书城科普小学生最想知道的100个为什么:科学的秘密
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第16章 科学家们是怎样研究出原子的?

实验说明这三等份是一种物质中同样的、相等重量的原子与其他物质中不同重量原子的结合。(拿水来说,它是由一个氧原子与两个氢原子结合起来的。)这种原子模型有助于解释道尔顿在化学实验中所看到的现象。

关于原子的存在,还有更多的证据。当你通过显微镜观察水中的小颗粒,比如花粉微粒时,你会发现它们在抖动。为什么呢?科学家推理说,也许它们正在受到移动的原子的冲击,或者原子被聚合到分子中。(这里的分子是指水分子。)

相信原子存在的科学家们认为,原子是一些带电荷的粒子,呈现很小的球形。正电荷和负电荷粒子很完美的结合在一起,使整个原子成为不带电的中性。但是新西兰科学家欧内斯特·卢瑟福,在1907年通过一些实验证明,这种设想并不是完全正确的。

卢瑟福把带正电荷的粒子快速射到金箔上。他设想这些粒子应该全部穿过金箔。结果只有一部分穿过金箔,而其他的却反弹了回来,就好像被金箔中的什么东西用力击退了一样。卢瑟福大吃一惊,他说这好比你对着一张纸发射出一发炮弹,结果被反弹回来打到自己身上!

卢瑟福的这个实验让原子的存在得到了进一步的证实,也揭示了原子应有的形态。这说明正电荷和负电荷并没有混合成一个同质的球体。另外,除非它们遇到完全不带电的球体,带正电荷的粒子是不会被击退回来的。

反而,在原子的中央有一团颗粒,是由带正电荷的质子和不带电的中子组成的。相隔较大的距离,带负电荷的电子围绕着这个原子核运转。由于正负电荷相互抵消,整个原子就成了中性的,它不含有电荷。

但是原子核本身是一团正电荷。卢瑟福实验中的一部分正电荷粒子在射入时,距离金箔带正电荷的中心相当近。因为正电荷相互排斥,靠近原子中心的粒子就反弹回卢瑟福的身上。这对他发现原子的结构提供了重要的线索。

现在,科学家们认为质子和中子是由一些更小的粒子组成的,叫做“夸克”。

夸克是用来说明原子运动方式的一种更加崭新的模型。就如同科学家当初试图寻找原子存在的证据一样,当代的科学家们正在努力去证明夸克的存在。

观察原子与让原子运动

虽然科学家们早就知道了原子的存在,但是在很长一段时间里,却因为无法真正看到它们而感到沮丧。而现在的科学家可以通过一种叫做“扫描隧道显微镜”(STM)的特殊仪器,从电脑屏幕上观察实际存在的原子的图像,也能让真正的原子在物质表面上运动。

使用一般的显微镜是看不到原子的,因为它们非常微小——只有一英寸的4到16十亿分之一。你手上的一根细细的汗毛,都比原子要粗上百万倍。我们用可见光也无法将原子照亮,因为一般的光的波长是它本身原子的2000~2500倍。

但是使用STM的话,我们就可以看到原子了。它是一种电脑化工具,有着一个能在物质表面上细微移动的针尖。随着针尖的运动,电子在针尖与物质表面之间的针口处跳动,产生了一股微小的电流。随着针尖与物质表面之间的距离发生变化,电流也开始改变。在原子能级中,看上去非常光滑的表面其实是崎岖不平的。针尖要经过那些在表面像山峰一样凸起的原子,计算机通过生成原子的影像,来绘制物质表面的图像。这样,我们就能“看到”原子了。

科学家们同样可以使用STM来操纵原子。首先,他们把原子冷冻到大约零下453华氏度,这几乎接近了科学家们所说的“绝对零度”,这时原子几乎不再运动了。就像你用一块磁铁去移动一个别针一样,不用碰到它,科学家用STM的针尖轻轻推动原子,把它们排列成字母的形状。这些字母就像一种盲文,只有STM才能读得懂。

气体分子,它很有可能是氮气分子。空气中氧气的含量达到77%,氧气则占21%多一点,其余的部分是由其他气体和一些水蒸汽组成的。

上面说的其他气体包括二氧化碳(用来制造汽水)、氖气(用于电力照明)、氦气(用于热气球)、甲烷、氪、一氧化二氮(又称“笑气”,经常被牙医使用)、氢气、臭氧和氙气。

这些常见或罕见的气体分子,适度而均匀地混合在空气中。(虽然大多数臭氧都集中在15英里以上的薄层之中。)它们以每小时700英里~3000英里的速度从你我们周围呼啸而过,但由于体积过小,人类的肉眼是无法看到的。也许就在你阅读这一句话的时候,一个氪气分子正从你的鼻子上快速穿过呢。

分子是一串串的原子,就像葡萄一样。挤在一起的原子越多,分子的体积也就越大。(一个水分子中含有两个氢原子和一个氧原子。但是一些大的分子,比如人体细胞中的DNA,是由数千万个原子组成的。)