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4. 揭開原子的秘密
人類一直有兩個問題沒有搞清，一是宇宙有多大，二是微觀世界有多小。 今天我們就來探討微觀世界--原子 。
「原子」這個詞來源於古希臘，意思就是「不可分」。英國自然科學家約翰·道爾頓1803年提出了第一個原子結構模型，認為原子是一個堅硬的、不能再分的、實心的球體。然而隨著X 射線和放射性的發現，人們逐漸進入了對微觀粒子世界的研究，而原子的秘密也即將被揭開。
電子的發現
科學家在研究稀氣體放電時發現，當玻璃管內的氣體足夠稀薄時，陰極就發出一種射線，使對著陰極的玻璃管壁發出熒光。由於這種射線是從陰極發出的，因此被稱為「陰極射線」。對這種射線本質的認識有兩種觀點：一種觀點認為，它是一種電磁輻射；另一種觀點認為，它是帶電微粒。如何用實驗判斷哪一種觀點正確呢？
英國物理學家J.J湯姆孫認為陰極射線是帶電粒子流。為了證實這一點，湯姆孫設計了一個陰極射線管，在管子一端裝上陰極和陽極，在陽極上開了一條細縫，這樣一來，通電後陰極射出的陰極射線就穿過陽極的細縫成為細細的一束，一直射到玻璃管的另一端。這一端的管壁上塗有熒光物質，根據射線產生的熒光的位置，可以研究射線的徑跡。然後湯姆孫又在陰極射線管上加上電場和磁場，通過研究陰極射線在電場和磁場中的偏轉情況斷定，它的本質是帶負電的粒子流，並求出了這種粒子的比荷。他進一步發現，用不同材料的陰極做實驗，所得比荷的數值都是相同的。這說明不同物質都能發射這種帶電粒子，它是構成各種物質的共有成分。人們把組成陰極射線的粒子稱為電子。後來人們精確測出了電子的電荷量與質量，發現電子的質量是質子質量的約1/2000。
湯姆孫的實驗裝置實際上就是電視顯像管的前身。盡管電視顯像管十分復雜，但基本原理卻是一樣的。
通常情況下，物質是不帶電的，因此，原子應該是電中性的。既然電子是帶負電的，質量又很小，那麼，原子中一定還有帶正電的部分，它具有大部分的原子質量。這些物質在原子中又是如何分布的呢？
湯姆孫本人提出了一種模型。他認為，原子是一個球體，正電荷彌漫性地均勻分布在整個球體內，電子鑲嵌其中。這種模型被人形象地稱為「西瓜模型」或「棗糕模型」。這個模型能夠解釋一些實驗現象。但德國物理學家勒納德做了一個實驗，使電子束射到金屬膜上，發現較高速度的電子很容易穿透原子。這說明原子不是一個實心球體，這個模型可能不正確。之後不久，α粒子散射實驗完全否定了這個模型。
α粒子散射實驗與核式結構模型
α粒子是從放射性物質（如鈾和鐳）中發射出來的快速運動的粒子，質量為氫原子質量的4倍、電子質量的7300倍。
（α粒子散射實驗模擬）
1909年，英國物理學家盧瑟福指導他的助手蓋革和馬斯頓進行了著名的「α粒子散射實驗」。他們用α粒子去轟擊很薄的金箔做的靶子，並通過熒光屏記數來觀測穿過金箔的α粒子被金原子散射的情況。實驗表明，絕大多數α粒子筆直地穿過金箔，有少數α粒子發生了偏折，只有極少數α粒子發生了大角度的偏折，甚至被反彈回來。如果根據湯姆孫的模型來計算，根本不可能出現向後反彈的α粒子。於是盧瑟福提出了自己的原子結構模型：原子中帶正電部分的體積很小，但幾乎佔有全部質量，被稱為原子核；電子在原子核的外面運動。這一模型很好地解釋了α粒子散射實驗，被稱為核式結構模型。
（核式結構模型）
盧瑟福根據「α粒子散射實驗」發現了原子核，這件事具有重大科學意義。他因為開創了原子核物理學這一新領域，被人們尊稱為原子核物理學之父。
盧瑟福還利用α粒子轟擊氮原子核，從中發現了質子，並預言了中子的存在。1932年，盧瑟福的學生查德威克利用α粒子轟擊鈹後產生的射線轟擊石蠟，計算出這種射線是一種質量跟質子差不多的中性粒子，也就是中子，成為第一個實驗驗證中子的人。從此，人們對原子的認知逐步完善。
波爾的原子模型
α粒子散射實驗讓我們知道原子具有核式結構，但電子在原子核的周圍怎樣運動？這些需要根據其他事實才能認識。
在研究氣體發光時的光譜時，科學家們發現氣體中中性原子的發光光譜都是線狀譜，說明原子只發出幾種特定頻率的光。但是根據經典電磁理論，用盧瑟福的原子模型去分析，卻會得出大量原子發光的光譜中應該包含一切頻率的連續光譜，與事實不符，說明盧瑟福的核式結構模型有待改進。
丹麥物理學家玻爾在普朗克關於黑體輻射的量子論和愛因斯坦關於光子的概念啟發下，把微觀世界中物理量取分立值的觀念應用到原子中，在盧瑟福模型的基礎上，他提出了電子在核外的量子化軌道，解決了原子結構的穩定性問題和氫原子光譜的實驗規律。
電子雲模型
隨著量子力學的發展和完善，現在，人們逐漸認識到原子中電子的坐標並沒有確定的值，只能說某時刻電子在某點附近單位體積內出現的概率是多少。當原子處於不同的狀態時，電子在各處出現的概率是不一樣的。如果用疏密不同的點子表示電子在各個位置出現的概率，畫出圖來就像雲霧一樣，人們形象地把它叫作「電子雲」。這就是德國物理學家海森堡提出的著名的「不確定性原理」：對於具有波粒二象性的微觀粒子，在一個確定時刻其空間坐標與動量不能同時測准。
隨著質子和中子的發現，許多人認為光子、電子、質子和中子是組成物質的不可再分的最基本的粒子。然而，隨著科學的進一步發展，科學家們逐漸發現了數以百計的不同種類的新粒子。同時，許多實驗事實表明，質子和中子也是有內部結構的，並提出了誇克模型。目前為止，科學家們已經從實驗中發現了所有6種誇克及其反誇克存在的證據。微觀世界如同浩渺的宇宙，還在等待著我們繼續不斷地去 探索 。
5. 約瑟夫·湯姆生如何發現電子
湯姆生（１８５６～１９４０）湯姆生，英國物理學家，出生於英格蘭曼徹斯特。
１８８０年他畢業於劍橋大學三一學院。１９１８年他任三一學院的院長，後辭去卡文迪許實驗室教授職務，任名譽教授，繼續在卡文迪許實驗室工作，並指導青年研究生。
湯姆生在氣體放電方面進行過不少研究。１８９７年，通過對陰極射線的研究，他測定了電子的荷質比（電荷ｅ／質量ｍ），從實驗中發現了電子的存在，這是湯姆生在科學上的最大貢獻。後來他又發現電子的許多性質，指出電子既像氣體中的導電體，又像原子中的組分。１９１２年，他通過對某些元素的極隧射線研究，指出存在同位素。湯姆生由於在物理學方面有重大貢獻，於１９０６年獲諾貝爾物理學獎。人類對基本粒子的認識可以追溯到２４００多年前。從古希臘的「原子論」到近代道爾頓的「新原子論」，都認為原子是構成物質的最小單位，是永恆不變而且不可分割的。千百年來，人們對此深信不疑。
然而，１８７９年，英國物理學家約瑟夫·湯姆生卻發現了比原子更小的單位——電子。這一石破天驚的發現，打開了人類通往原子科學的大門，標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的階段。
在湯姆生發現電子之前，物理學家們在研究真空放電現象時發現了陰極射線。當時，對於陰極射線的本質是「光波」還是「微粒」，科學界展開了激烈的爭論。２０多年之後，湯姆生以其傑出的實驗令人信服地表明陰極射線是帶負電的微粒。因為它在真空管中產生了偏移，被負極板排斥，為正極板所吸引。
１８７９年，湯姆生在皇家學會講演中，介紹了他的實驗背景。
首先，湯姆生認為「在氣體中的電荷載體一定比普通的原子或分子要小」，因為它們比起原子或分子來更容易且更多地穿過氣體。
其次，湯姆生認為「放電管中不管用什麼氣體，而電荷載體卻都是一樣的」。這一點也為事實所證明，不論真空管里是什麼氣體，射線在標准磁場作用下產生的偏移是一樣的。
根據這些假說，湯姆生大膽推測，陰極射線中的電荷載體是一種普通的物質成分，它比元素原子還要小。
同年，湯姆生創造性地設計了一個傑出的實驗。這項實驗包括一個陰極作為射線源，兩個金屬栓帶縫隙，以便產生良好的射線來。然後，通過保險絲連接玻璃管和兩個金屬板以及電池，使兩板之間形成電場，並在玻璃管的圓球形一端產生陰極射線沖擊的閃光。
實驗的核心是測出了陰極射線的電荷與質量的比值（後來被稱為電子的「荷質比」）。他所得到的數值比法拉第所測的最輕原子的荷質比大２０００倍。這就一舉結束了長達２０多年的對陰極射線本質的爭論，並合理地做出假說：存在著比元素原子還要小的一種物質狀態。
湯姆生將這種帶負電的陰極射線粒子稱為「原始原子」，它的質量僅為氫離子質量的千分之一。
後來的物理學成果證明，湯姆生關於「比原子小」的「原始原子」的假說是對的。另一位著名的物理學家盧瑟福對此做了更科學具體的闡述，他用「核化原子」來解釋，正電荷集中在原子的中心，形成沉重的原子核，而電子則環繞著它沿軌道旋轉。最後，根據斯托尼的建議，將湯姆生發現的「物質的原始電子」普遍稱做「電子」。
電子的發現，打開了現代物理學研究領域的大門，標志著人類對物質結構的認識進入了一個新的階段。這不僅是物理學發展史上的一項劃時代的重大發現，而且還具有極其深遠的哲學意義。
電子的發現，使湯姆生獲得了１９０６年度諾貝爾物理學獎。
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