曹則賢：原子與原子物理（上） | 中國科學院2026跨年科學演講

2025年12月31日，由中央廣播電視總臺、中國科學院學部工作局主辦，中國科學院物理研究所、中國科學院計算機網絡信息中心承辦的“復興路上的科學力量——中國科學院跨年科學演講”面向在全網播出。

當晚，中國科學院物理研究所曹則賢研究員開講《原子與原子物理》?，F將演講內容整理如下，各別字詞稍有改動。由于微信字數有限，本文將分為上下兩部分推送。全文包含開篇詞、引言、元素說、古代原子論、關于元素/原子的進一步認識、電、電子與原子研究、原子結構與量子數、量子力學與原子、原子核模型、反粒子、反物質、結束語十一部分內容。

演講的幻燈片文件可以在【返樸】微信公眾號后臺回復“2026跨年演講”獲取。

因為內容太多，時間倉促，難免有些文字上錯誤，敬請諒解。

演講 | 曹則賢

01

開篇詞

現場的各位尊敬的領導、各位同學，遠方屏幕前的親人們、朋友們，大家晚上好! 歡迎關注中國科學院的跨年科學演講。

今年我演講的題目是原子與原子物理。看樣子大家對原子物理問題都比較感興趣，也有不少的困惑。

這也是我個人的第7次跨年科學演講，也是在這個舞臺上的第3次演講。前幾年，我講了量子力學、相對論、電磁學、規范場論等等。

今年我們講一個比較前沿的課題：原子物理。以后有機會，我想抓緊時間講一講實驗物理和數學物理。因為我本人獲得了實驗物理的博士學位，而且今天中國在工業化方面處于世界領導地位，對實驗物理的理解可能有更加迫切的需求。但是另一方面，我也讀過理論物理博士，所以我特別想有機會再講講數學物理。

當然，物理博大精深，也許到我退休前都不能把物理講完，但是我們還有機會。我可以借助中國科學院老科學家科普團的舞臺，繼續給大家講述物理。

我這么努力講述物理，想傳達的是什么呢？是一種叫做遍歷精神。什么意思呢？就是說當我們進入到一個領域的時候，我們最好把這個未知的領域稍微先走一遍，然后再決定有什么特別感興趣或有特長的地方，再去談專業的問題。

德國的大數學家希爾伯特有一句特別有名的話。他說，數學不分專業，只分會與不會。我覺得這個說法也可以移植到物理領域，物理不分專業，只分會與不會。我們之所以這么努力地去講述這些物理，因為這是一件很快樂的事情。

當年法國泊松男爵曾說：“生命之美在于兩件事——做數學和教數學。”這句話同樣適用于物理領域。我認為生命中有兩件美好的事：研究物理和教物理。

這些年，外界對我的跨年演講褒貶不一，但有兩句話讓我特別感動。一條評論說：“這老頭子自己搞了個春晚，講了3個多小時?！绷硪粭l說：“每年我都要經歷4小時的物理軍訓?！庇腥藢⑽业难葜v與春晚、軍訓這兩個嚴肅概念聯系到一起，我感到非常榮幸。

今年夏天，在中國科學院大學的講座前，一位女生對我說：她曾面臨電動力學考試時，恰逢我講電動力的跨年演講。學過電動力的朋友都知道，電動力學的教材后面有兩三頁會列滿了公式，而且大家還不知道哪些莫名其妙的公式是哪里來的。我當年的跨年科學演講中說過這么一句話：“因為滿是數學，所以容易明白。”這位女生說：“當時我看到你這句話，我心里當時就放輕松了，我就不是覺得很困惑了?！蹦敲茨且荒杲K她順利通過考試，成為中國科學院的研究生。她說：“曹老師，我非常感謝你?！蔽矣X得我的有一句話曾經影響過一個人，我也非常榮幸啊。

這里面我們大家看到的這些公式是大學教科書中的常見內容。當今中國民眾知識水平不斷提升，我特別希望的是未來大家在火車或餐桌上閑聊時，能隨手在餐巾紙上寫幾個公式——這樣我們的聊天可能會更具科學性。

說一說我這個PPT的一個特點，每年都會強調說它充滿了外文這個問題。我想說的是什么呢？就是我們要強調知識的原始表達，因為相當多的知識在我們的課本里面有一些翻譯或理解上的誤解，其實應該說對人影響是非常大的。

那么，我這個PPT的一個重要特點，待會大家應該注意到，每到關鍵點我都會把原始文獻給出來。這樣做的目的是方便我們的學習者以及做教師的朋友們，能夠去方便地獲取原始文獻。

同時，我想向大家表明我說的這些內容，我確實是研究過原始文獻的，不是瞎說的。

特別地，我一直也在強調，不管我們是學數學的、學物理的，其實都要注重語言的學習。從預言保護的角度來說，我有這樣的觀念：你貢獻了文化，你就守護了母語。

大家可能也注意到了，其實在今天，隨著我們國家變得富強起來，我們的漢語在世界范圍內，實際上現在已經在深刻地影響其他語言了。大家還記得說“你行你上，You can you up?” 現在已經成了標準英語了。我覺得這個是對我這句話的一個支撐吧。

好，那么今年的原子物理PPT比較少，就是220頁。

我講座完了以后，我們物理所的研究生會把它整理好發在物理所的公眾號上。如果各位學物理的和教物理的老師，大家覺得這個PPT有什么可取之處的話，你拿去隨便用。

我們只希望它能夠起到拋磚引玉的效果，也是向社會表明，在我們腳底下這個不大的院落里面，我們學物理、研物理、教物理——都是認真的。

好，現在我們進入正題。

02

引言

“原子”概念至關重要。據說曾有這樣一個問題，說假如世界經歷一場大的災難，什么都只允許你給后代留一句話，那么只用少數的幾個字，又包含很多信息的陳述該是什么？

著名物理學家費曼回答是說，要告訴我們的后代的內容應該是這么一句話：所有東西都是原子構成的。

大家可能覺得這句話好有道理，但其實我們注意到孤零零的一句話，實際上是不包含信息的，所以說我希望的是大家聽完了我今天的講座以后，返回頭來你再看看關于這樣一句話，你腦子里面再見到這句話的時候，它浮現出的內容就不一樣了。

我一直強調物理學科的整體特性，像相對論、規范場論、經典力學、熱力學這些都是原理性的學問。而我們的原子物理和量子力學、電動力學一樣，它是構造性的學問。

而且它還特別有特點是什么？

首先原子物理的歷史是非常久遠的，應該說差不多和人類文明是同步的。還有一個重要特點，就是原子物理的發展過程中催生了量子力學。這一點是我們在教和學量子力學原子物理時候沒被充分強調的。

那么，關于原子物理的內容，大家看一看，這是我列出的，在我們學完原子物理時應該熟悉的人物，而且還有遺漏，大家可以想象一下原子物理內容之多。

這里面有一些特別著名的人物，你都是要知道的，比方說德謨克利特，像卡文迪許、道爾頓，法拉第，提出元素周期表的門捷列夫，當然還有盧瑟福與波爾，最重要的是后面這兩個用黃色字體標出的內容寫的是索末菲和波恩。

這兩位和他們的弟子們，很多是他們的共同弟子們一起建立了近代的原子物理和量子力學。我可以負責任的說，各位如果熟讀了這兩位的著作，你大概就能把原子物理和量子力學都學會了。

我們可以看一看這三位留下的一些著作，第一位是盧瑟福，我待會兒會細講。第二位是波恩，第三位是索默菲，他們的撰寫了很多關于原子物理包括量子力學的著作，這兩位確實是大家，他們一邊工作著，一邊把工作整理發表，當年他們發表的論文動輒都是90多頁，像薛定諤發表的量子力學那篇論文是140頁。

所以說讀懂他們的論文和著作實際上是一個非常好的學習途徑。當然波恩和索默菲這兩位的著作都有英文版，所以大家可以找英文版進行閱讀，那像是索默菲還是一位非常著名的老師，他有一系列的理論物理教程，這些著作我們國內應該都引進來了，所以說大家可以系統性的學習一下。

考慮到部分聽眾耐心有限或有些小朋友年齡較小，所以說我們集中在一頁內先把整個原子物理講完。我們這是這是一頁紙的原子物理。

大概有什么內容呢？

就是從一開始，人們認為物質是由簡單的元素組成的，這有元素說，而物質又是可分的，分到不能分，所以那個東西叫atom。Atom在希臘語中就是叫不可分。漢語曾經有人翻譯過叫莫破塵。就是不能造破再分裂的塵土。

那么，你給不同不可分的原子安上不同的性質。比方說，它有不同的重量，帶著不同的鉤子（原子和原子之間相互鍵合的部分），就能夠互相結合。它就能解釋物質的變化。

那么接下來，化學家又發現世界上的元素很多種類，等發現到差不多50來種的元素的時候，人們突然發現這些元素之間好像有某種親戚關系，有一定的規律，所以就想去編這個元素周期表了。

然后在研究化學反應的時候，人們會發現原子具有不同的化學價，在英文里它就是用value來描述，就是原子有不同的價碼。所以，在這個基礎上發展出化學價理論。然后，人們又從對氣體的研究過程中注意到了，在相同體積內，分子數相同。

等到人們對氣體放電有了一定的研究，并在放電氣體的研究過程中發現了電子，這個原子的概念就失效了。因為原子本意是不可分，結果從原子里面弄出電子來了。

人們又發現電這個東西本身有最小單位，也具有原子性，因此研究就轉向了原子結構的研究。于是出現了很多原子模型，比方說拉莫的原子模型，雷娜的原子模型和湯姆遜的原子模型。那么人們發現原子不僅可破，而且原子核里面時不時自己跑出來的東西，這就是原子的放射性。

1909年漢斯·蓋革與恩斯特·馬斯登在盧瑟福的指導下，在利用原子放射出來的粒子，比方說阿爾法粒子，對著其他物質進行轟擊的時候，發現原子的質量和正電荷是集中在中間一點點的非常集中的地方的，就好像原子就像一個棗似的，它有核。于是就有了原子的核式結構模型，中間集中正電荷的地方現在我們叫原子核。

那么另外有一點，原子自己還發光。原子自己發光就會揭露出它自己的秘密。玻爾提出了一個模型，電子在原子中分立的軌道之間運動，波爾模型解釋了氫光譜，帶出了一個整數，這就有了量子數的概念。在提出了量子數的概念，在波爾提出的圓軌道的基礎上，威爾遜和索莫菲把它拓展到橢圓軌道，就有了第二量子數。

但是你會發現原子在磁場下、電場下的發光，那個譜線就像孫悟空似的，會1變2或者1變3，它會分裂。為了解釋這個分裂，人們又提出了空間量子化，這就引出了第三個量子數。

那么第三個量子數還是不夠的，因為原子在磁場里的發光叫塞曼效應，它會分成塞曼效應和反常塞曼效應。反常塞曼效應一直很難研究，最后包括原子的殼層理論，就是說原子外面的電子不是胡亂一團的，它是分成一層層的，從塞曼效應、殼層理論這些內容里，人們不得不提出了電子有自旋的概念。電子自旋，我們非常簡單的理解就是，電子自己轉動，一開始用的詞就叫spin rotation。這就湊齊了4個量子數。

人們注意到原子的行為要有專門的力學來描述，1919年索莫菲提出了超力學的概念。1924年波恩提出了原子力學的概念。到1924年中，6月13號那天波恩創造了一個詞叫量子力學。有了量子力學，有了波恩他們發展的矩陣力學，1926年的薛定諤方程，1927年的泡利方程，1928年的狄拉克的相對論量子力學方程，我們就能理解原子里面電子的行為。

然后，根據構造原理，原子外面的電子就好像住在不同價碼的房子里面，這個叫能級。你順著低能級到高能級排列，那個排列方式就能理解元素周期表了。

同時，用原子核里面跑出來的阿爾法粒子轟擊別的原子核，轟擊出了質子和中子。所以到1932年發現原子核不是固定單元，而是由質子和中子組成。

于是到了1930年代，人類關于原子的認識就有了今天大家腦子里的圖像：原子由核外電子和原子核組成，原子核由和電子數目相同的質子，以及比質子數略多一些的中子組成。電子在原子核外面繞著做不同的軌道運動。

如果大家能復述一遍剛才內容，在飯桌上和火車上就可以聊原子物理了。

那么我自己學原子物理的時候非常困惑，比方說LS耦合、選擇定則，我以為這些理論是出現在量子力學之前，后來才發現其實這些內容是出現在量子力學被提出來之后。最要命的是沒人告訴我這玩意兒哪來的。更要命的是不告訴我這些東西有相當的復雜性和有限的正確性，也就是說不是特別嚴格成立的。我心說，當年你稍微告訴我它不是嚴格成立的，我也不那么困惑了。

我們都知道描述原子里的電子用四個量子數，但從1913年波爾引入第一個量子數開始，到有四個量子數，中間的思想過程怎么回事，四個量子數之間什么關系，它們和經典力學的正則變換、哈密頓雅可比方程、絕熱不變性什么關系，沒人告訴我。

我學習時非常困惑，其中一個是原子物理書里關于電子按能級排列的洪特定則。1984年我在中國科技大學學原子物理時學到洪特定則，我不知道洪特是誰，書上怎么寫我就怎么背，期末考試過了就扔到腦后了。這是1984年冬天的事情。結果1997年4月1日，請記住那天4月1號。我在德國凱澤斯勞滕大學下班時，電梯旁邊貼了一個訃告說洪特教授昨天去世了，享年101歲。我當時就驚訝壞了，天吶，我十幾年前在我們的課本里學的這個人，他竟然是一個活生生的物理學家，而且是住在我工作不遠的地方。

那一刻，我那個驚訝是什么呢？我感慨的是：原來在人家那里那么高大上的物理就是生活的日常。我想如果我們上大學學的是李老伯原理、孫二娘方程、王大娘符號，可能原子物理量子力學就比較容易學了。最重要的是孩子對“長大當科學家”會有真切實感。我請大家注意，我們經常問一個孩子長大你干什么？他說我長大要當藝術家，我要當科學家，但其實孩子說這句話的時候，他是沒有任何感覺的。

我甚至覺得，就我本人來說，當我讀完博士的時候，我甚至都沒有一個當科學家的感覺是什么。這一點應該說耽誤了我們很多少年的成長。

好，我們現在正式進入原子物理的講解過程，請大家把自己調到懵懂狀態。因為大家可能各自有不少準備知識，很多人甚至頭腦里已經裝了很多關于原子物理的圖像。現在不管你有什么多高的水平，請調到懵懂的狀態，我們從頭看人類是怎么獲得了原子物理的知識的。

03

元素說

從一開始，人們從朦朧狀態醒來，看到世間有很多事物，結果某一天有個圣人說，世界應該是簡單的。那么在古希臘公元前六七世紀的時候，有人說這個元素的主元素是水，還有人說這個宇宙的主元素是氣。

那么元素是什么意思呢？元素在希臘語用的是stoikheion，待會兒我們會注意到這個詞，英語來自拉丁語element。大家記住，Element就是四個字母的組成，所以說它叫element，是LMNT。這是element，它表示是一個元素。很有意思，古希臘人恩培多克勒認為，宇宙的四個基本元素是火氣水土。你看，這和東方的佛教說法，四大元素地火水風其實是一回事兒。說這四種不同的元素可以用不同的比例結合。

那么他們怎么結合呢？結合就像我們人類社會里面，大家組成不同的小團體一樣，唯一的作用力就是喜歡和討厭，也挺直白的。

那么元素的區別是什么呢？元素區別在于它們的形式。元素所有的特征是冷熱這兩種特征和干濕這兩種特征的組合。那四種組合，大家可以看，其實都是對我們日常生活里所遇到的物質性質的一個提煉，沒有多大內容。

但是很有意思的是，這四種元素在一個陶罐里面就能說清楚。

大家想象一下：從前我們生活在野外，地上都是土。下雨了有水，土就變成泥。變成泥后在上面架柴火烤雞翅，烤完后發現土變硬了還不滲水。所以說把爛泥糊成容器形狀拿火一烤，竟然能盛糧食盛水，人類就可以住在離水源稍遠的地方，人類就有了文明。人類的第一個文明是陶器時代。

有一天一個小姑娘淘氣，拿陶罐打水。大家知道拿陶罐打水時罐口斜著能把水灌滿。但這次小姑娘把罐口垂直水面往下按，想灌滿罐子里的水，卻發現無論如何用力都不可能灌滿，因為上面有部分水進不去，從而證實世界上還有氣的存在。

這個陶罐故事解釋了在我們的這個世俗生活中的四種元素?？墒翘а圻€有天上。那么天上的物質是什么？不知道。既然地上是4種元素，天上我們就管它叫第五種元素，Quinta Essentia，拉丁語的第五存在?，F在我們動輒翻譯成精華素是胡說八道，第五存在就很準確?；蛘哂昧硪粋€名字叫以太，這個詞在化學里面的化學乙醚也是這個詞，指輕飄飄的物質。佛教用語里叫阿卡沙。地上的世界是四種元素，天上的世界是輕飄飄的第五存在。

元素說在其他地方還有支撐：幾何學中，用任意四邊形做地磚可以把平面鋪滿，因此三角形可以是平面的元素——任意三角形都能鋪滿平面。當然任意平行四邊形、正六邊形及15種不規則五邊形也能當平面元素，正五邊形除外。固體元素就更多。

開普勒《天體運行論》用不同立體幾何體構造宇宙模型。這本書叫Harmony，我們隨便翻譯成“和諧”不對，應是“精巧裝配”，教你怎么用幾何拼裝宇宙。

由此理解西方（尤其古希臘）重視幾何學的原因：幾何學與元素（elements）、原子都有關。著名的《Elements of Geometry》漢語譯成“幾何原本”是誤解——當年老師念“幾何原本”，我還疑惑難道有“幾何抄本”？后來明白應是“幾何原子”：幾何最重要的原子是三角形，所以初中數學先學三角形。

當年我在課堂說“簡單三角形不簡單”，僅已知幾何心就有四萬多個（當時數據），遭人嘲笑。其實但凡學點幾何就知道三角形內容極豐富。再強調：是“幾何原子”不是“幾何原本”。

希臘元素說受駁斥，如吉爾伯特認為：若上天創造宇宙，最初只創造大地和老天，哪有什么四種元素？我覺得他說對了——上蒼最重要的是創造人類腳下的大地，神奇的是這片土地竟包含1-94號所有元素。

誒！這個在宇宙里面不同星球里面，這個可能是比較稀罕的一個事情。大家也就明白了，為什么我們人類能構造出元素周期表了，那就因為大地上就1~94號元素一樣不缺。

所以說，我甚至想啊，如果我們大家不能從原子物理的角度去了解大地，我們可能都對不起蓋亞（大地女神）。我們的這個大地女神蓋亞這個詞就引出一個新的詞geo。我們按這個音譯就直接翻譯成幾何了，它是大地之母，所以說geometry的本質實際上是大地測量學，怎么用原子把大地覆蓋出來，這樣一門學問。

04

古代原子論

好，那么物質有這四種元素，那物質本身呢，感覺好像是可以分的，因為天上云彩里有雨，可雨掉下來可以變成一滴一滴的，田野里那個塵土，可以將它變得更小，你使勁搓呢，它可能變得更小。

那么這就有一個問題，就是說我使勁搓它到底能小到什么時候，小到什么程度。有人可能覺得，小到一定程度你就不能再切了，于是乎產生了詞tomos，再也不能切了。我們漢語說莫破塵，對物質來說，這種atom就是物質原子，我們還不太好了解，因為太小，那我們看宏觀世界里一些不可破的東西，莫破塵有哪些，比方說到河里釣魚，看一群魚過來，每條魚就是一個atom。你不能釣上來半截兒對不對，所以一條魚是atom。大家看漢字，漢字特別美妙的地方在哪兒？就是我們漢字嚴格的是一個全同原子的結構，學寫字最重要的是什么？你要把字寫到同樣大小的方格里面，再談練什么體。所以是atom。

那么晶體也有自己的atom。大家注意到這是一塊晶體，晶體摔碎后變成許多不同形狀，但它小到一定程度時，可能再也不能保持大塊形狀了，這時候就來到它幾何最小的體積形狀上，這就是幾何意義上的原子，學過固體物理的人都知道，叫它原胞或者單胞。

那么數字也有原子，比方說2、3、5、7、11、13，這些數就是數的原子，因為所有數都可以認為由這些數互相乘積得到。非常有意思。

那么古希臘的原子論，給我們留下不少，看這段特別頭疼，有這些人，我就不具體說了，大體上人們會提到留基伯和德謨克利特兩位，據說兩人是師生關系。

他們認為，事物最后是由物理上不可再切的atom構成。而且這個atom一直在運動中有無窮多種，atom有什么區別呢？atom就是個幾何存在，區別就在于大小。

他們甚至認為，世界上不能光有原子，原子中間還留有空位，原子填到空的地方就是原子運動，直觀上可能挺合理。此外他們認為，原子有些之間可能互相鎖定，大家看最右邊圖片，里面不同元素可以互相鎖在一起，形成比較固化整體。那么他認為，原子可能本身互鎖，甚至可能長鉤子。長了鉤子的原子互相就能勾在一起，形成物質。

而且原子在一起老是撞來撞去，像河里的水似的，會形成漩渦。你會注意到，不管西方還是中國智慧里，始終有漩渦vortex問題，大家如果研究流體的、天文的或超導的，會發現里面老有個概念，vortex，我就不細講了，因為vortex概念可說貫穿我們流體力學和電磁學發展史。

好，德謨克利特確實是提出atom詞的人。他認為，事物由原子組成。原子本身不包括空，但原子間應該有空。

那么到伊壁鳩魯呢？他對原子認識又往前一步，認為原子不光有大小，還可以有別的性質，比方說有重量，因為大家知道，原子構成物質，物質宏觀世界有重量是吧？所以說他認為還有重量。他認為原子不停運動，但他提出一個重要詞：不停隨機的運動。運動過程中會轉向，而且很多原子作用到人身體上，我們能感覺到存在對吧，比方用粉塵撒身上，可能就感覺到啊這概念非常有意思。就是大量原子運動讓我們宏觀上能感知。

1827年，一位醫生，布朗，觀察到，在液體表面放一些花粉時，你能看見原子看不見的運動驅動花粉做你能看見的運動。請大家記住，愛因斯坦同志靠研究布朗運動成名，不是研究相對論量子力學，請一定記住，他利用最重要概念是什么？就是這種顆粒被原子撞擊的大顆粒，大顆粒平均動能應等于看不見原子的平均動能。掌握這一點，你研究布朗運動就能像愛因斯坦一樣成名。那么，我們給大家看我有個小短視頻，你看水上面撒了點小花粉。待會兒它能運動起來。很神奇。就是我看到這段特別感慨，愛因斯坦大家老說1905年成名，你讀讀他1903、1904年論文就知道人家成名有道理，這些特別簡單現象里，人家就能看很深。

那么盧克萊修認為原子不規則運動，說你其實我們小時候都看到家里房子塵土飛揚。陽光照進房子塵土飛揚，你就能看見小顆粒亂動，看見灰塵互相碰撞不規則運動。所以說，盧克萊修說，看看陽光射入黑暗的房間，可以看見灰塵在所有的方向上相互追逐。這可見的灰塵的運動，不過就是撞擊灰塵之不可見原子的更復雜運動的結果。

哎呀，這句話你看多么具有科學內容。前一句就是后來的丁達爾現象，后一句就是后來的布朗運動。

那么，盧克萊修進一步就是說拓展了這個原子論。明確地說，這個原子可能是帶刺兒的，可能長得像樹枝似的，它們互相纏繞、互相抓住，就形成了不同的物質。這個我覺得可能也是來自大自然的啟發。我們很多人家鄉都應該有這個東西叫蒼耳，人或兔子從那走過以后都會沾一身，它們互相之間也會粘到一起去。

這個關于原子論，不光是西方的智者有，其實東方的智者也都早注意到。比方說印度甚至更早，印度在公元前6世紀，迦那陀就認為存在“阿努”，所謂的原子不能再分，并且明確地說它們不再能夠賦予尺度。這是最重要的，不光是物理上不可分，而是當你遇到了一個不可分的時候，實際上你已經無法度量它的尺度、它的大小了，這一點的重要非常重要。就當我們的物理研究進入到一個時間或空間的極限尺度上的時候，請記住，你要同步發展如何度量的學問，因為你不知道如何度量它。

我覺得這一點可能沒引起重視，而這位印度的智者，當年對物質的認識應該很深入。因為那個時候的印度語里面就出現了兩個原子湊成了一小堆兒、三原子湊成了一小堆兒這樣的一些詞，就是兩原子分子、三原子分子，在古印度的文獻里就已經有了。

那么在我們中國也有，《中庸》里就是說當我們談論小的時候，小到一定程度是什么樣，到最最小就是“莫能破”，那就是 atoms。

那么 atom 這個詞，是一位英國的傳教士為我們翻譯“阿湯姆”用的是我們漢語《中庸》里的“莫破塵”。結果難以想象當年的西方人能對我們中國的古文獻掌握得那么好。到1897年這一年，是電子被發現的時候，一位叫虞和親的學者正式把 atom 的漢譯定義為“原子”。也就是說，在我們中國1897年的時候，我們這個原子的學問是傳到我們中國了。

這一段總結一下，就是說跨度一兩千年、也許來自不同文明的古代原子論，內容很多。有很多思想的閃光點，當然也有很多不正確的地方，因為畢竟是最原始的思想。比方說，就關于“存在=原子+原子之間這個空”，這個就引起了爭論。就是有人認為，那就是原子，原子，你要談論原子就是談論原子，沒有什么中間還有空的問題。

有人就走兩個極端。像牛頓最后就干脆認為宇宙從一開始就存在著絕對的空，我們往里面又塞了原子。還有人認為，像萊布尼茲就認為根本不存在原子之間的空，那個空就是原子之間的空間關系。反正這一概念我們一時半時也扯不清，有很多的書，今天我們就不講了。

我們大家知道就行了：古代就認為原子僅僅是球狀的原子在一起堆積，它就能夠形成物質。沒想到這么簡單的一個模型，就是球加上中間有點空隙的堆積，實際上真的就能夠堆積出我們的物質的不同結構。這個大家學固體物理都知道。將來用這個球、兩個球中間插個棍兒的那樣一個叫球棍模型，就能堆出所有固體的對稱性。

我這里寫了一個“17、230”，大家學固體物理都知道這指的是二維物質的空間群和三維物質的空間群的數目。二維空間群只有17種，也就是說我們在花布上印花樣，只要是在花布上印花樣，它永遠最多只有17種花樣。而這一點在我們的老祖宗對這個事情認識得非?？帷Ｔ谡憬瓕幉ㄌ煲婚w，它那個窗欞就充分表現出了二維晶格的空間群性質，是非常了不起的。

用球不僅是堆出一般的物質，甚至在1611年，偉大的開普勒就試圖用球堆積出六角雪花的形狀來研究這個問題。他在堆積過程中發現總是有五邊形的空，將來會引出所謂的準晶研究，所以說你看開普勒是非常了不起的。當然等到1910年前后，我們研究固體的導熱、研究固體的導電的時候，玻恩和朗德甚至提出了正四面體原子和正方體原子的概念。其實說什么呢？其實就是固體的幾何的原子，這我們學固體物理就知道了，不講了。我們往下。

盧克萊修認為物質是由帶鉤子原子組成的，這個概念后來就被科學家接受，并且發揚光大。到19世紀初，英國化學家道爾頓也明確提出了 Hooked atom，就是帶鉤子的原子模型。這樣的一個模型，等到19世紀初的時候，這個原子帶鉤子互相能粘在一起、勾在一起的模型就慢慢變得更科學了。

05

關于元素/原子的進一步認識

一個化學家叫路易斯，在1916年提出的價鍵理論，就是原子有幾價、離子有幾價，互相怎么結合的理論。這個路易斯非常了不起，他1926年還給我們造了一個詞叫“光子”。這位化學家是非常懂物理的一個化學家。等到1928年的時候，鮑林又提出了共價共振成鍵理論。1931年提出了軌道雜化理論。我們在一般的普通化學書里都會看到這些詞，好像覺得這些概念很好理解的時候，請大家記住，這兩個理論可是出現在量子力學之后。

而鮑林就是到德國的慕尼黑，到索末菲名下留學，回來感嘆他來晚了的一個人。因為他來晚了，他就把量子力學用來描寫化學，于是才有了這些軌道雜化理論和量子化學。所以說請大家記住，你要想從量子的角度理解化學，你最好還是要跟鮑林先學一遍量子力學，然后回頭再說。

好，關于元素的再進一步認識我們看，天下只有4種元素，這事兒肯定不對。
因為你們村兒的土跟隔壁的村的土它不一樣?？諝饪隙ㄒ膊皇窃兀驗槟惆芽諝饧訅豪鋮s以后，一會兒形成一種液體，一會兒形成一種液體，說明空氣里面有好多不同的東西，空氣不是元素。

水也不是元素。因為卡文迪許有一次把氫氣和氧氣混合物充到玻璃管里面，兩邊加電極，以研究放電的結果，發現在兩電極通上電以后，中間是氫氣和氧氣的混合物，結果玻璃管里面怎么有水珠了。也就是說這兩個電極之間的氫氣和氧氣變成水了。

后來有人把電極插到這個水溶液里面，發現兩個電極旁邊冒泡泡，冒的泡泡性質還不一樣，水還變成了兩種氣體。那說明水也不是元素。水既然在電解的情況下變成了兩種氣體，其中一種氣體是氧，于是拉瓦錫就給出了水的定義。

水是什么呢？水是水所生的那種氣體的氧化物。是不是有點繞。所以說那種“水所生的氣體”就叫 hydrogen。我們現在隨便就把它翻譯成氫氣，不對，就是“水生”的。Hydrogen 就是“水生的”。水生的那個東西的氧化物，那就是水。

所以說到底是什么元素呢？波義耳定義元素說，混合物由其構成，又最終分解成它的那種原初的簡單物，那就叫元素。大家想一下，其實這定義跟沒定義一樣。那說明什么呢？說明當我們把概念推到極限程度的時候，我們實際上是沒法定義的。定義的體系大家記住它永遠是一個循環定義。

我們的大地是非常神奇的。大地有很多元素，而且很多元素用一種非常可愛的形式讓你注意到。大家看，黃金、白銀、黑炭。黑炭你要不喜歡，它還有兄弟白炭，白炭俗名叫金剛石。然后還有黃硫，黃硫名字叫硫磺，我們管它叫硫磺，實際上就是黃硫。這些東西都是我們這土里就有的，或者火山口里就有的現成東西。我覺得它們單純得讓人很想擁有，所以說它們是 element。請記住，element 表示它很單純。

對于這個認識，有一個偉大的物理學家、化學家，就是法國人拉瓦錫。拉瓦錫被稱為近代化學之父，而且他是世界上不多的幾個懂化學的人。因為什么呢？他認為化學的元素列表中必須包括光和熱。我覺得這一點認識非常重要。尤其我覺得我們中學老師教化學的時候一定要記?。寒斈阏務摶瘜W反應的時候，里面的重要角色日光和熱你是不能忽略的。像他這么聰明的人不可能只是個簡單的化學家。1791年他做出了一個對世界最重要的影響，就是發起了一個度量體系委員會。就是說我們的科學發展到今天，對各種物理量的測量要構造出一個科學的體系來。這一套就是今天我們國家也采用、國際上采用的叫 metric system。我們漢語隨便把它翻譯成“米制”，這是個非常糟糕的翻譯，不對。metric system 是一套度量系統，是一套關于很多物理量的度量系統，它不是什么“米制”，而是一個度量的系統。

拉瓦錫注意到什么呢？拉瓦錫注意到了化學反應的守恒律。也就是說 A 物質加 B 物質生成 C 物質，你不能偷工減料，最后質量應該相等。很多人會覺得這跟熱機的能量守恒一樣，太簡單了。

但是請記住，這一類物理定律一定是有兩個定律。所以說如果你單看這一個能量守恒和質量守恒，你會覺得它好像沒有意思，那是因為你沒看到第二層。當你能同時看出第二層那個定律的時候，你就知道它的意義了。第二層定律是什么呢？法國人普魯斯特認識到 A+B 這種物質反應是有確定比例的。就是說不是隨便幾斤的 A 都能和幾斤的 B 反應，它們之間是有比例的。

拉瓦錫后來發現可能是多重比例。你像 A+B 的 1:1 生成 C，那 A+2B 的 1:2 可能生成另一種物質 D。但是我記得我見過一種說法，說拉瓦錫注意到反應物、生成物的質量比不是很多的大數，而且始終是簡單的數。比方說氫加氧，反應的質量數一定是 1:8:9，都是小整數。因此他推測原子下面再往下一層次一定有相同質量的構成單元。也就是說那時候他們就注意到這個世界上可能存在原子核里面還可能存在東西。就像栗子似的，外面帶刺兒不好弄，但你看它那樣子，你猜它里面有果實。

1815年英國化學家普勞特又注意到原子重量大概都是氫原子重量的整數倍，因此提出一個觀點，說氫原子可能是唯一的基本粒子，別的原子可能就是幾個不同的氫原子湊一堆兒。一湊三個一堆，五個一堆，八個一堆，就得到不同原子。這個觀點僅僅從重量角度來說可能有道理。

但是很快有人就注意到它可能不成立。為什么呢？因為又發現一種綠油油的東西，它的元素符號是 Cl，我們漢語把它翻譯成“氯”，那個詞的希臘語意思就是綠色的意思。如果你把氯氣凍成液體的時候，就那油乎乎的，你還真讓你知道什么叫綠油油。這個氯，根據化學家測量的原子量是多少呢？是 35.45。你看它討厭不討厭，它正好就在兩個整數中間。它要是 28.9 你可以認為它差不多是 30，它要是 58.1 你可能覺得它差不多是 58?？墒撬们刹磺墒?35.5 左右，你怎么能認為它是氫原子簡單構成的。

所以說這個位置留下了一個大化學問題。大家看研究科學問題的時候，有時候這種東西會啟發你說這地方有大問題，待會兒我們會回到這個問題來。

同期一些科學后發國家，比如俄國也有一些科學家出現，也認識到了化學反應的質量守恒。羅蒙諾索夫也提出來一個很重要的觀點：熱是一種運動形式，而不是存在專門的熱值或熱流體。

我為什么這地方專門提羅蒙諾索夫這個名字呢？這是因為我這一輩子知道的第一個外國科學家的名字。那一年我上初二的時候，我們的語文老師不知道從哪讀了一個羅蒙諾索夫的故事，就不停給我們講這個外國大科學家的故事。結果講來講去就一個羅蒙諾索夫，好可憐。

關于原子和元素的認識，到這個地方我給大家打一個可能不太恰當的比喻，但是我相信大家可能比較熟悉。我們觀察一下花生。你看花生外觀就有不同樣子，你可以說 1、2、3、4、5 分出五種不同，相當于五種不同元素?？墒沁@種不同到底怎么造成的你也不知道。當你把外殼打破的時候，你發現它里面底下的原因了，是因為它有 1 個米、2 個米、3 個米、4 個米、5 個米。所以說如果花生是一種物質體系，你會發現它的原子元素就有 5 種。這 5 種元素怎么造成的呢？是由它底下的那一個組成單元構成的，就是簡單的 1 個、2 個、3 個、4 個、5 個這樣。

待會我們會看我們的原子區別就是由它底下的組成單元構成的。將來我們會發現它還有兩種不同的組成單元，一種帶電，一種不帶電。我們待會兒再說。

到了18世紀，人們認識到了宇宙中有很多不同的元素。不同元素的原子之間可以組合形成不同的物質。這些物質你把它攪拌、混合、加熱、分解，反正你可以弄出很多新物質?；瘜W家玩兒得特別開心，越開心弄出的物質越多。這時候就有很重要的需求，請大家記住，回答這個需求是大科學家的工作。是什么呢？發展符號體系。這就是我們學化學的時候所謂的元素符號的問題。請記住，發展符號是大科學家能做出的事情。

歷史上有一個很重要的發展符號的過程，就是萊布尼茲為微積分發展出了一套很好的符號。我們即把他對微積分那些數學的貢獻拋開不談，他僅僅是給我們發展出了那么漂亮的微積分符號，就足以確定他對科學、對數學做出了重大貢獻。現在我們已經認識到了這個世界上有很多不同的元素，這些元素對應的物質之間性質有什么規律、有什么關聯，這就是我們研究化學要研究的。

到這時候英國出來了一個大化學家，道爾頓。道爾頓明確指出同一種元素的原子，就是它的組成小顆粒，“莫破塵” atoms 是不可分辨的。就是說它在各種嚴格意義上是相等的。

不像我們社會構成人，人雖然在法律意義上等價，但我們看人還有高矮胖瘦、丑俊之分。但是元素的原子是嚴格不可分辨的?；衔锸怯刹煌氐脑影凑展潭ㄕ麛当冉M合而成的。

很重要一點是：道爾頓除了發展出“原子必須帶鉤子可以化合”以外，他已經開始畫圖了，去構造原子符號和分子符號。你看就是畫這種圖，當然現在我們都認不出來了。

他那時候已經有所謂的氫、氧、氮、碳、硫、磷這種元素相對于氫原子的原子重量，并且認識到元素之間可以用不同的原子比產生新的物質。這個時候原子除了剛才說的有大小、有鉤子，還有另外一個非常重要的物理概念：有重量，原子重，或者叫原子的相對質量，我們現在就說原子相對質量。

現在我們國家的化學書、可能國際上化學書都有一種定義，說原子質量是以碳原子質量的 1/12 為單位的。這是一個非常莫名其妙的做法，因為為了讓你理解為什么選碳的 1/12 作為單位，我估計兩節課說不清楚。原則上它一定是用氫原子核、氫的同位素原子核一個質子為單位。

19世紀初那一段時間里，像法國的科學家蓋-呂薩克也注意到，不僅是化學反應里固體物質的質量滿足一定比例，如果是氣體的話，氣體的體積也滿足一定比例。比方說兩個體積的氫氣加一個體積的氧氣，就能得到兩個體積的水蒸氣。

這種體積的嚴格比例，再想到它們是原子按一定比例構成化合物，最后就讓人們得出一個結論：在相同的壓力和溫度條件下，任何氣體的同樣體積里分子數是一樣的。這個認識是很酷的一件事情。

這里面就引出了所謂的阿伏伽德羅常數的問題。那時候人們認識到單位體積的氣體分子數很大，但要確切測量很難。

后來有很多不同的方法，特別注意又是愛因斯坦。愛因斯坦就在這個方向做了工作，而且得出了非常重要的公式，就是粘滯系數和擴散率之間的關系，這是非常了不起的愛因斯坦關系。都在愛因斯坦1905年成名之前，所以說愛因斯坦真是隨便哪個工作都足以確定一個人作為大科學家的地位。

行了，大家知道有這么一個阿伏伽德羅常數就行了。現在確定這個常數的方法比較先進，就是用X射線先決定晶體結構，然后測量到一個原子占據的具體體積大小，反過來就能算出來單位體積里面到底有多少個原子。以前有密里根的方法，據說還有麥克斯韋方法，但是我在這篇論文里沒找著。

現在我們看，我們這個大地，1 到 94 號元素都不缺，但是以單質元素出現的物質還是少數。我剛才提到了金、銀、銅、碳、硫這種物質。還有一些是大自然里有一些物質，你稍微倒騰一下它就能夠出現。比方說你從山里采了黑炭，結果一不注意里面混了一些紅色的石頭，然后炭一燒，最后剩下來很硬的東西，人們發現了鐵。你煅燒的時候有一些白的粉末，粉末這么一燒得出一種金屬叫鋅。請大家記住，世界上天然的有銅。當人類發現了金屬鋅的時候，這個世界就突飛猛進了。我相信可能很多人沒注意到鋅的重要性。大家想象一下，當你有了自然界現成的銅，你有一個銅片，稍微冶煉一下你得到了鋅片。你把一個銅片加上一個鋅片，杵到一個番茄或者一個東西上面，竟然出現了電池，人類有了電池。

有了電以后，人類研究就加速了。后來人們發現了更多元素以后，當個體足夠多，人們就會發現它們中間或遠或近有不同的親戚關系。這就有一個關于親戚關系的研究，我們管它叫親和性 affinity。其實 affinity 這個詞，不管在化學、在物理、在數學里面，到處都有研究點之間那種親戚關系。我們漢語隨便把 affine geometry 翻譯成仿射數學或仿射幾何，什么意思天知道。它其實就是研究親戚關系。到1817年的時候有人就嘗試給元素分類。到1843年的時候有人都能列出55種元素了。有了50多種元素，人們就注意到有一些規律。

比方說在鋰、鈉、鉀這三個元素中間的間隔可能應該是差八個元素。注意到這個八度律的周期性的時候，就預言了一個元素，germanium，我們把它翻譯成“鍺”。這個詞實際上就是日耳曼，就是德國，Germany。還有一個叫麥耶的人根據化學價態為28種元素做了分類。這些分類都不是特別成功。因為我們知道用原子質量也好，或者用價態也好，它作為序數參數都不合格，因為它們不具有唯一性。所以元素周期表的親戚關系就亂，一時半時看不出來。

這時候就出現了一個偉大的年輕人，門捷列夫。雖然胡子那么長，但其實很年輕。1861年的時候他才27歲。門捷列夫做出了一件偉大的事情：他要為俄羅斯民族的少年寫出一本最好的無機化學書。為了寫出更好的無機化學書，他就要詳細研究那些已知道物質、已知道元素的化學性質，整天在那擺弄，排不來排不去。結果有一天，這也是標準的關于科學創造的敘事，說有一天在夢中突然靈光一現，發現它們之間可以排成一個表。于是就有了元素周期表。

門捷列夫的元素周期表列有多少種元素呢？63種。根據周期性，他認為如果周期性成立，那么空缺的地方確實有存在?？杖钡牡胤剿昧恕癳ka”之類的標示，意思就是說數列往下1位、往下2位、往下3位的地方，說那個地方還少一個東西。所以這一個元素周期表為什么成立、為什么偉大呢？就是因為如果這個表成立，那么空缺位置上的東西后來都被找出來了。所以我們一般都把元素周期表歸功于門捷列夫。

大家有空可以讀讀門捷列夫那篇論文，那篇論文是用德語發表的。請記住那時候俄國人也挺可憐，不能用俄語發表，還是用德語發表，但是現在都有英文翻譯了。

到1895年的時候，元素周期表到92位的時候已經只缺5位了，也就是說已經有了87種元素了，這個進步非常大。

這張列表里面我們看，后來用原子量作為 X 軸，用原子序數表示的原子量、第一離化能和所有的離子半徑。我們會看到原子量隨著原子序數的變化幾乎是一條線，是等斜率的一條線。所以原子量本身看不出什么元素周期表來。

但是大家看第一離化能和所謂的原子半徑，你明顯能看出來某些值是局域的最大值。那是什么呢？就是那一類特別神奇的元素，叫惰性元素。氦、氖、氬、氪、氙、氡這6種元素。有它們作為標記、作為極端的存在的時候，另外一個極端就是堿金屬：鋰、鈉、鉀、銣、銫。這兩頭確定了以后，中間少了哪一個你就敢確信它真的存在，這就是為什么在很早的時候我們知道的元素數不夠多，但我們堅信存在周期結構的原因。

我們這個元素周期表的認識為什么能成功呢？我總結這么幾條。

首先，元素周期表就是各種元素本身真的是一個有機的整體，當它足夠多的時候，它們的親戚關系就表現出來了。

第二條，因為有堿金屬和惰性氣體這種極端性質作為參照點。這些參照點被確立的時候，中間少幾根也就沒什么事兒了。當然后來了，隨著我們原子結構的更多細節被揭示出來，我們認識到原子核中的質子數具有確定性，而且可以作為序數，1、2、3、4、5、6、7 這樣排列原子。我們還知道它的化學性質是由原子最外層電子的性質所決定的。

因此我們可以得出結論。這個結論等我們學了更多才知道什么意思。我提前說：元素周期就是原子中不同數目電子的排布。這個排布有點像你單位那么多人到底誰該領哪一級工資。關于原子核電荷所表現出來的規則性，如果你僅僅靠學化學你是理解不了的。等你學會了量子力學，量子力學會告訴我們元素周期表為什么長那個樣子。這是我們接下來要學的內容。

06

電、電子與原子研究

現在剛才都是一些關于原子粗略的研究。我們還有另外一個重要的研究原子的工具，就是電。很早我們知道摩擦生電。到1831年的時候，法拉第給我們演示了感應生電，因此我們就不再需要僅靠化學電池供電，而可以有持續供電。這就使得用電來研究電本身、用電來研究物質性質成為可能。有了電的研究以后，首先一個重要的認識是：竟然發現電這個東西本身是有最小單位的，表現出原子性或量子性。電子就成了原子的一個組成部分。但是電子因為可以被電來操控，那就好玩多了。所以電子的有趣度、知識風度，我甚至覺得它雖然是原子的組成部分，但它的有趣度或者知識風度高于原子。關于原子本身，你寫一本書也不夠。我是前前兩年在物理學會專場有專門一個報告，叫《電子的獨特物理角色》，就專門講電子的，網上有。

電怎么影響到我們化學或者元素研究呢？

1800年時候有人把電池插到水里，就發現電極上冒泡泡。法拉第因為有持續獲得電的可能了，把電插到液體里去研究液體的導電行為，結果發現電極上會附著出新物質。于是出現了電解。這就是電解化學。

電解這個東西非常重要，請大家記住，今天我們中國之所以在某些稀土甚至一些金屬材料的產出上能夠掌控全世界的供應，就是因為我們有足夠多的電。我們用電去電解鋁，電解鋁捎帶就產生一點鎵，那就很了不起。這是法拉第率先發現的，并且造了“電解”這個詞。

“電解”這個詞立馬就引出了一個了不起的科學問題。為什么呢？我們都知道，如果你用電電解的量很少的時候，你說電解出的物質 M 正比于用電量，這個事情沒問題吧。我通上電，電解出一點點物質的時候，電解出的物質正比于用電量，這沒問題吧。可惜這個 M 正比于 Q，如果你要會看公式的話，這個公式里面內容可就事關重大了。因為 M 正比于 Q，但是 M 是有原子性的，也就是說 M 是要分成某些小單位的整數倍的。M 既然分成某些單位的小整數倍，M 和 Q 有正比，那說明什么？說明這個電荷的Q，也是某個最小單位的整數倍。也就是說，電也有原子，電也有量子，電有最小的單元的問題。

所以說到了1881年，德國科學家亥姆霍茲在倫敦化學學會的一個報告里就說得很清楚了。我們把關于化學的物質具有原子的這個觀察事實，移植到電過程，結合剛才法拉第的電解定律，就能得出一個出乎意料的結論，是什么呢？

就是電，不管是正是負，也可以分成確定的基本小量。所謂的基本小量，elementare Quanta。

你看，Quanta這個詞出來了，就是德語小量的意思。那后來我們慢慢就把它演化成叫量子，請大家記住，我要強調一遍，量子這個詞不是普朗克先用的，1881年在這里（使用到），1872年的時候，伯玻爾茲曼就把動能量子化了。1893年前后，維恩的論文里到處飛的都是Quanta。所以說，我們不要信有人說的普朗克先給我們造的Quanta，這個詞不是那么回事。

其行為恰可以看作電的原子，原子就是不可分割的小部分。就是說電是具有最小單位，最小顆粒。

當然了，這個也就是瞎猜，還沒找著證據。雖然沒找著證據，現在也得給他造個名字。用什么名字呢？

1874年的時候，Stoney給它起個名字叫electrine。1891年，又改成了Electron。但是Electron這個詞本身，以前希臘語里就有，以前希臘語里就有，琥珀。或者金銀、合金這種特別軟的東西就叫electron啊，現在重新造這個詞，Electron意思是說是導電的導電子或者導電的最小單元，是電的一個最小單位，造了electron這個詞。

如果老是在液體里研究，那就老說不清楚。這時候另一個方向的研究是什么呢？

請大家記住啊，有一個偉大的發明——打氣筒。打氣筒發明引起了馬堡的實驗，8匹大馬拉不開一個抽真空的，直徑1米的球殼。

但是那個泵實際上抽氣抽不了多干凈，到了二百年后，1855年，有人發明了水銀泵，把一個東西灌滿水銀，再（將水銀）從一個小口倒出來，里面剩下空間的氣壓足夠小。

所以說呢，有人就用（水銀泵）來研究這個氣體的導電行為。空氣已經不導電了，如果氣體越稀薄，那肯定導電性質越差。大家都這么想，結果一做實驗就發現不是那么回事，為什么呢？

我們知道大氣壓是760mm高水銀柱。當氣壓達到差不多一個毫米水銀柱的時候，發現這個氣體不光導電，它還發光。當氣壓小于0.1個毫米水銀柱的時候，氣體不發光了，全黑了，只剩導電了。但是如果氣壓再小，氣體倒是不發光。但是能看到影子。

什么叫能看到影子？就是你在兩個電極之間放一個東西，那個東西能產生產生陰影。那影子從哪來呢？我們平常在陽光下，都知道影子是因為有東西照著它才有影子，對不對？比如現在我就有個影子。

一開始，光線是從陰極射出?，F在（陰極）光沒有了，可是還有影子，說明可能有別的射線。那射線從哪來呢？射線從陰極來，于是我們給它起個名字叫陰極射線。但陰極射線是什么東西呢？咱也不知道，反正就起名叫陰極射線。

現在發現了陰極射線，待會兒還會發現X射線，還會發現溝道射線。溝道射線是什么？溝道射線就是把陰極掏個眼兒看，后面也跑出來一個光柱，加上電極呢，它也能受電場的影響，發現溝道效應里面跑出來東西有好多種，但是跑的最快的或者最輕的那個東西，就排第一的叫proton，我們漢語把它翻譯成質子，其實人家字面意思就是第一個。

所以說，在電場的作用下，你原子結構可能就會攤開。那么這個順序是什么呢？順序就是玻璃管里面加上一個電極。一開始氣壓大，加大電壓會產生火花。氣壓再小就會（產生）電弧，氣壓再小，就（會產生）輝光，到沒有光的時候，會發現雖然沒有光了，中間塞個東西，還有影子，就是一個火花。電弧，輝光，到沒有光也有影子的一個過程，讓我們發現了什么東西呢？發現了陰極射線，這時候還不叫電子，請大家記住，這時候叫陰極射線。

但是這個陰極射線，很有意思，加電場能偏轉。怎么知道它偏轉呢？因為影子偏轉，在那個阻擋物前面加電場的時候，你發現那個影子偏了。所以說知道這個陰極射線是受電場的影響，它對電有響應。

加磁場呢，那也偏轉。從磁場偏轉來判斷說它可能是帶負電的，有磁場，有電場下影響它偏轉。

1890年的時候呢，Stoney覺得這個東西可能應該叫電子，就起了個名字叫電子，有了電子以后，荷蘭人洛倫茲，英國人拉莫爾就發展了關于電子的理論。他們的電子理論里面有些是正確的，但大部分是錯的。但是我提醒大家一句，我們相當多的書里面是不分對錯就都給拿過來了。

另外一個英國的科學家，J·J·湯姆森在1897年的時候，去測量陰極射線的荷質比，就是說它受電場或磁場偏轉，怎么偏轉是和荷質比，就是說電荷除以質量這樣的一個物理量是有關系的。他測量陰極射線的荷質比，發現和光電效應中用光從金屬里產生的顆粒荷質比竟然差不多。

于是乎菲茨杰拉德就準確的認識到，這個東西可能就是Stoney命名的那個東西，即 電子，所以人們把1897年J·J·湯姆森測敲定荷質比，從而把陰極射線確認為電子當做電子被發現的那一年，因此，J·J·湯姆森就被稱為是電子的發現者。其實，實際故事不是（這樣的），早在他之前人們就發現過電子，只是那時候它不叫電子，它叫陰極射線。待會我們知道，還有另外一個場合，電子叫貝塔射線，還有別的故事。

陰極射線肯定不是原子，因為它的荷質比比氫原子差很多，差1800多倍，這個肯定不會弄錯。因此，測量電子的荷質比，或者說測量質子和電子的質量比這個問題，一直是實驗物理的一個重要研究話題。這個地方我給大家展示的是1950年的一篇論文，就是確定質子和電子的質量比，這篇論文只有一句話。請大家記住，這才是好的論文，有話就多說，比方說像索末菲的講原子模型的，就94頁，像這篇文章一句話就完了。

那么，我們知道了陰極射線，而陰極射線封在玻璃管里面。有人就想著，在玻璃管里不方便研究，我怎么能把它引出來？

于是乎呢，有一個人叫Lenard，發明了Lenard窗口，在玻璃上敲個小眼兒，摳個洞，貼上金膜，再用別的物質把它力學加固，能把陰極射線從那個孔里引出來，那怎么知道它引出來了呢？有一種熒光板，陰極射線打上去，就能看出來有個亮點。

結果這位Lenard可能是大老板比較有錢，他把某種熒光材料，一種對X射線不敏感的熒光板全給買光了。結果倫琴也想研究這個東西，也把陰極射線從小孔里引出來，可是這種熒光板買不著了，他就去買另外一種板。沒想到這這種板竟然對陰極射線打到陽極上，產生的X射線敏感。因為那個光很弱，所以說大家想一下，都是大半夜做實驗，還得把實驗室窗簾拉上啊，結果倫琴教授買的這種感光板呢，不光對電子束感光，對X線也感光。結果在他的裝置和墻上靠著一塊大板之間，他第一次看見了自己的肋骨。大家想這多嚇人，大半夜做實驗看見自己肋骨。

但是這話說給誰去？別人不相信啊，對不對？那時候沒有照相機可以拍照，也沒有手機可以拍視頻給別人看。所以說就把他媳婦兒手拉過來，在中間拍了張照片，這就是第一張X光照。

X光能夠留下骨頭的形象，這個很酷啊，人類對科學耍酷，你們都想象不出來到什么地步。20年代的時候，歐洲甚至是流行用X光拍結婚照的。X射線被發現以后，又成了揭示揭示原子的內層電子結構的工具。我們研究原子物理的過程得出來的東西，成了研究原子物理的工具，這一步做的好。

差不多到1897年，來自原子里面的電子的身份被確立了。帶正電的溝道射線，也就是正離子也被確認了。所以說，整個原子的概念就徹底坍塌了。

但是坍塌了沒關系，因為原子既然是復合體，有結構，而且里面有電子，那我們就研究電子，研究原子結構好了。物理學家活兒更多了，老開心了。

電子是什么樣子，電子在原子里面是怎么存在的，怎么運動的？這就是大家能夠最先想到的一些研究話題。

電子是什么樣子？1902年有個電子模型，Abraham提出來的，說電子是個球形的，而電荷在哪兒呢？電荷在最外層的球殼上均勻分布。就像一個雞蛋，在最外層雞蛋殼上均勻分布的，就是電子。恰恰就是這個模型很害人啊，后來讓泡利認為，如果電子自轉，則線速度要超過光速，就是說電子要轉動的足夠快，使得它表面上線速度大于光速，它帶著這些電子產生的電子磁距，才能夠測量到。所以說，泡利否定了電子自旋的概念。

另外呢，這位老兄還提出了一些莫名其妙的說法，比方說，他認為電荷停留在物體表面，可以假設電荷是從無窮遠處來一點點組裝到這個電子的表面的。這些電荷從無窮遠處組裝到電子表面上，最后形成的勢能應該等于電子質量m乘上光速c平方。于是乎有什么自能啦，電子半徑啦，這些莫名其妙的說法。這些東西某種意義上應該說不對，但是我們現在許多教科書還不明所以，都一股腦納進來了，這些東西應該批判的看。

再往前一點，關于原子的模型，因為那時候大家認識到原子真可能存在了，在1828年，就有一個所謂的費希納原子模型。那個原子模型認為，原子物質有重的原子，還有一種無重的原子，就是剛才我們提到天上的物質——以太。有重的物質原子作為核心，沒有質量沒重的以太原子是一個殼層，像雞蛋殼似的，圍繞它組成，那么他們相互之間的作用力是什么呢？是萬有引力。

這樣的一個模型，就是有重力原子加上以太，通過萬有引力吸引的一個原子體系，把這些粒子又攏到一起，湊成了一種物質，這就是費希納那時候的原子模型。但是現在我們有電了，觀念也要改變。

實際上，就是韋伯這位大物理學家，他認為物質應該可以參照太陽和行星的關系。即中間是太陽原子，旁邊是幾乎沒有質量的行星原子，他們在一起湊成了物質。但是它們之間的相互作用不是萬有引力，而是電相互作用力。韋伯最偉大的地方在哪兒呢？他告訴我們，在物質構成這個問題上，是電力在起作用，不是萬有引力，是電力啊，這個觀念非常重要。

那么我們現在說的原子的太陽模型是什么時候提出來的？早在1897年的拉莫的一篇文章里，就有關于行星模型具體的說法，說每一個電子，如同天文學里行星都是個吸引點，被吸引著構成原子。原子是什么呢？原子差不多就是10的-8次方厘米大小的東西，是電子環繞的像太陽系一樣復雜存在。甚至呢，他還給出了電子大小差不多是10的-14次方厘米，你會發現老先生連數量級基本上都是對的，這就是原子的太陽行星模型的來源。

但是這地方不對，為什么呢？因為整個原子是電中性的，這里面既然有一個環繞的到處亂跑的帶負電的電子，那么這個原子里面一定應該有帶正電的東西，對吧？否則它整體上不應該是電中性的。

于是乎人們就在1897年提出了正電子的概念，也就是說原子里面既然negative electron，說明它應該有positive electron，這樣的話，它整體上才是電中性的。我在讀書的時候，有相當長一段時間，都是誤以為在狄拉克的理論出現以后，才有正電子概念的，其實不對，1897年就有了。

那么，既然有負電這個東西，構成原子還要是電中性的，那么原子該長什么樣子？

Philipp Lenard，剛才我們說把感光板買光了的那位，這位大科學家還做了一個很重要的實驗，就是用電子束去轟擊氣體。他發現電子束稍微快一點兒，根本就不受影響，能穿過去。也就是說，原子幾乎是絕大部分是空曠的，就像一個人逛街似的，街上是空曠的，你從這頭走到那頭，一點兒都不用偏轉。

所以說，既然原子里面大部分地方是空的，同時要是電中性的，又有帶負電的電子，那么原子長什么樣呢？他提出“dynamid”原子模型，每一個負電子，都連接著一個正電子。幾個正負電子對湊在一起構成原子，而它們中間大部分地方都是空的。這就是Lenard的原子模型。

1903年。J·J·湯姆孫提出了一個我們原子物理書介紹到的模型，叫李子布丁模型。為什么呢？因為他要顧及到原子整體質量的問題，對吧？他認為電子差不多就像葡萄干兒。而帶正電部分是蛋糕的主體部分。一大團帶正電的蛋糕，上面零星的嵌了一些帶負電的葡萄干，也就是電子，這就是李子布丁模型。

我不知道英國的布丁這個樣子好不好？我總覺得咱們的西瓜模型可能更好一點，是吧？瓜子是帶負電的電子，嵌在一個整質量的瓜瓤上面，對吧？我覺得西瓜模型可能更好。

1904年，J·J·湯姆孫他老人家又把這個模型改了，他認為李子布丁模型里，李子是在布丁蛋糕里面的，不合適，因為我們知道拉莫當時有個模型，電子、電荷都在最外層殼上，所以J·J·湯姆孫他改了一下，說原子是一個均勻的帶正電的球，而帶負電的電子都分布在最外層表面上。

那么它應該是怎么排列呢？排列很簡單，它們之間排斥的勢能最小的形狀就是電子的分布，于是乎，這引出了一個數學上的湯姆孫問題模型，不管是不是原子，現在假設有個導體球殼上面放上N個電荷，請問當N個電荷這個排斥勢能最小的時候怎么分布？

這就是一個純數學問題。當然，純數學問題那是純數學的解。但是在這個樓里面，我和李超榮教授把這樣一個數學問題用簡單的材料再現了它的花樣，竟然和那個數學解是一模一樣的。并且在這中間，我們做出了斐波那契斜列螺旋的花樣啊，當時，我們還受到了英國物理學會的關注，給我們做了Series Goes microscopic，說斐波那契序列，也就是說黃金分割第一次走進了微觀世界的flash，那時候只有flash，這個（發現）讓我們很榮幸。這篇文章就是當年我們在這個樓里，發表在science上的文章。

好，談論了很多原子的事情，它跑出電子，泄露了一些秘密。原子還有一個途徑泄露它的秘密，就是原子自己會發光。

發光這個事情，怎么研究呢？擺譜。什么叫擺譜呢？就是擺開了給你看。所幸世界上有玻璃這個東西，大家一定要記住玻璃對科學的重要性。當年牛頓把一塊玻璃對著窗口說，陽光變成了紅橙黃綠藍靛紫，叫光譜。1814年的時候有位德國的年輕人叫弗蘭克菲，因為他就在玻璃廠，所以說，玻璃我們有的是，我們這個棱鏡可以做的個兒更大，我們把鏡子磨得更好。于是乎對著陽光一看，陽光可不是分成什么紅橙黃綠藍靛紫，這個叫光帶，它上面還有一根一根的獨立的線。有多少呢？普朗克發現，夫瑯禾費竟然能標定出了564條黑色的譜線，于是乎，現在有了譜線的概念。

就是說，原子，如果我們讓它發光或者物質發光的話，就拿我們這個眼睛看，它就一團光，啥也看不出來。加上一塊玻璃棱鏡。就能看出它是一根兒一根兒的。這個東西泄露原子的秘密了，所以我請大家記住，我這里寫了一句話，我覺得應該有道理，就是幸虧大自然土里有金子，才有了電學，你們大家想一想，這是什么道理啊？幸虧大自然里面有玻璃，才有真正的科學。

那么為了研究這個譜學？就是說研究一個物質的譜，怎么讓那個物質發出光譜來？

一個德國的教授，本生(Robert Bunsen，1811-1899) 發明了一種燈，就是現在有些化學實驗時候用的本生燈。這個燈能就獲得穩定的火苗，然后里面加上點鹽，就能得出不同顏色的火苗，可以研究光譜了。當年也有照片，能拍出一些光譜線。

現在我們有好多純的氣體放電燈，就更容易去研究原子發光。其實啊，大家看我們研究這個過程，剛才的玻璃管，我們抽真空，出現發光（現象）。我們先把它當光源用，現在呢，又做成這個研究里面物質發光的光源。我們還注意到，里面的物質不同，光的顏色是不一樣的，加上一個玻璃棱鏡會得到不同的譜線。

譜線很有意思，不同的物質在我們可見的范圍，竟然數目不一樣。比方說鋰是20，鉀就是41，鋇163條還行，如果是鐵的話，超過5000條。大家想象一下啊，如果做出了一個可見光的光譜圖。幾十條，幾百條，怎么研究?。空堈页鏊麄冎g的關系，哪兒找去？但是，老天舍不得藏住自己的奧秘。

有一種東西，就是氫，當年在可見的范圍內竟然只有4根（譜線）。4根（譜線），能測出它4個波長數，于是乎問題變成了請找出這4個數之間的規律。

啊，這大家明白了嗎？我們小學數學的重要性在哪兒了？給你4個數，請你找出第5個數。

現在你要能理解這個公式的奧秘，你就理解了原子的奧秘。所以說我們怎么理解這個公式？

怎么理解呢？這個公式里最重要的是那個減號，減是什么意思？第二條，你要注意到，它是兩項減，不是三項減，不是四項減，是兩項減。而每一項呢，還是整數平方分之1。因此你只需要回答這三個問題，1.中間為什么是減號？2.為什么是兩項？3.每一項為什么是整數平方分之1。

啊，你回答出每一個問任何一個問題，你就是一流物理學家了。當然我們很多人學過原子物理，都知道玻爾在1913年那篇論文里面把這三個問題都回答了。

原子還有另外一個泄露自己奧秘的東西,有些原子自己冷不丁從里面會跑出一個小東西來。而這個東西速度還特別快，動能比較大，而且性質還不一樣。哎，這個事很有意思。

原子本身是靜止的，突然跑出一個東西，速度那么大，就是動能很大，它那個能量從哪兒來？

那這個問題就很難理解，那么大家就會猜測，如果你要堅信能量守恒的話，這個能量一定該有從哪個地方出。從哪個地方出呢？從質量出。于是就有質能公式，

真正的質能公式是什么？是m乘上C方對不對？那個是普朗克1906年得出來的，不是愛因斯坦得出來的，同志們。

原子核里跑出這些東西，那么一個叫盧瑟福的人呢，把原子里面發射出來的穿透能力很強的東西給命名為阿爾法射線和貝塔射線。這個命名說的跟沒說一樣，他只是告訴你有兩種，但這兩種到底具體是什么東西不知道，就是阿爾法粒子、貝塔粒子。

但是1900年呢，又發現一種新的輻射，又是盧瑟福命名的，是第三種——伽馬射線。伽馬射線是什么呢，也不知道。

這是阿爾法粒子，比方說在這個云室里面，你能看出來，就是說這右沿發射粒子的強度還是非常大的啊。所以說當年做這個原子核實驗，那時候還不知道保護，包括做X射線的人，一開始都不知道保護，很多人最后健康受到影響。

那么我們看這位盧瑟福，這位大家。這位老兄干了什么？他被譽為原子核物理之父。你看人家的科學成就，發展了放射性半衰期的概念，發現了元素Radon，命名了阿爾法粒子、貝塔粒子、伽馬粒子，證實了阿爾法粒子是氦原子核。

它是怎么證明氦原子核的呢？非常有意思。阿爾法粒子出來的時候，盧瑟福先收集它的電荷和這個電荷轟擊造成的電信號，電信號放大，可以有聲音的。那個比，結果發現呢，是大于1，也就是說可以證明呢，這種粒子帶的電荷是大于1，但不敢說是2。這個大于1，至少是2了，對不對？

但是最酷的地方，盧瑟福用阿爾法粒子去轟擊玻璃管里面的氣體，就轟擊那里面的氣體和物質。結果它轟擊以后，一開始這玻璃管里面是裝別的氣，你放電的話能得到一種這個光譜，結果他用阿爾法粒子轟擊以后，突然有一天發現這里面氣體里面多出了氦的線？因為氦氣的線很明顯的。結果呢，讓他們覺得阿爾法粒子，可能就是氦的原子核，因為氦原子核帶兩個電荷肯定大于1，這是非常有意思。

1911年提出了有核原子的模型，1913年提出應該用原子核里面的質子數，作為原子的序數體系。1917年實現了人工核反應，用阿爾法粒子轟擊氮14原子，發現了質子，當然也就命名了質子。大家看盧瑟福人家這個科學成就有多少。

但是這位老兄是哪兒人呢？他是新西蘭人，在家里也是個農民，挖土豆。當他大學畢業那天收到劍橋大學的獎學金的時候，還在地里挖土豆。據說他把手里的土豆往往一扔，說：這是我這一輩子挖的最后一個土豆了。1894年去留學，到1897年、99年的時候，就已經做出一長串的科學成就了。

盧瑟福因為成就特別多，所以說呢，這個人就嘴欠。他說什么呢？他說實際上科學只有一門，科學就是物理。別的都叫機油。你們可以想象這句話能多得罪人，所以說最后呢，盧瑟福最終得到了一個諾貝爾化學獎。

（接下篇）

統稿：* 0、4925
校對：*0、4925、朗道都說妙、紫竹小筑、二分、辣條
編輯：* 0、4925、辣條

本文經授權轉載自微信公眾號“中科院物理所”。

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