【原子物理】一根木棍可以被折断多少次？世间万物的基本构成

粉丝福利 

严伯钧的硬派科普秀交流群来啦，跟着严老师一起聊聊科普、了解物理界新动向、第一时间get严老师的活动消息，还有不定期的社群活动福利哦。

入群方式

微信添加yan_bojun，并回复：科普秀，我们将会邀请你入群。

欢迎每一位在听《严伯钧的硬派科普秀》的你的到来。

精华笔记 

今天开始我们就进入原子物理单元，第一集我们先来讲讲看万物是由什么东西构成的？答案当然就是原子了。在此基础上，我们还要了解一下原子的结构大概是什么样的？我也分三个部分来讲解。

关于万物的本源是什么？这个问题其实不是我们现代物理才开始关注的，东方和西方的哲学家在几千年前都讨论过这个问题。比方说庄子曾经说过一句话：一尺之棰，日取其半，万事不竭。意思就是给你一把一尺长的手杖，每天把它砍一半，一直砍下去，永远都砍不完。所以庄子的哲学观，他认为万事万物没有一个最小的组成单位。

从现代科学的角度来看，比方说一个人，构成人体的是各种各样的细胞、生物大分子和蛋白质，这些东西都是构筑在DNA的层面之上的。但是再往下细分，你会发现这些有机物都是由分子组成的，比方说血液当中有大量的水，水的基本单元就是水分子，一个水分子里面有2个氢原子和1个氧原子。

| 水分子由2个氢原子和1个氧原子构成

宏观世界万事万物的性质，一直往下分，最终分到原子这个层面就差不多了，再往下就属于核物理了。我们知道这个世界上的原子有很多种，比方说刚刚说的水分子，里面就有氢原子和氧原子，它们的性质各不相同。

第二部分我们来深挖一层，看看原子的结构是什么样的？很明显，一定是因为原子内部结构的不同，才会导致它们的性质不一样，否则的话，世界上就只会有一种原子。

那么关于原子论，其实古代的哲学家就已经探讨过了，古希腊有一个非常著名的哲学家叫做德谟克利特，他探讨了物质的结构问题，也是第一个提出原子论思想的哲学家。

德谟克利特认为万物的本质就是原子和虚空，这个想法听上去还挺有道理的。因为那个时候没有科学技术，能够通过逻辑分析到这种程度，已经非常了不起了。他认为把万物分割到最后就是原子，它是一种不可分割的物质微粒，就跟一个小圆球差不多，它的基本属性叫做充实性。

那什么叫做充实呢？简单来说，原子是实心的，里面是由物质填满的。并且原子和原子之间都是没有空隙的，除了原子之外都是虚空，或者说都是空间。这个就是关于原子结构的最早的理论，认为每个原子都是一样的。

原子论虽然不能被证明，但是在20世纪以前的主流思想圈当中，大家都比较认同这个说法。比方说亚里士多德，他就非常推崇原子论。但是一定要注意，此原子非彼原子，我们在第一部分的时候已经说清楚了，原子的种类有非常多，不同原子的性质是完全不一样的。比方说金原子跟碳原子，钠原子跟铅原子，都是不一样的。

那是什么导致了原子之间的性质不同？答案是原子内部还有更深层次的结构，正是因为原子内部的结构不同，才导致每一种不同的原子，我们在元素周期表上称为元素，它们的性质是截然不同的。比方说放一块铁到水里基本不会有任何反应，但是把一块钠扔到水里，它基本会立刻爆炸。因为钠的活性非常强，而铁是一种非常钝的金属。

第三部分，我们来看看到底是什么决定了万物的属性？或者说是什么因素决定了每种原子的性质不同？简单来说，就是质子数。我们如果再去把原子做分割的话，原子里面有带正电的原子核和带负电的电子，并且它们的带电量是相同的，但是符号相反。所以加起来总电量为零，一个原子从外面看上去是中性的，不带电。

那原子核里面带电的到底是什么呢？是一种叫质子的基本粒子，质子是带正电的。如果原子里面质子的数量可以变化的话，为了要让原子保持电中性，原子外部的电子数肯定也要跟着变化。

而原子和原子之间发生各种各样的化学反应，其实就跟它有多少个电子，以及电子的排布，是高度相关的。比方说某些元素，像锂、钠、钾，它们的活性都非常高，扔到水里就会起反应。恰恰就是因为这三种元素的最外层都只有一个电子，这一个电子在原子内部的地位很不稳固，就很容易跟外界发生反应。

那么我们是怎么知道原子还有内部结构的呢？最早是在1903年的时候，有一个叫J. J. Thomson的英国科学家，在一个叫卡文迪许实验室的地方，发现了电子。Thomson发现电子之后，他肯定会想一个问题：既然原子当中含有电子，那么我们把电子拽出来之后，这个物质就带了正电。很明显原子当中一定有一部分是带正电的，否则的话原子不可能是电中性。

之后Thomson就提出了一个关于原子结构的模型，后世管它叫做葡萄干蛋糕模型。我们都吃过葡萄干蛋糕，一块蛋糕里面随机地塞了一些葡萄干。Thomson认为电子就好像那些葡萄干一样是塞在原子里面的，原子里面除了电子以外就像蛋糕一样，正电荷均匀的分布在原子的其他地方。

| J. J. Thomson和他的葡萄干蛋糕模型

但是葡萄干蛋糕模型很快就被推翻了，推翻它的人叫做卢瑟福。卢瑟福也是一个英国科学家，他也做了一个实验,这个实验叫做α粒子散射实验。我们之前在讲核辐射的时候提到过α粒子，它其实就是氦原子核，把氦原子的电子都拽掉，它就带两个正电荷。

卢瑟福用一束平行的α粒子去穿过金箔（用金子做的一层薄膜），他来观察这一束α粒子在穿过金箔之后的表现是什么样的？如果是个葡萄干面包模型的话，通过简单的概率分析，这一束粒子应该就是很正常的穿过去。

但是α粒子散射实验出来一个非常奇怪的结果：大部分的粒子穿过金箔之后轨迹都产生了一定的偏转，只有极少部分的粒子原路返回，被弹回去了。那这说明了什么？说明金箔当中这些金原子的质量只集中在一个很小的核心里面。

因为只有少部分的α粒子被弹回去了，为什么会被弹回去？因为金原子的原子核也是带正电的，同性相斥。当一束带正电的α粒子进去之后，大部分没有碰到金原子的原子核，就穿过去了，但是受到原子核的电磁力，轨迹发生了一定的偏折。只有少部分迎面撞向原子核的α粒子才会原路返回。

 
| 卢瑟福和他的α粒子散射实验

所以说葡萄干蛋糕模型是错的，真正的原子结构，它的原子核占据了大部分质量，并且这一部分质量就处在整个原子的核心，但是它占据的体积非常小，原子内部大部分的空间是非常空旷的。卢瑟福也因为这个非常重要的实验，于1908年获得了诺贝尔化学奖，他在探索原子结构奥秘的进程当中，地位是非常高的，被人们誉为原子物理之父。

总结一下，我们这集讲了构成万物的基本单元是什么？答案是原子。尽管原子还有内部结构，还可以再被分割，但它是稳定万物性质的基本单元。最后我来请你思考一下，我们已经把原子的构成讲清楚了，那么下一个问题就是：电子具体是绕着原子核怎么运动的？非常期待看到你的留言。