20世紀的科學怪傑鮑林

第8部分 (第2/4頁)

最基本的單位，至微至小的物質。（原子這一名稱本身的原意即為“不可分”。）約翰·道爾頓在1808年以“化學哲學的新制度”一文將19世紀的化學牢固地建立在原子理論的基石之上。在文中，他令人信服地辯稱，不可分的原子以整數倍的關係與別的原子結合成化合物：一個碳原子與兩個氧原子構成二氧化碳；一個碳原子與一個氧原子構成一氧化碳；一個氧原子與一個氫原子構成水（這裡他犯了一個小小的錯誤）。到19世紀80年代和90年代，道爾頓的理論開始出現了問題，無法解釋新發現的一些奇怪現象，比如互射線和放射性等。1897年，原子不可分的理論被湯姆遜①底推翻。這位英國物理學家，著名的劍橋大學卡文迪什實驗室主任，發現了比最小的原子還要小一千倍的粒子，從而震驚了整個科學界。湯姆遜稱這種粒子為“微粒”。不久之後，這種微粒被發現是電的基本單位，從而被命名為“電子”。

①湯姆遜（Sir　Joseph　John　Thomson，1856—1940），英國物理學家，發現電於及同位素，因氣體導體研究獲1906年諾貝爾物理學獎。

這是人們第一次窺視到亞原子的世界。這一發現把人們對科學的觀念一下子顛倒了過來。湯姆遜對電子的發現造成了科學認識的危機，迫使物理學和化學理論作出重大的修改——在世紀之交，這一事件的影響也許比任何別的事件的影響都要大得多。

電子看上去是原子的自然組成部分。既然原子是由更小的粒子組成的，那麼原子到底是什麼呢？湯姆遜發現，電子帶負電。但是在正常情況下，原子並不帶任何電荷；因此一定存在一些帶正電的物質來中和電子的負電。湯姆遜認為電子也許穩定在一個正電場中，就像布了蛋糕裡的葡萄乾。不久之後，他從前的一位學生，紐西蘭人盧瑟福①翻了他的理論。盧瑟福是動手做實驗的天才，他在1911年宣佈，他發現原子具有完全不同的結構：他設計了一種精密的實驗，顯示出在原子中央是一個很小、密度很大且帶正電的原子核。原子的其餘部分除了電子以外空空蕩蕩。如果把原子放大到足球場大小，盧瑟福的原子核就會像放在五十碼線上的一顆米粒，而小得幾乎看不見的電子則圍繞外層看臺在轉圈。

①盧瑟福（Emest　Rutherford，1871—1937），英國物理學家，生於紐西蘭，因對元素衰變的研究獲1908年諾貝爾化學獎，透過阿爾法粒子散射試驗發現原子核，並據此提出核型原子模型。

這一發現與湯姆遜發現電子同樣地令人吃驚。原子不是實心的球，而是一張精巧的絲網。實心的物質實際上幾乎是一片空白。盧瑟福的發現引發了另一輪理論探討。如果原子核真的那麼小且帶正電，而電子真的高原子核那麼遠且帶負電，那麼是什麼力量使兩者結合在一起呢？異性相吸，為什麼電子不會一頭栽進原子核中去呢？

物理學家對運動的物體和力的研究是相當深入的；牛頓理論以及後來科學家的研究使他們能夠僅僅憑几個地球上的試驗就能預測天體的運動。同樣，這一套久經考驗的自然規律——後來被稱之為古典物理學——也可以用來解釋原子的運動。盧瑟福自己就提出，原子結構有可能像一個小型的太陽系，電子繞原子核運動就如同行星繞太陽運動。電子執行的速度可能抵消了原子核的吸引力。同大多數物理學家一樣，他認為電子是高速運動的；盧瑟福的原子模型是一個動態模型。但他的理論不能成立。一個致命的缺陷是，在傳統理論下，任何運動的物體都會失去能量。就拿電子來說，這意味著盧瑟福的原子會像一塊上了發條的表，發條鬆了之後，電子就會盤旋著掉進原子中去。

如果原子不像太陽系，那像什麼呢？在20世紀初的幾十年內，這個問題的答案像聖盃①一樣吸引了幾代孜孜以求的物理學家。

①聖盃，傳說是耶穌在最後的晚餐所用的餐具之一。

在尋找聖盃的旅途中物理學家並不是獨行者。在引起鮑林關注的那篇論文中朗繆爾寫道：“原子結構這一問題主要是由物理學家來研究的，而他們很少考慮那些最終必須由原子結構理論來解釋的化學特性。有關物質的化學性質和關係，我們已經積累了大量的知識，歸納出了元素週期表。相對於用純粹物理方法進行試驗得到的資料而言，豐富得多的化學資料是建立原子模型的更好基礎。”

這兒涉及到一些化學與物理學科之間的競爭。前者是19世紀科學之王，而後者將是20世紀科技的霸主。路易斯和朗繆爾都熟悉並欣賞物理學——兩人都