊加在一起，得到放大的圖像。
這個過程類似于用幾塊單色闆印制彩色圖片的方法。
如果單獨看每一塊色闆，你可能看不出圖片究竟畫了什麼，然而它們一旦以恰當的方式疊印出來，整個畫面就清晰分明地呈現出來了。
由于不可能制造出能夠自動完成所有這些操作的X-射線透鏡，我們不得不逐步進行：先從各個角度拍攝大量單獨的X-射線晶體暗帶圖樣，再以恰當的方式将它們疊印在一張感光紙上。
于是，我們做的是和X-射線透鏡完全一樣的事情，隻不過透鏡幾乎一瞬間就能完成，而一個技巧娴熟的實驗員卻要忙上好幾個小時。
因此，布拉格的方法隻能用來拍攝分子總是待在原地的晶體，而不能拍攝分子在瘋狂亂舞、四處沖撞的液體和氣體。
雖然用布拉格的方法拍攝的照片不能&ldquo咔嚓&rdquo一下就到手，但合成出來的照片同樣完美而準确。
如果因技術理由而不能在一張底片上拍下整座大教堂，那麼不會有人反對用幾張圖合成出一幅大教堂照片。
插圖1便是以這種方式拍攝的六甲苯分子的X-射線照片，化學家将它寫成： 由六個碳原子構成的碳環以及與之相連的另外六個碳原子都在照片上清晰地呈現出來。
較輕的氫原子的印記則幾乎看不到。
即使是最最多疑的人，在親眼看見這樣的照片之後，也會同意分子和原子的存在性得到證實了吧。
五、将原子剖開 德谟克利特所說的&ldquo原子&rdquo在希臘文中的意思是&ldquo不可分者&rdquo，也就是說，這些微粒代表着将物質分成其組分的最終可能界限，換句話說，原子是所有物體所由以構成的最小、最簡單的組成部分。
數千年後，&ldquo原子&rdquo這個最初的哲學觀念被納入了精确的物質科學，在大量經驗證據的基礎上成了有血有肉的實體。
此時，相信原子是不可分的這個信念仍然存在着。
人們假想，不同元素的原子之所以有不同的性質，是因為幾何形狀有所不同。
例如，氫原子被認為近乎球形，鈉原子和鉀原子則被認為具有長橢球的形狀。
另一方面，氧原子被認為是面包圈形的，但中心那個洞幾乎完全封閉，這樣一來，将兩個球形的氫原子放入氧原子面包圈兩邊的洞内，就會構成一個水分子（H2O）。
至于水分子中的氫被鈉或鉀所取代，則被解釋為拉長的鈉原子和鉀原子比球形的氫原子更适合氧原子面包圈中間的洞（圖47）。
圖47 右下角的簽名是：裡德伯，1885年 這些觀點認為，不同元素之所以會發射不同的光譜，是因為不同形狀的原子有不同的振動頻率。
根據這種推理，物理學家們曾試圖用觀測到的各元素發射的光的頻率來确定不同原子的形狀，就像我們對小提琴、教堂鐘聲、薩克斯的聲音差異所作的聲學解釋一樣。
然而，完全基于原子的幾何形狀來解釋各種原子的物理、化學性質的這些嘗試無一取得有意義的進展，直到人們意識到原子并不僅僅是各種幾何形狀的簡單物體，而是有着大量獨立運動部分的複雜結構，對原子性質的理解才向前邁出了實質性的一步。
著名英國物理學家湯姆孫（JosephJohnThomson）第一次對精細的原子軀體作了解剖。
他表明，各種化學元素的原子都是由帶正電和帶負電的部分構成的，電吸引力把它們結合在一起。
湯姆孫設想，原子是由大體上均勻分布的正電荷和在其内部浮動的許多帶負電的粒子構成的（圖48）。
帶負電粒子（或湯姆孫所謂的電子）的總電荷數等于總的正電荷，因此整個原子是電中性的。
但由于原子對電子的束縛不太強，可能會有若幹個電子離去，剩下一個被稱為正離子的帶正電的部分；另一方面，有的原子會從外部得到若幹個額外的電子，因而有了多餘的負電荷，因此被稱為負離子。
這種将多餘的正電或負電賦予原子的過程被稱為電離過程。
湯姆孫的這種觀點建立在法拉第（MichaelFaraday）經典成果的基礎上，法拉第已經證明，隻要原子帶電，那麼其電荷總是5.77×10-10個靜電單位的電量的整數倍。
但湯姆孫比法拉第走得更遠：他将一個個粒子的性質歸因于這些電荷，提出了從原子中獲取電子的方法，還對高速飛過空間的自由電子束進行了研究。
湯姆孫研究自由電子束的一個特别重要的成果是估算了電子的質量。
他用強電場從某種材料（比如熱電爐絲）中提取出一束電子，讓它從一個充電電容器的兩個極闆之間穿過（圖49）。
由于電子束帶負電，或者說得更準确一些，電子本身就是自由的負電荷，所以電子束會被正極闆吸引，被負極闆排斥。
圖48 圖中右下角的簽名是：湯姆孫，1904年 圖49 讓電子束打在電容器後面的熒光屏上，便很容易看出由此導緻的電子束的偏離。
知道了電子的電量和在給定電場中的偏離，就能估算出電子的質量。
它的确很小，湯姆孫發現電子的質量隻有氫原子質量的1/1840，這暗示原子的主要質量包含在它帶正電的部分中。
湯姆孫雖然正确地認為原子中有一群帶負電的電子在運動，卻又誤以為正電荷均勻地分布在整個原子中。
盧瑟福（ErnestRutherfard）在1911年表明，不僅原子的大部分質量，而且原子的正電荷都集中在位于原子中心的一個極小的原子核内。
這個結論得自他著名的&alpha粒子散射實驗。
&alpha粒子是某些極不穩定的元素（比如鈾或鐳）的原子自動衰變時射出的微小的高速粒子，由于其質量被證明與原子的質量相當，又帶正電，所以一定是原來原子中帶正電部分的片段。
&alpha粒子穿過靶材料的原子時，會受到原子中電子的吸引力和帶正電部分排斥力的影響。
但由于電子極輕，它們對入射&alpha粒子的影響不會超過一群蚊子對一頭受驚大象的影響。
另一方面，原子中質量很大的帶正電部分與距離足夠近的入射&alpha粒子的正電荷之間的斥力，必定會使&alpha粒子偏離正常的路徑，朝着四面八方散射。
然而，盧瑟福在研究&alpha粒子束穿過一個鋁膜薄層的散射時，得出了一個令人驚訝的結論：要想解釋觀測到的結果，必須假設入射的&alpha粒子與原子的正電荷之間的距離小于原子直徑的千分之一，而這隻有在入射的&alpha粒子和原子帶正電的部分比原子本身小數千倍時才是可能的。
因此，盧瑟福的發現将湯姆遜原子模型中廣為散布的正電荷縮小成一個位于原子正中心的微小的原子核，而那群帶負電的電子則留在外邊。
這樣一來，原子不再像電子充當瓜子的西瓜，而是像一個微縮的太陽系，其中原子核代表太陽，電子代表行星（圖50）。
圖50 左下角的簽名是：盧瑟福，1911年 以下事實更進一步加強了原子與太陽系的相似性：原子核包含着整個原子質量的99.97％，而整個太陽系質量的99.87%都集中于太陽，電子間距與電子
但這樣一來，我們又碰到了一個似乎無法解決的困難：X-射線幾乎可以穿透任何物質而不發生衍射，因此使用X-射線時，無論透鏡還是顯微鏡都不會管用。
當然，這種性質以及X-射線強大的穿透力在醫學上很有用，因為X-射線穿透人體時的衍射會把所有X-射線底片都弄模糊。
但正是由于這種性質，我們似乎不可能得到任何一張用X-射線拍攝的放大照片！ 初看起來，情況似乎沒有什麼希望，但布拉格找到了一個非常巧妙的辦法來解決困難。
他的思考基于阿貝（ErnstAbbé）提出的顯微鏡的數學理論。
根據阿貝的說法，任何顯微鏡圖像都可以被視為大量分離圖樣的疊加，而每一個圖樣又是以某個角度貫穿視場的平行暗帶。
圖46是一個簡單的例子，表明黑暗視場中央處一個明亮的橢圓區域可以通過四個分離的暗帶圖樣疊加而成。
圖46 根據阿貝的理論，顯微鏡的運作過程是：（1）把原有圖像分解成大量分離的暗帶圖樣；（2）把每一個圖樣放大；（3）把這些圖樣重新疊加在一起，得到放大的圖像。
這個過程類似于用幾塊單色闆印制彩色圖片的方法。
如果單獨看每一塊色闆，你可能看不出圖片究竟畫了什麼，然而它們一旦以恰當的方式疊印出來，整個畫面就清晰分明地呈現出來了。
由于不可能制造出能夠自動完成所有這些操作的X-射線透鏡，我們不得不逐步進行：先從各個角度拍攝大量單獨的X-射線晶體暗帶圖樣，再以恰當的方式将它們疊印在一張感光紙上。
于是，我們做的是和X-射線透鏡完全一樣的事情，隻不過透鏡幾乎一瞬間就能完成，而一個技巧娴熟的實驗員卻要忙上好幾個小時。
因此，布拉格的方法隻能用來拍攝分子總是待在原地的晶體，而不能拍攝分子在瘋狂亂舞、四處沖撞的液體和氣體。
雖然用布拉格的方法拍攝的照片不能&ldquo咔嚓&rdquo一下就到手，但合成出來的照片同樣完美而準确。
如果因技術理由而不能在一張底片上拍下整座大教堂，那麼不會有人反對用幾張圖合成出一幅大教堂照片。
插圖1便是以這種方式拍攝的六甲苯分子的X-射線照片，化學家将它寫成： 由六個碳原子構成的碳環以及與之相連的另外六個碳原子都在照片上清晰地呈現出來。
較輕的氫原子的印記則幾乎看不到。
即使是最最多疑的人，在親眼看見這樣的照片之後，也會同意分子和原子的存在性得到證實了吧。
五、将原子剖開 德谟克利特所說的&ldquo原子&rdquo在希臘文中的意思是&ldquo不可分者&rdquo，也就是說，這些微粒代表着将物質分成其組分的最終可能界限，換句話說，原子是所有物體所由以構成的最小、最簡單的組成部分。
數千年後，&ldquo原子&rdquo這個最初的哲學觀念被納入了精确的物質科學，在大量經驗證據的基礎上成了有血有肉的實體。
此時，相信原子是不可分的這個信念仍然存在着。
人們假想，不同元素的原子之所以有不同的性質，是因為幾何形狀有所不同。
例如，氫原子被認為近乎球形，鈉原子和鉀原子則被認為具有長橢球的形狀。
另一方面，氧原子被認為是面包圈形的，但中心那個洞幾乎完全封閉，這樣一來，将兩個球形的氫原子放入氧原子面包圈兩邊的洞内，就會構成一個水分子（H2O）。
至于水分子中的氫被鈉或鉀所取代，則被解釋為拉長的鈉原子和鉀原子比球形的氫原子更适合氧原子面包圈中間的洞（圖47）。
圖47 右下角的簽名是：裡德伯，1885年 這些觀點認為，不同元素之所以會發射不同的光譜，是因為不同形狀的原子有不同的振動頻率。
根據這種推理，物理學家們曾試圖用觀測到的各元素發射的光的頻率來确定不同原子的形狀，就像我們對小提琴、教堂鐘聲、薩克斯的聲音差異所作的聲學解釋一樣。
然而，完全基于原子的幾何形狀來解釋各種原子的物理、化學性質的這些嘗試無一取得有意義的進展，直到人們意識到原子并不僅僅是各種幾何形狀的簡單物體，而是有着大量獨立運動部分的複雜結構，對原子性質的理解才向前邁出了實質性的一步。
著名英國物理學家湯姆孫（JosephJohnThomson）第一次對精細的原子軀體作了解剖。
他表明，各種化學元素的原子都是由帶正電和帶負電的部分構成的，電吸引力把它們結合在一起。
湯姆孫設想，原子是由大體上均勻分布的正電荷和在其内部浮動的許多帶負電的粒子構成的（圖48）。
帶負電粒子（或湯姆孫所謂的電子）的總電荷數等于總的正電荷，因此整個原子是電中性的。
但由于原子對電子的束縛不太強，可能會有若幹個電子離去，剩下一個被稱為正離子的帶正電的部分；另一方面，有的原子會從外部得到若幹個額外的電子，因而有了多餘的負電荷，因此被稱為負離子。
這種将多餘的正電或負電賦予原子的過程被稱為電離過程。
湯姆孫的這種觀點建立在法拉第（MichaelFaraday）經典成果的基礎上，法拉第已經證明，隻要原子帶電，那麼其電荷總是5.77×10-10個靜電單位的電量的整數倍。
但湯姆孫比法拉第走得更遠：他将一個個粒子的性質歸因于這些電荷，提出了從原子中獲取電子的方法，還對高速飛過空間的自由電子束進行了研究。
湯姆孫研究自由電子束的一個特别重要的成果是估算了電子的質量。
他用強電場從某種材料（比如熱電爐絲）中提取出一束電子，讓它從一個充電電容器的兩個極闆之間穿過（圖49）。
由于電子束帶負電，或者說得更準确一些，電子本身就是自由的負電荷，所以電子束會被正極闆吸引，被負極闆排斥。
圖48 圖中右下角的簽名是：湯姆孫，1904年 圖49 讓電子束打在電容器後面的熒光屏上，便很容易看出由此導緻的電子束的偏離。
知道了電子的電量和在給定電場中的偏離，就能估算出電子的質量。
它的确很小，湯姆孫發現電子的質量隻有氫原子質量的1/1840，這暗示原子的主要質量包含在它帶正電的部分中。
湯姆孫雖然正确地認為原子中有一群帶負電的電子在運動，卻又誤以為正電荷均勻地分布在整個原子中。
盧瑟福（ErnestRutherfard）在1911年表明，不僅原子的大部分質量，而且原子的正電荷都集中在位于原子中心的一個極小的原子核内。
這個結論得自他著名的&alpha粒子散射實驗。
&alpha粒子是某些極不穩定的元素（比如鈾或鐳）的原子自動衰變時射出的微小的高速粒子，由于其質量被證明與原子的質量相當，又帶正電，所以一定是原來原子中帶正電部分的片段。
&alpha粒子穿過靶材料的原子時，會受到原子中電子的吸引力和帶正電部分排斥力的影響。
但由于電子極輕，它們對入射&alpha粒子的影響不會超過一群蚊子對一頭受驚大象的影響。
另一方面，原子中質量很大的帶正電部分與距離足夠近的入射&alpha粒子的正電荷之間的斥力，必定會使&alpha粒子偏離正常的路徑，朝着四面八方散射。
然而，盧瑟福在研究&alpha粒子束穿過一個鋁膜薄層的散射時，得出了一個令人驚訝的結論：要想解釋觀測到的結果，必須假設入射的&alpha粒子與原子的正電荷之間的距離小于原子直徑的千分之一，而這隻有在入射的&alpha粒子和原子帶正電的部分比原子本身小數千倍時才是可能的。
因此，盧瑟福的發現将湯姆遜原子模型中廣為散布的正電荷縮小成一個位于原子正中心的微小的原子核，而那群帶負電的電子則留在外邊。
這樣一來，原子不再像電子充當瓜子的西瓜，而是像一個微縮的太陽系，其中原子核代表太陽，電子代表行星（圖50）。
圖50 左下角的簽名是：盧瑟福，1911年 以下事實更進一步加強了原子與太陽系的相似性：原子核包含着整個原子質量的99.97％，而整個太陽系質量的99.87%都集中于太陽，電子間距與電子