物理世界奇遇记11

快乐电子部落

几天后的一个晚上，晚饭后，汤普金斯先生想起他曾答应那天晚上听教授关于原子结构的讲座。然而，他显然厌倦了岳父没完没了的演讲，所以他决定忘掉演讲，在家里度过一个舒适的夜晚。然而，当他拿起一本书坐下后，马德就阻止了他逃学。她看了看钟，然后温柔而坚定地提醒他，该走了。因此，半个小时后，他和一大群渴望增长知识的年轻学生坐在大学报告厅的硬板凳上。

“女士们，先生们，”教授从他的老花镜上方严肃地看着观众，开始了他的演讲，“在我的最后一次演讲中，我答应与你们更详细地讨论原子的内部结构，并解释这种结构的特征对原子的物理和化学性质有什么影响。当然，你知道原子不再被认为是物质最基本和不可分割的组成部分，这种角色目前由更小的粒子如电子扮演。

“物质的基本组成粒子被认为是物体可分性的最后一个层次的观点可以追溯到公元前4世纪的古希腊哲学家德谟克利特。当思考事物的隐藏本质时，德谟克利特遇到了物质结构的问题。他不得不问:物质能被分成无限小的成分吗？因为在那个时代，除了纯粹的思维，人们通常不使用其他方法来解决任何问题，而且这个问题在那个时候不能用实验方法来解决，德谟克利特不得不在他自己的思想深处寻找正确的答案。根据一些令人费解的哲学考虑，他最终得出结论，物质可以不受限制地分成越来越小的组成部分是“不可思议的”。因此，必须假设有一个“不可分割的最小粒子”。他给这种粒子命名为“原子”，你可能已经知道，这个词在希腊语中的原意是“不可分的东西”。

“我不想贬低德谟克利特对自然科学进步的巨大贡献，但我们应该记住，在那个时候，除了德谟克利特和他的追随者，毫无疑问还有另一个古希腊哲学学派，其追随者坚持物质的分解过程可以不受限制地进行。这样，无论未来精密科学会给出什么样的答案，古希腊哲学都将在物理学史上牢牢占据令人尊敬的地位。在德谟克利特的时代和许多世纪以后，这个不可分割的物质成分的存在的概念总是一个纯粹的哲学假设。直到19世纪，科学家们才得出结论，他们终于找到了2000多年前古希腊哲学家预言的不可分割的物质基础。

“事实上，英国化学家道尔顿在1808年指出，化合物的每种成分的比例……”

几乎从演讲一开始，汤普金斯就有一种不可抗拒的欲望，想闭上眼睛，在演讲过程中睡觉。只是木制长椅的学术刚性阻止了他这样做。现在道尔顿关于多比例定律的想法已经让他忍无可忍，所以安静的大厅里很快就充满了从汤普金斯先生坐着的角落里传来的轻快的鼾声。

当汤普金斯先生进入梦乡时，硬板凳的不适似乎变成了漂浮在空中的轻松愉悦。当他睁开眼睛时，他惊讶地发现自己正以他认为相当鲁莽的速度在太空飞行。他从周围的环境中看到，在这场荒谬的飞行中，他并不孤独。他旁边是一些模糊的身影，围绕着人群中一个看似沉重的巨大物体旋转。这些奇怪的人成双成对穿过空间，沿着圆形或椭圆形的轨道快乐地追逐着对方。在旅途中，每对中的一个成员向一个方向旋转，而他的同伴向相反的方向旋转。对汤普金斯先生来说，他们似乎在跳维也纳华尔兹。汤普金斯先生突然感到非常孤独，因为他是整个团队中唯一没有旅伴的人。

“为什么我不带马德一起去？”汤普金斯先生闷闷不乐地想，“这样我们就可以和这些快乐的人们一起度过一段美好的时光。”他的运动轨迹在所有其他人之外，尽管他渴望加入这个团体，但似乎有一种奇怪的力量阻止他这样做。然而，当这些电子中的一个——现在汤普金斯先生意识到他奇迹般地加入了一个原子电子集团——沿着它漫长而平坦的轨道从他身边经过时，他决定告诉它他的处境的痛苦。

“为什么我不能找个人一起玩？”他在一旁大声喊道。

"因为这是一个孤独的原子，而你是一个价电子的孩子！"电子也喊道，因为他已经回到了跳舞的人群。

价电子必须独自生活，或者必须跳到另一个原子中去寻找配偶。另一个从他身边经过的电子用高音尖叫着。

如果你想要一个漂亮的搭档，

你必须跳进氯原子才能找到它。

另一个电子人嘲弄地唱了两首小调。

"我明白了，你是新来的，我的孩子，你很孤独！"一个亲切的声音在他头上说。汤普金斯先生抬起眼睛，看见一个穿着棕色束腰外衣的男人。一个健壮的牧师。

“我是保利神父，”神父继续说道，他也和汤普金斯先生一起沿着轨道前进。“我的使命是密切关注原子和其他地方的电子的道德和社会生活。我的责任是让这些好玩的电子正常分布在由我们伟大的设计师玻尔建造的美丽原子结构的量子房间里。为了维持秩序，我从不允许两个以上的电子在同一轨道上。你知道，中东人(法国人，三口之家)总是有很多麻烦。因此，电子结合的方式总是两个“自旋”相反的电子形成一对。如果一个房间已经有了一对电子，就不允许任何人闯入。这是一个很好的规则，我可以补充说，从来没有电子违反过我的戒律。”

“这可能确实是个好规则，”汤普金斯反对道，“但这会让我觉得太不方便了。”

“我明白这一点，”牧师笑了笑，“不过，这只是你自己的不幸，只是当一个孤独的原子价电子。你所连接的钠原子现在有权通过其原子核的电荷来容纳11个电子(也就是说，你在正确的地方看到的黑色物质)。然而，这对你来说是非常不幸的，因为11是一个奇数。但是当你考虑到所有数字的一半是奇数，只有另一半是偶数时，你必须承认这不是一个非常不寻常的情况。因此，由于你是后来者，你必须独自生活，至少目前是这样。”

"你是说我将来可以再得到一次机会吗？"汤普金斯先生急切地问道，“例如，你能赶走一个老居民吗？”

“这正是你不应该做的，”牧师伸出一根手指向他摇晃着说，“但是，当然，总会有机会让一些核心圈的成员由于外界的干扰而被驱逐出去，从而腾出位置。然而，如果我处在你的位置上，我不会期望这种事情发生。”

“他们说如果我转向氯原子会更好，”汤普金斯先生说，他对保利神父的话有些气馁。“你能告诉我该怎么做吗？”

“年轻人，年轻人！”牧师哀叹道，“你为什么坚持要找一个伴侣？为什么你不能欣赏孤独的生活和上天给你的让你的灵魂平静的机会？为什么连电子也总是羡慕世俗生活？然而，如果你确实想找一个伴侣，我可以帮你实现你的愿望。如果你朝我指出的方向看，你会看到一个氯原子向我们走来。虽然它离我们还很远，但你也可以看到它有一个空着的座位。你在那里肯定会很受欢迎。空位在外面的电子群中，即所谓的“M壳层”。这个壳层应该由8个电子组成，它们组合成4对。然而，如你所见，现在有4个电子朝一个方向旋转，而只有3个电子朝另一个方向旋转，一个位置是空的。内部的两个壳层，即所谓的“K壳层”和“L壳层”，已经完全充满了电子。因此，那个原子一定很高兴你去找它并填满它的外壳。当两个原子靠得很近时，你会尽快跳过它们，就像价电子通常做的那样。这样，你可能会得到安宁，我的孩子！”说完这些话，电子牧师的难忘身影突然消失在稀薄的空气中。

到原子的轨道。令他惊讶的是，他只是轻轻一跳，跳得很轻。结果，他发现自己被氯原子的M壳层成员的爱所包围。

"我很高兴你能来加入我们！"新搭档的旋转方向与他相反，他大叫着，优雅地沿着跑道滑行。“你可以做我的搭档，让我们玩得开心。”

汤普金斯先生也同意这确实很开心，而且非常非常开心。然而，一种轻微的担忧闯入了他的脑海。"当我再次见到马德时，我该如何向她解释这一切？"他很内疚地想，但时间不长。“她当然不会在乎，”他总结道。“归根结底，它们只是电子产品！”

“为什么你留下的原子还没有消失？”他的搭档有点不高兴地问道，“它还想让你回去吗？”

事实上，失去价电子的钠原子确实与氯原子紧密相连，看来我希望汤普金斯先生改变主意，跳回它废弃的轨道。

“你想要它！”汤普金斯先生对如此冷淡地接待他的原子皱起了眉头。他很生气，说:“你是一个想让马跑而不吃草的人！”

“啊，它们总是这样，”一个更有经验的M壳层成员说，“我明白钠原子的电子群不像钠核本身那样希望你回来。在*原子核和它的电子防护之间总是有分歧:原子核希望它的电荷能容纳几个电子，并有几个电子，而电子本身却宁愿有足够的电荷来填充壳层。只有少数几种原子，即德国化学家提到的所谓稀有气体或惰性气体，在它们的主核和从属于它的电子之间有相同的愿望。氦、氖和氖等原子是完全自给自足的。他们既不开除自己的成员，也不接受新成员。它们在化学上是惰性的，总是与所有其他原子保持一定的距离。然而，所有其他原子中的电子群总是准备改变成员的数量。在钠原子中，也就是说，在你以前的家里，原子核可以通过它的电荷多容纳一个电子，这比它使壳层和谐所需要的多。然而，在我们的原子中，正常电子队的数量不足以使壳层完全和谐。因此，我们欢迎你的到来，尽管你的出现会让我们的核心超负荷运转。只要你留在这里，我们的原子不再是中性的，它有额外的电荷。这样，由于静电吸引，你留下的钠原子会停在我们旁边。有一次，我听到我们伟大的牧师保利神父说，这一组接受了外来电子或失去了电子的原子被称为“负离子”或“正离子”。他还经常用“分子”这个词来指由两个或更多的原子通过电子结合在一起的一组。不管怎样，他似乎把钠和氯原子的这种特殊组合称为“盐”分子。”

“你是想告诉我你不知道盐是什么吗？”汤普金斯先生说他已经忘了他在和谁说话。“这就是你早餐时洒在炒鸡蛋上的东西。”

"那么，什么是早餐和炒鸡蛋？"有趣的电子问道。

起初，汤普金斯有点慌乱，但后来他意识到，试图向他的伴侣解释哪怕是人类生活中最简单的小事也是没有用的。“我无法从他们关于价电子和全壳层的讨论中得到更多的东西，这就是原因。”他对自己说，他已经决定好好享受参观这个陌生世界的乐趣，而不是担心无法理解它。然而，摆脱健谈的电子产品并不容易。他显然非常渴望倾吐他在长期电子生活中积累的所有知识。"

“你不会认为，”他继续说道，“原子结合成分子总是只与一个价电子有关。一些原子，如氧，需要再添加两个电子来填充它们的壳层，而其他原子甚至需要添加三个或更多的电子。另一方面，在一些原子中，原子核有两个或更多额外的电子——或价电子。当这两种原子相互接触时，大量的电子从一个原子跳到另一个原子，并结合两个原子。结果，形成了非常复杂的分子，通常包含数千个原子。还有一种所谓的“非极性分子”，即由两个相同的原子组成的分子，但这是一种非常不愉快的情况

“不开心吗？为什么？”汤普金斯先生问道，他又有兴趣了。

“为了保持这两个原子在一起，”电子解释道，“有太多的事情要做。不久前，我曾经碰巧承担了这样一项任务。在我呆在那里的所有时间里，我连片刻的闲暇都没有。为什么？没有任何东西像我们的一样。只要价电子愉快地移动回家，导致原原子电荷不足，被遗弃的原子就会自行停止。不，先生，不在那里！为了把两个完全相同的原子结合在一起，价电子必须不停地跳跃，一旦它们从一个原子跳到另一个原子，就立即跳回来。我保证，你会觉得自己像个乒乓球！”

这句话让汤普金斯非常吃惊:这种电子产品不知道什么是炒鸡蛋，但谈论乒乓球却很容易。然而，汤普金斯先生没有理会这个问题。

"我再也不想承担这种任务了！"懒惰的电子设备咕哝着说，它对这种不愉快的记忆感到非常兴奋，“我现在在这个地方感觉非常舒服。”

“等一下！”他突然喊道，“我想我看到了一个更好的地方。我应该去那里！“再见！”这时，他猛地一跳，向原子内部冲去。

朝这个对话者的方向看去，汤普金斯先生现在知道发生了什么。也许一个外部高速电子意外地侵入了内部电子系统，将一个内环电子从原子间隙中撞了出来。因此，“K壳”现在有了一个温暖舒适的位置。汤普金斯先生一边责怪自己错过了进入内环的机会，一边饶有兴趣地观察着刚刚和他说话的电子的动作。幸运的电子越来越深入原子，一束强光伴随着他成功的飞行。直到他最终到达内部轨道，刺痛他眼睛的光线才熄灭。

“那是什么？”汤普金斯先生问道，他的眼睛因为看到这个意想不到的现象而疼痛，“为什么一切都这么明亮？”

“哦，这只是这次转移发出的调制辐射，”他在同一轨道上的同伴解释道，嘲笑他的尴尬。“只要我们中的一个人能够成功地渗透到原子内部，多余的能量就会以辐射的形式释放出来。这个幸运的年轻人跳得很远，所以他释放了巨大的能量。然而，当我们发出的辐射被称为“可见光”时，我们通常只满足于相对较短的跳跃，也就是说，到达原子的外围——至少保利神父是这么叫的

“然而，这种变暗——不管你怎么称呼它——也是可见的，”汤普金斯先生争辩道。"我应该说你的话很容易留下错误的印象."

“然而，这是因为我们是电子，所以我们对任何一种辐射都非常敏感。保利神父告诉我们，世界上有一种巨大的生物。他称他们为“人类”。他说，人类可以看到的光和能量间隔——他称之为波长范围——非常窄。有一次，他还告诉我们一个伟人——我记得他的名字叫伦琴——很难找到伽马射线。现在，他们主要把它用在一种叫做“医学”的东西上。"

“是的，是的。我知道很多。”汤普金斯先生说他很自豪现在能伸出手来。“你想让我告诉你什么吗？”

"谢谢，不需要。"电子打了个哈欠，说道，“我真的对它不感兴趣。不说话你不觉得不舒服吗？来吧，你跟着我，看看你能不能抓住我！”

然后，在很长一段时间里，汤普金斯先生享受着与其他电子以一种值得称赞的方式在太空中飞驰的快乐。后来，他突然觉得自己的头发一根接一根直直地竖起来。从前，当他在山上遇到一场雷雨时，他也有过类似的经历。显然，有一种强烈的电子干扰接近它们的原子，这破坏了电子运动的和谐，迫使电子离开正常轨道。在人类物理学家看来，这只是一股穿过这个特定原子所在位置的紫外线，但对于微小的电子来说，这只是一场可怕的电风暴。

“靠近一点！”他的一个同伴喊道，“否则，你将会丢掉光效的力量！”然而，为时已晚。汤普金斯先生被人从他的同伴身边抢走，并以可怕的速度直接扔进了太空，就好像他被两根有力的手指夹住了一样。他喘不过气来，在太空中跑得越来越远，冲过各种各样的原子。他穿过这些原子的速度如此之快，以至于很难逐一区分电子。突然，一个巨大的原子出现在他面前，他知道碰撞是不可避免的。

“对不起，但是，我遇到了光效应，我不能……”汤普金斯先生很有礼貌地开始了，但这句话的后半部分完全淹没在尖锐的爆裂声中，因为此时他正面对面地撞击着外层电子。他们都一头栽进了太空。然而，汤普金斯在碰撞中失去了大部分速度，现在能够更仔细地研究他的新环境了。他周围的原子比他过去见过的任何原子都大。他可以算出它们都有29个电子。如果他有相对丰富的物理知识，他会认出它们是铜原子，但是在这么近的距离，这些原子作为一个整体看起来一点也不像铜。此外，他们的位置非常接近，形成一个规则的模式，延伸到他的视线之外。然而，最让汤普金斯先生惊讶的是，这些原子似乎并不太注意维持电子的数量，尤其是它们的外层电子。事实上，它们的大部分外轨道都是空的，但是*电子群在空间中懒洋洋地移动，不时停在一个或另一个原子的外围，但时间不会很长。汤普金斯先生在致命的太空飞行后筋疲力尽，所以他首先想在铜原子中找到一个稳定的轨道休息一下。然而，他很快就被那群电子的普遍惰性所影响，并参与了其余电子之间的无目的运动。

“这里的事情没有很好的组织，”他对自己说。“有很多非工作导向的电子设备。我认为保利神父应该找到解决问题的方法。”

“我为什么要想办法？”牧师熟悉的声音说——他突然从某个地方出现了，“这些电子没有违反我的戒律，不仅如此，它们现在真的完成了一项非常有用的任务。你可能不知道，如果所有的原子都像某些原子一样热衷于保留它们的电子，那么就不会有导电性。那样的话，你家里的电铃都不会响，更不用说电灯和电脑了。”

"啊，你是说这些电子带着电流？"汤普金斯先生问道。他抓住了一丝希望，希望谈话会转向一些他更熟悉的背景问题，“但我看不到它们朝任何特定的方向移动。”

“首先，我的孩子，”牧师严厉地说，“你不应该用‘他们’这个词，而应该说‘我们’。你似乎忘记了你是一个电子，当有人按下连接到这根铜线上的按钮时，电的压力会让你和所有其他导电的电子匆忙打电话给女佣或做其他需要做的事情。”

“但我不想这样做，”汤普金斯先生固执地说，声音里带着不耐烦的语气。“事实上，我迫不及待地想再次成为一名电子工程师，而且我不认为这有什么乐趣。什么样的生活，你永远都要承担这样的电子责任！”

“不一定是永远，”保利神父反对道，他当然不喜欢保护那些普通的电子。"你总是有机会被抹去，从而失去你的存在."

“头发-生命-毁灭！”汤普金斯先生重复道，感到一阵寒流在他的脊柱上来回流动，“但我一直认为电子是不朽的。”

“这是物理学家直到最近才相信的，”保利神父同意他的观点，说他对自己的话的效果非常感兴趣。“然而，这并不完全正确。电子像人类一样，可以生存和死亡。当然，没有疾病和衰老这样的事情。电子的死亡只能通过碰撞来实现。”

“不过，不久前我遇到了碰撞。这是一次可怕的经历。汤普金斯恢复了信心。如果那次碰撞我没有得到赔偿，那么我无法想象会发生这样的碰撞。"

“问题不在于你在碰撞中有多强大，”保利神父纠正他。“你撞的是谁。在你最近的碰撞中，你可能会碰到另一个和你一模一样的负电子。在这样的碰撞中，根本没有危险。事实上，你们可以像一对公羊一样互相抚摸，不会造成任何伤害。然而，还有另一个电子，正电子，直到最近才被物理学家发现。这些正电子的行为和你完全一样。唯一的区别是他们的电荷是正的，而不是负的。当你看到这样一个伙伴向你走来，你会认为他只是你部落中一个无害的成员，并向他打招呼。然而，在这一刻你会突然发现，不像任何正常的电子，他轻轻地把你推开以避免碰撞，但却用力把你拉过来。因此，无论你想做什么都为时已晚。”

“为什么？”汤普金斯先生问道，“那会发生什么？”

“它会吃了你，毁了你。”

“多可怕啊！”汤普金斯先生喊道，“一个正电子能吃掉多少个可怜的普通电子？”

“幸运的是，只有一个能被吃掉，因为当摧毁一个电子时，正电子本身也被摧毁了。你可以把正电子描绘成寻找彼此失去联系的竞争对手的自杀俱乐部成员。它们不会互相伤害，但是一旦一个负电子遇到它们，负电子存活的机会就很小了。”

“我从来没有偶然遇到过这样的怪物，”汤普金斯说，他对这些描述印象深刻。“我希望他们的人数不要太多。他们有很多吗？”

“不，不多。原因很简单，他们总是自找麻烦，所以他们出生后不久就消失了。如果你等一会儿，我也许能给你指出一个正电子。”

“嗯，这里有一个，”短暂的沉默之后，保利神父继续说道。“如果你仔细观察那边的重核，你会发现这样一个正电子正在诞生。”

牧师手所指的原子显然会受到强烈的电磁干扰，这是因为从外部对它有强烈的辐射。这比把汤普金斯先生赶出氯原子的辐射更令人不安。结果，围绕那个核心的电子家族正在瓦解，并像台风中的树叶一样向四面八方吹去。

"密切注意那个核心."保利神父说。因此，汤普金斯先生聚精会神地观察着，他看到一个最不寻常的现象正在被摧毁的原子深处发生。在非常靠近原子核的内层电子壳层内，两个模糊的阴影正在逐渐形成。一秒钟后，汤普金斯先生看到了两个全新的。闪亮的电子从它们出生的地方以极高的速度飞离彼此。

“但我看到了两个。”汤普金斯先生说。他被这景象迷住了。

“这是对的，”保利神父同意道，“电子总是成对诞生的。否则，它们将违背电荷守恒定律。原子核在强辐射作用下产生的两个粒子，一个是普通的负电子，另一个是正电子，这就是凶手。它现在要寻找受害者。”

“好吧，既然每一个注定要摧毁一个电子的正电子同时产生另一个普通电子，情况就没那么糟糕了，”汤普金斯先生创造性地说。“至少，这不会导致电子部落的灭绝。我……”

“小心点！”牧师打断了他，从旁边推了他一把。这时，新生的正电子呼啸着从旁边经过，并立即击中另一个电子。所以有两次耀眼的闪光，然后什么也没有。

“我想你现在已经看到结果了。”牧师微笑着说。

然而，汤普金斯先生没有被正电子杀手消灭的宽慰并没有持续太久。他还没来得及感谢保利的快速判断和救了他，他突然觉得自己被耽搁了。他和所有其他游荡的电子都*参与一项行动——在同一个方向平行移动。

“嘿，现在发生什么事了？”他哭了。

“一定有人按了电灯开关。现在你正在去灯丝的路上。”牧师回答说，他现在要马上离开汤普金斯先生。“和你聊天真好。再见！”

起初，旅行似乎非常轻松愉快，就像在机场的跑道上缓缓行驶。汤普金斯先生和其他*电子慢慢穿过那里的原子晶格。他非常想和身边的电子设备聊天。

“旅行很容易，不是吗？”他说。

电子威胁地看了他一眼，“你显然对这种电流不熟悉。等等，我们马上就要遭殃了。”

汤普金斯先生不明白这意味着什么，但他不喜欢进一步询问。突然间，他们穿过的走廊变窄了，现在电子都挤在一起了。环境变得越来越热越来越亮。

“你必须坚持住！”他的同伴杜欧说，她是从侧面看向他的。

当汤普金斯先生醒来时，他发现在演讲厅坐在他旁边的那位女士也睡着了，他从旁边向他靠过来，把他一直推到墙边。

汤普金斯先生没有听到的最后一段讲话，因为他睡着了。

事实上，英国化学家道尔顿早在1808年就指出，形成各种更复杂化合物所需的各种化学元素的数量比总是可以用几个整数的比来表示。在解释这个经验定律时，他把它归因于这样一个事实，即所有种类的化合物都是由代表不同简单化学元素的粒子一个接一个地组成的，但是粒子的数量是不同的。中世纪炼金术士无法将一种化学元素转化为另一种的事实证明，这些粒子显然是不可分的，所以人们给它们起了古希腊的名字“原子”——也就是“不可分的东西”。这个名字自从决定后就一直在使用。虽然我们现在知道这些“道尔顿原子”根本不是不可分的，它们实际上是由大量比它们小的粒子组成的，但是，我们对这个名称的哲学矛盾采取了盲目和盲目的态度。

可以看出，现代物理学家称之为“原子”的实体并不是德谟克利特最初想象的那个基本实体。如果把“原子”这个词应用于更小的粒子，如电子和夸克，它们构成了“道尔顿原子”，那么它实际上更准确。然而，改变名称会引起很多混乱，所以物理学中没有人会担心这种哲学上的矛盾！这样，我们还将使用“原子”这个古老的名称来指代道尔顿所说的那些粒子，而电子、夸克等等则统称为“基本粒子”。

基本粒子这个名字当然意味着我们现在相信这些更小的粒子确实是德谟克利特所说的那种基本粒子。因此，你可能会问我，不能再分离的粒子，历史真的不会重演吗？随着科学的进一步发展，这些基本粒子真的不会被证明是一些非常复杂的东西吗？我的回答是，尽管不能绝对保证这种事情不会发生，但有充分的理由相信我们这次做得非常正确。

事实上，有92种不同的原子(对应于92种不同的化学元素)(注:这是指自然存在的元素，不包括超铀元素。包括后者，到1998年已经发现了109种，每种原子都有相当复杂和不同的特征。这种情况本身就要求人们把如此复杂的画面简化成更基本的画面。

现在我们可以转向道尔顿的原子是如何由基本粒子组成的问题。这个问题的第一个正确答案是由著名的英国物理学家卢瑟福在1911年提出的，当时他正在研究原子的结构，用放射性元素在嬗变过程中发射的快速微型子弹轰击各种原子，即所谓的阿尔法粒子。卢瑟福观察了这些子弹穿过一块材料后的偏转(即散射)，并发现尽管大多数子弹能以非常小的角度偏转，但也有一些子弹以非常大的角度反弹回来。这可能是因为它们击中了原子中非常小但非常密集的靶心。所以他得出结论，所有的原子都必须有一个非常致密的带正电荷的核心(原子核)，周围是一层相当薄的负电荷云(原子大气)。

我们今天知道，原子核是由一定数量的质子和中子(它们统称为原子核)组成的，它们通过强大的内聚力紧密地结合在一起。我们还知道原子大气是由不同数量的负电子组成的，它们在原子核正电荷的静电引力作用下围绕原子核旋转。形成原子气氛的电子数量决定了原子的所有物理和化学性质。这个数字从1(属于氢)增加到92(属于铀，已知最重的元素)。

尽管卢瑟福的原子模型显然很简单，但要详细理解它绝非易事。事实上，根据经典物理学中最可靠的信念之一，带负电的电子在围绕原子核旋转时，必须通过辐射过程(即发光)失去动能，而且人们已经计算出，构成原子大气的所有电子都将落在原子核上，并由于电子不断损失其能量而在不到一秒钟内崩溃。然而，这个看似正确的经典物理学结论与经验事实截然相反，因为原子大气非常稳定，与这个结论相反。原子中的电子不仅不会落在原子核上，而且会在无限长的时间内围绕中心体不断旋转。这样，我们可以看到经典力学的基本概念和与原子世界中小结构单元的力学行为相一致的经验数据之间存在着根深蒂固的矛盾。这一事实使著名的丹麦物理学家玻尔认识到，从现在起，我们必须把几个世纪以来在自然科学体系中占据特权地位的经典力学视为一种应用范围有限的理论。它适用于我们日常接触的宏观世界。然而，一旦它被应用于各种原子中发生的更微妙的运动，它就完全无能为力了。玻尔认为，为了建立一个新的实验系统。更广泛的力学使它适用于原子机器中那些精细零件的运动。可以假定，在经典理论中所考虑的所有无限类型的运动中，只有少数特定类型的运动能够在自然界中实现。这些允许的运动类型(轨道)应该根据某些数学条件，即玻尔理论中所谓的量子条件来选择。在这里，我不想详细讨论这些量子条件，但我只想指出，这些条件的选择使得它们施加的所有限制在所有情况下都毫无意义，在这些情况下，运动粒子的质量比我们在原子结构中遇到的质量大得多。因此，当这种新的微观力学应用于宏观物体时，所获得的结果与旧的经典理论的结果完全相同(这就是对应原理)。只有在一台小型原子机器中，这两种理论之间的差异才具有重大意义。既然我们不想更深入地讨论细节，我只想借用玻尔的原子量子轨道图，让每个人都知道从玻尔理论的观点来看原子的结构是什么样子(见图)。在这张照片中，你可以看到一系列圆形和椭圆形的轨道(它们的大小当然大大放大了)。这些轨道代表了构成原子大气的电子的玻尔量子条件“允许”的运动类型。经典力学允许电子以任何距离围绕原子核运动，并且不对电子轨道的偏心率(即扁平长度)施加任何限制。玻尔理论的具体轨道是一组离散的轨道，它们在所有方向上的具体大小都是严格规定的。地图上每条轨道旁标注的外文数字和字母代表了该轨道在一般分类中的名称。您可以注意到，较大的数字对应于较大直径的轨道。

尽管玻尔的原子结构理论已经被证明在解释原子和分子的各种性质方面非常有效，但是量子轨道分离的基本概念却一直不太清楚。我们越想深入分析经典理论中这种不寻常的限制，整个图像就变得越不清晰。

最后，人们终于明白，玻尔的理论并不十分成功，因为它没有用一些基本的方法来改造经典力学，而只是用一些附加条件来限制经典力学的结果，而这些条件基本上与经典理论的整体结构不相容。这个问题的正确答案直到13年后才以所谓的“波动力学”的形式出现，它根据新的量子原理修改了经典力学的整个基础。因此，尽管乍一看，波动力学系统似乎比玻尔的旧理论更古怪，但这种新的微观力学已成为当今理论物理学中最合乎逻辑、最容易接受的组成部分之一。由于这种新力学的基本原理，特别是“不确定性”和“弥散轨道”的概念，我在前面的发言中已经谈到过了。我只想提醒大家再次注意，然后我会回来讨论原子结构的问题。

在我现在挂出来的图片中(见下图)，你可以看到波动力学理论是如何从“色散轨道”的角度想象电子在原子中的运动的。这张图片准确地显示了前一张图片中通过经典方法显示的那些运动类型(然而，由于技术原因，现在每种运动类型都被单独绘制成一张小图片)。然而，我们现在看到的不是玻尔理论的明确轨道，而是一些与基本不确定性原理相一致的模糊数字。现在标记在这些不同运动状态旁边的标记与前一幅图中的标记相同。比较这两张图片，只要你稍微动动脑筋，你就会发现我们的云状图案非常忠实地模仿了旧玻尔轨道的一般特征。

这些图片清楚地显示了当量子工作时，经典力学奇妙的旧轨道会发生什么样的变化。虽然一些外行人会认为这幅画是一个荒谬的梦，但是研究原子微观世界的科学家可以毫无困难地采用它。

在简单地讨论了原子的电子大气的可能运动状态之后，我们现在遇到了一个重要的问题，那就是:原子中的电子是如何分布在不同的可能运动状态中的？在这里，我们再次接触到一个新的原则——一个我们在宏观世界中非常不熟悉的原则。这个原则是由保利首先提出的。它规定，在任何原子的电子集体中，没有两个电子可以同时具有相同的运动状态。在经典力学中，这个限制没有多大意义，因为在经典力学中有无限多种可能的运动状态。然而，由于量子定律大大减少了“可允许的”运动状态的数量，泡利原理在微观世界中起着非常重要的作用:它确保电子或多或少地均匀分布在原子核周围，并且不允许它们拥挤在特定的点上。

然而，你不能从上面提到的新原理得出结论，图中所示的每个分散的量子运动状态只能被一个电子“占据”。事实上，除了围绕原子核的轨道，每个电子都围绕自己的轴旋转，就像地球除了围绕太阳的轨道之外，还围绕北极和南极旋转一样。因此，如果两个电子向不同的方向旋转，那么它们就沿着相同的轨道围绕原子核运动，这一点也不会让泡利博士感到尴尬。目前对电子自旋的研究表明，电子绕自身轴的旋转速度总是相同的，并且电子自旋轴的方向必须始终垂直于轨道平面。这样，电子只能有两个不同的自旋方向，我们可以用“顺时针方向”和“逆时针方向”来表示它们。

这样，泡利的原理在应用于原子的量子态时，可以变成如下的陈述:“每个量子运动态不超过两个电子占据”，并且两个电子的自旋方向必须相反。因此，当我们沿着元素的自然顺序推进到有越来越多电子的原子时，我们会发现不同的量子运动状态逐渐被电子占据，原子的直径也增加了。

在这方面，还必须指出，从电子结合强度的观点来看，我们可以将原子中电子的不同量子态合并成几组具有近似相同结合能的离散量子态(或电子壳层)。当沿着元素的自然顺序前进时，这些量子态总是先填充在一组中，然后填充在另一组中，并且由于电子顺序填充各种电子壳层，各种原子的性质也周期性地改变。这解释了俄罗斯化学家门捷列夫通过经验发现元素的周期性，这一点现在每个人都很熟悉。

乔治·加莫夫