量子史话（六）人类如何发现原子存在？又是怎样知道原子结构的？

　　前几期的视频我多次说到，人类确定原子的存在是一件非常艰难的事情，虽然从古希腊开始，人们就说过，物质是由原子构成的，这些原子就是没有结构的实心小球，不可分割；
　　但2000多年来，原子只是哲学上的思辨，并没有充分的论证，所以对科学来说没有多大的意义。
　　到了19世纪，关于原子是否存在分成了两派，一派是毫无理由的相信原子的存在，另一派就是毫无理由的不相信原子的存在。
　　这两派之间的争论俗称抬杠，目的就是看谁先被气死。很显然19世纪的麦克斯韦、玻尔兹曼相信原子存在，他俩通过假设原子的存在，利用统计学去研究分子的热运动，解释了气体的宏观性质，宏观性质都有啥？比如我们人为能感受到的温度和压力。
　　而反对原子论的人就有赫赫有名的大科学家马赫以及奥斯瓦尔德，这两人的资历和威望非常高。
　　由于麦克斯韦主要的研究领域不在热力学，而且他去世得也早，因此玻尔兹曼就成为了主要的攻击对象，在长时间的与人争论中，玻尔兹曼越来越觉得自己被孤立了起来，甚至觉得别人都看不起他，长时间的这种心态就导致了他的精神出现了严重问题，加上病痛的折磨，于1906年结束了自己的生命。
　　按理说，原子是否存在，以及原子的化学性质这些问题都是化学家的事情，但是此时的化学家只能通过元素之间的化学反应，归纳出一些表象规律，对研究原子来说并无多大的实际意义。
　　所以还得物理学家出手解决这些问题。对原子是否存在的研究并不是简单地通过某一项实验直接确定的，而是一个循序渐进的过程。
　　这还得从1858年说起，这一年德国物理学家尤利乌斯普吕克在研究低压真空管放电实验的时候发现，低压真空管阳极一端的玻璃壁上出现了绿色的辉光。
　　低压放电管的结构很简单，里面有稀薄的气体，一端是阴极、一端是阳极，各自连接一个金属电极，在两端加几千伏的电压后，就能在阳极玻璃管上看到微弱的绿光。
　　为了进一步研究绿光的来源，英国人克鲁克斯改进了真空放电管，改进后的管子叫克鲁克斯管。也就是图中的样子。
　　在管子的末端涂上荧光粉，然后在前面放一个金属薄片，通电以后，可以看到金属片的阴影投在了末端玻璃管上。
　　这说明，有一种看不见的东西从阴极发射了出来，可以肯定它的穿透力不是很强，打在末端的荧光粉上，使得荧光粉发出了明亮的绿色辉光。
　　这种看不见的东西是啥？当时谁也不知道，不过给它起了一个名字叫：阴极射线。这种神奇的现象立即引起了人们的兴趣，各大实验室的物理学家都开始把玩阴极射线管。
　　你能想到，就这一个小小管子，让人类顺着线索发现了放射性，发现了元素的衰变；也让人类发现了原子的组成部分。
　　关于阴极射线到底是啥？一开始英国人和德国人就吵了起来，英国人说这是一种带电粒子，德国人说这是类似于紫外线的电磁波，当时他们把电磁波叫以太波。
　　英国说这话的人是瓦尔利，因为他发现阴极射线在磁场中会偏转，德国说以太波的人是赫兹，他发现这玩意在电场中不发生偏转。
　　德国除了赫兹，维尔茨堡大学的伦琴也在实验室摆弄阴极射线管，在研究阴极射线的时候，通常要关灯、拉窗帘，在暗室中实验效果更好一些，有天他无意中把一个荧光屏放在了阴极射线管的旁边，这时他发现除了玻璃管的末端，在距离射线管比较远的荧光屏上也看到了绿色闪光。
　　他为了确认，是不是有阴极射线跑出来了，就用黑纸包裹玻璃管，用纸片，木板遮挡，都无法消除闪光，只有换了稍微厚一点的金属板的时候，才消除了荧光屏上的闪光。
　　伦琴确认，这并不是阴极射线，因为这种看不到的新射线穿透能力非常强，他用代表未知的字母X，将其命名为X射线。
　　关于X射线是如何在阴极射线管中出现，这个问题我会在后面的视频中提到。我们接着往下说；
　　1895年12月28号伦琴以一篇题为《关于一种新射线》的文章发表了他的发现。
　　X射线瞬间点燃了科学界的热情，也在全世界引起了巨大的轰动，各大报纸头版头条疯狂报道，如此轰动的原因是，伦琴照出了人类历史上第一张人体X射线的照片，在所有的人看来，这个发现跟魔法一样神奇。
　　消息很快传到法国，法国人贝克勒尔知道伦琴的发现以后，比任何人都兴奋，因为他家祖上就是研究荧光物质的，比如有些铀矿石在黑暗环境下就能发出幽幽绿光，不过非常暗基本上看不到，但是把铀矿石放在太阳底下暴晒一下，荧光就会变得非常强烈。
　　贝克勒尔就想，铀矿石在太阳下一晒，是不是也能发出X射线，结果发现只要是含铀的荧光物质，不需要暴晒就能释放出看不见的辐射，将照相底片曝光。
　　这是人类首次发现的元素放射性现象，不过放射性这个词是后来居里夫人发明的。在贝克勒尔之后，居里夫人成为了法国乃至当时全世界放射性研究的先驱。
　　1896年，在英国卡文迪许实验室，给汤姆逊当助手的卢瑟福，正在按照导师的要求研究X射线，对气体产生的效应时，听说了贝克勒尔的铀射线。
　　他决定从穿透能力的角度研究下铀射线，卢瑟福发现铀释放出来的射线有两种，一种穿透力很弱，一张纸就能把它挡住，命名为射线。
　　一种穿透能力稍微强一些，需要一张薄铝板才能挡住，跟阴极射线的穿透能力差不多，命名为射线，后来证实阴极射线和射线其实是同一种东西。
　　随后德国物理学家发现钍及其化合物也能发出辐射，卢瑟福发现钍的辐射中有一种射线穿透力明显强过于前两种射线，按照字母顺序就叫它射线吧。
　　1901年卢瑟福先是发现了放射性的半衰期，也就是元素放射性强度下降一半所需要的时间。随后又同英国化学家索迪发现了，元素的嬗变现象，也就是元素在经历了放射性辐射以后，就转变成了另外一种元素。
　　这一发现一下圆了化学家点石成金的梦想，牛顿要是知道这事，估计能激动地哭出来，这是他最爱的事业。
　　至此元素的放射性，以及元素的嬗变，就成为了原子存在的证据之一。
　　大家别忘了，阴极射线的事情还没有解决呢。当年问题卡在了有人发现它在磁场中会偏转，又有人发现它在电场中不偏转，这不是互相矛盾吗。
　　卡文迪许实验室的掌门人汤姆逊在1897年的时候，决定重新研究阴极射线，他发现赫兹之所以在电场下不能偏转阴极射线，是因为真空管中有残留的气体干扰，将气体抽干净以后，阴极射线可以在电场下偏转，从而也证明了这是一种带负电的粒子。
　　接着汤姆逊给阴极射线在同一方向上同时施加电场和磁场，通过调节两者的强度，使得阴极射线正好沿着直线打在探测屏上，并且算出了粒子的荷质比。
　　不管阴极换哪种金属材料，粒子的荷质比都不会发生变化，汤姆逊猜测这种粒子是所有元素所共有的一部分，取名为电子。
　　元素既然有带负电的电子，那么它肯定有带正点的粒子，因为物质是电中性的，所以电子的发现也成为了原子存在的证据，也表明了原子可再分。这个问题可是争论了几千年的话题，不知道气死了多少人。
　　1903年卢瑟福还根据自己对原子结构的研究，提出了一个广为人知的原子模型。这个问题在下个视频中我们会提到。
　　最后一个为原子存在盖棺定论的发现是，1905年爱因斯坦发表的一篇，关于解释布朗运动现象的论文，以纯理论的方式证实了原子存在的真实性。
　　布朗运动发现的比较早，大约在1827年，说的是，植物学家布朗观察到落入水中的花粉在做随机的不规则运动。
　　80年间没有一人想清楚这是咋回事，唯独爱因斯坦通过分子热运动理论解释了花粉的不规则运动。
　　要不我经常说，爱因斯坦的数学影响不了他的伟大，因为他的物理直觉无人能及。
　　总结一下，原子存在的证据有：放射性的发现，元素的嬗变；电子的发现；以及对布朗运动的解释。
　　到1905年之后，基本上已经没人怀疑原子存在的真实性，那么接下来的工作就是既然原子存在，而且还可再分，那么原子的结构是怎样的？
　　这是下个视频，我们要说的内容。