【极小篇｜第一章：原子物理】01 构成万物的最小单元

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严老师讲义 

1.1.1 古代学者的看法

人类对于微观世界运行规律的探索，其实都起始于一个基本问题：组成世界的万事万物，是否存在最小的基本单元？

古希腊哲学家留基伯和德谟克利特师徒二人在两千多年前提出了著名的原子论。他们认为万物的本源是原子和虚空，物质最终都可以被分割为一个最基本的单元，叫原子，其余的则是虚空。虚空是原子运动的场所，原子的性质是充实性。说的通俗一点，我们可以把原子当成一个个极小的实心球，它被定义为不可分割的最小个体。

1.1.2 如何证明存在最小单元？

但是留基伯和德谟克利特的理论只停留在哲学层面，要判断是否正确，则需要科学实验的论证。

我们现在都知道，万事万物由原子构成，尽管原子并非是构成万物的最小单位。

在如今的科学框架中，原子的存在是在 19 世纪初，被英国一位名叫道尔顿的化学家证明的。道尔顿证明原子存在的方法并不复杂，当时人们已经知道了，碳和氧结合可以生成两种物质，分别是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是可燃的，二氧化碳不可燃，这是两种化学性质截然不同的气体。

道尔顿证明了，如果用一些碳和一些氧进行化学反应让它们结合，同样分量的碳要全部生成二氧化碳，所需要的氧气的质量永远是全部生成一氧化碳所需要氧气的两倍。

也就是说，同样分量的二氧化碳和一氧化碳，二氧化碳的含氧量永远是一氧化碳的两倍。说明碳和氧结合生成的两种不同物质性质的差异，主要来自于氧含量的不同，并且氧含量永远是两倍的关系。

这就说明碳与氧反应的时候，一定有一个最小单位，否则碳可以以任何比例与氧结合。既然二氧化碳和一氧化碳之间，氧含量永远是两倍的关系，就证明了从一氧化碳变成二氧化碳，必须要增加一个最小限度的氧气量。

物质必有最小单元，我们在化学的层面上定义这个最小单元叫原子。这就是原子论最初的实验证明。此处道尔顿证明的原子，并非德莫克利特意义上的原子。他只是证明了对应不同的元素，必然存在最小的构成单元，这个单元被定义为该元素的原子。比如氧原子，它是氧元素的最小构成单元。原子物理讨论的原子，都是道尔顿定义的原子。

1.1.3 原子论的进一步证明：布朗运动

作为一个化学家，道尔顿首次证明了原子的存在。1827年，苏格兰植物学家罗伯特·布朗通过著名的“布朗运动”实验，给出了原子存在的实验证据。

布朗把一些花粉洒在平静的水面上，然后用显微镜观察花粉的运动。他发现这些花粉的运动很奇特，它们会随机地做一个快速的运动，然后又停下，感觉是随机地被弹来弹去。奇怪的是，水面是完全平静的，花粉也没有受到任何的外力作用，它为什么会随机地运动起来呢？

布朗运动当时被解释为水分子在运动。这盆水从宏观上看是非常平静的，但是它只要有温度，就说明微观上水分子在做运动。关于这个问题，我会在【极热篇】详细介绍。

水分子运动的速度越快，则体现为温度越高。在一个温度情况下的物体，它所有的分子、原子并非以相同的速度运动，而是有快有慢，它们的均值体现为最终的温度。

一盆看似平静的水，里面的水分子其实都在运动，并且有少数水分子运动的速度非常快。尽管花粉的大小比水分子大多了，速度快的水分子还是可以把花粉撞得运动起来。这就是布朗运动对于水分子存在的证明，水分子就是水这种物质的最小构成单元。

在20世纪初的时候，爱因斯坦彻底证明了布朗运动，这也是爱因斯坦的一大重要贡献。

1.1.4 原子不是最小的

目前看来，我们似乎证明了德谟克利特的原子论是正确的，但这明显不是终点。德谟克利特的原子论猜想万事万物由一种最基本的物质构成，这种最基本的物质叫原子。

但道尔顿和布朗运动证明存在的原子，并不是德谟克利特说的原子。

德谟克利特的原子，是最基本的物质构成单位。所谓基本，就是说它们之间的性质应当完全一样。但原子却是各种各样的，一氧化碳里就有碳原子和氧原子，水分子里也有氢原子和氧原子。碳、氢、氧这三种原子的性质明显是不一样的，否则不会出现性质各不相同的物质。

如果这些原子之间性质各不相同，它们就不是同一种东西。换句话说，不同的原子内部，一定存在差异。既然内部有差异，就说明这些原子并非构成万物的最小单元，它们一定可以继续被分割。

那么原子内部都有些什么呢？它们是否才是最基本的单元呢？下一节，我们将讨论原子的内部结构。