物理世界奇遇记-第17章
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发展以后，这些基本粒子真的不会被证明是一些十分复杂的东西
吗？我的回答是，尽管谁也不能绝对保证这种事情不会发生，但
是，有充分理由认为，这一次我们是做得十分正确的。
事实上，不同的原子一共有92种（同92种不同的化学元素相
对应）（注：这指的是天然存在的元素，不包括超铀元素在内。
如包括后者，至l998年已发现的共有109种）， 并且每一种原子
都具有相当复杂的、各不相同的特性。这种局面本身，就要求人
们沿着把这样一种复杂的图景归纳成更基本的景象的方向，对它
进行某些简化。
现在我们可以转而谈谈道尔顿的原子是怎样由基本粒子构成
的问题了。这个问题的第一个正确的答案是著名的英国物理学家
卢瑟福在1911年提出的，他当时正在用放射性元素在嬗变过程中
发射出的快速微型子弹——即所谓α粒子——去轰击各种原子，
借以研究原子的结构。卢瑟福在观察这些子弹通过一块物质后所
发生的偏转（即散射）时发现，虽然大多数子弹都能以非常小的
角度偏转，但少数子弹却以极大的角度反弹回去。这大概是因为
它们在原子里撞上了某种非常小但却非常密实的靶心。因此他得
出一个结论说，所有原子都必定具有一个非常密实的、带正电的
核心（原子核），它周围是一片相当稀薄的负电荷云（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
称为核子）构成的，它们靠一种很强的内聚力紧密地维系在一起；
我们还知道，原子大气是由不同数量的负电子构成的，这些负电
子在原子核正电荷静电引力的作用下，围绕着原子核转动。形成
原子大气的电子的数量决定着原子的一切物理性质和化学性质，
这个数目按化学元素的天然排列次序从１（属于氢）一直增大到
92（属于已知的最重的元素——铀）。
尽管卢瑟福的原子模型具有明显的简单性，但是，要想详尽
地理解它，却决不是一件简单的事。事实上，按照古典物理学的
一个最可靠的信念，带负电的电子在围绕原子核旋转时，必定会
通过辐射（即发射出光）过程而失去它的动能，并且人们已经计
算出，由于电子不断失去它的能量，组成原子大气的所有电子远
远不到一秒钟，就会落到原子核上而发生坍缩。不过，古典物理
学这个似乎十分正确的结论却同经验事实非常尖锐地对立着，因
为原子大气恰好同这个结论相反，是非常稳定的；原子中的电子
不但不落到原子核上，而且无限长期地持续围绕着中心体转动。
这样，我们就看到了，在古典力学的基本概念以及同原子世界细
小的结构单元的力学行为相符的经验数据之间，存在着根深蒂固
的矛盾。这个事实使著名的丹麦物理学家玻尔认识到，从现在起，
我们必须把几世纪以来在自然科学体系中占有自命可靠的特权地
位的古典力学，看做是一个应用范围颇为有限的理论，它适用于
我们日常接触的宏观世界，但是，一旦把它用于在各种原子中发
生的那种精致得多的运动上，它就完全无能为力了。玻尔认为，
为了试验性地建立一门新的。更广泛的力学，使它也能适用于原
子机器中那些细微部件的运动，不妨假设在古典理论所考虑的所
有无限多种运动类型当中，只有少数几种特定的类型才可能在自
然界中实现。这些许可的运动类型（轨道），应该根据一定的数
学条件，即根据玻尔理论中的所谓量子条件来选择。在这里，我
不想详细地讨论这些量子条件，而只想指出，这些条件的选法，
使得它们所施加的一切限制，在运动粒子的质量比我们在原子结
构中所碰到的质量大得多的所有场合下，实际上是没有意义的，
这样一来，这种新的微观力学在应用到宏观物体上时所得到的结
果，便完全和旧的古典理论相同了（这就是对应原理）。只有在
细微的原子机器中，这两种理论的分歧才具有重大的意义。由于
我们不想更深入地讨论细节，这里我只想借用玻尔所画的原子中
的量子轨道图，让大家知道从玻尔理论的观点看来，原子的结构
是什么样子（请看图）。在这张图上，大家可以看到一系列圆形
和椭圆形的轨道（它们的尺寸当然是大大放大了的），这些轨道
代表构成原子大气的电子经过玻尔的量子条件“许可的”运动类
型。古典力学允许电子在任何距离上围绕原子核运动，对于电子
轨道的偏心率（即扁长度）也不施加任何限制，而玻尔理论的特
定轨道则是一组分立的轨道，它们在各个方向上的特定大小全部
是严格规定的。图上在每一个轨道旁边注出的数字和外文字母，
代表那个轨道在一般分类法中的名称；你们可以注意到，比较大
的数字对应于直径比较大的轨道。
尽管玻尔的原子结构理论在解释原子和分子的各种性质方面
已经被证明是极有成效的，但是，关于量子轨道彼此分立这个基
本概念却一直相当不清楚，我们越想深入分析古典理论所受到的
这种不寻常的限制，整个图像就变得越不清楚。
最后，人们终于弄清，玻尔的理论之所以不十分成功，是由
于它没有用某种根本的方法来改造古典力学，而仅仅是用一些附
加条件去限制古典力学所得出的结果，而这些条件对于古典理论
的整个结构又基本上是不相容的。这个问题的正确答案一直到13
年以后，才以所谓“波动力学”的形式出现，这个理论根据新的
量子原理，修改了古典力学的整个基础。因此，尽管乍一看来，
波动力学的体系似乎比玻尔的旧理论还要古怪，但这种新的微观
力学却成为今天理论物理学中的一个最合乎逻辑、最容易为人们
所接受的组成部分。由于这种新力学的基本原理，特别是“测不
准性”和“弥散轨道”等概念，我已经在前几次演讲中谈过了，
这里我只想提醒大家再注意一下，然后就要回头讨论原子结构的
问题了。
在我现在挂出的这幅图上（请看下图），你们可以看到，波
动力学理论是怎样从“弥散轨道”的观点出发去设想电子在原子
中的运动的。这幅图所表示的正好是上一幅图用古典方法表示出
的那些运动类型（不过，由于技术上的原因，现在把每一种运动
类型分开画成一个小图），但是，我们现在所看到的不是玻尔理
论那种轮廓清楚的轨道，而是一些同基本的测不准原理相一致的
模模糊糊的图形。现在标注在这些不同运动状态旁边的记号和上
一幅图中的记号相同，把这两幅图比较一下，并且只要稍稍运用
你们的想象力，你们就会发现，我们这些云雾状的图案相当忠实
地摹写了旧的玻尔轨道的一般特点。
这些图十分清楚地表明，在量子起作用的场合下，古典力学
那些美妙的旧式轨道会发生什么样的变化，尽管有些门外汉会把
这种图景看做是荒唐的梦想，但那些研究原子的微观世界的科学
家，却能够毫无困难地采纳它。
我们这样简短地讨论了原子的电子大气的可能运动状态以后，
现在碰到了一个重要的问题，这就是：原子中的电子在各个不同
的可能运动状态中是怎样分布的？这里，我们又一次接触到一个
新的原理——一个我们在宏观世界中非常不熟悉的原理。这个原
理是泡利最先提出的，它规定：在任何一个原子的电子集体中，
不能够有两个电子同时具有相同的运动状态。在古典力学中，这
个限制是没有多大意义的，因为在古典力学中有无限多种可能的
运动状态。但是，既然量子规律已经大大缩减了“许可的”运动
状态的数目，泡利原理在微观世界中就起着非常重要的作用了：
它保证电子或多或少均匀地分布在原子核周围，不容许它们拥挤
在某个特定的点上。
不过，你们千万不要从上面所说的这个新原理出发作出结论
说，在图上表示出的每一个弥散的量子运动状态，只能够被一个
电子所“占据”。事实上，每一个电子除了沿着它的轨道围绕原
子核运动以外，还要绕着它自己的轴自转（自旋），就像地球除
了绕太阳作轨道运动外，还要绕着南北极轴自转那样。因此，如
果两个电子自旋的方向不同，那么，它们沿着同一个轨道围绕原
子核运动，就根本不会让泡利博士感到为难了。目前对电子自旋
的研究表明，电子围绕自己的轴旋转的速度永远是相同的，并且，
电子自旋轴的方向必定永远与轨道平面相垂直。这样，电子就只
能够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”来代表它们。
这样一来，泡利原理在用于原子的量子态时，可以改变成下
面的说法：“占据”每一个量子运动状态的电子不能多于两个，
并且，这两个电子的自旋方向必须相反。因此，当我们沿着元素
的天然序列向电子数越来越多的原子推进时，我们就会发现，不
同的量子运动状态一个个被电子逐步充填，原子的直径也不断随
之增大。
在这方面还必须指出，从电子结合强度的角度来看，我们可
以把原子中电子的不同量子态归并成结合能大致相同的几组分立
的量子态（或者称为电子壳层）。当顺着元素的天然序列推进时，
这些量子态总是一组充填满以后，才接着充填另一组，并且，由
于电子顺序充填各个电子壳层的结果，各种原子的性质也周期性
地改变。这就解释了俄国化学家门捷列夫靠经验发现的元素周期
性，这种周期性现在是大家都已经非常熟悉的了。
１２ 在原子核内部
汤普金斯先生出席的下一个演讲会，是专门介绍原子核的内
部结构的。现在教授开始演讲了。
女士们，先生们：
我们在越来越深入地发掘物质的结构时，现在应该用我们智
力上的眼睛，试一试观察原子核的内部了。原子核的内部是只占
原子本身总体积几亿分之一的神秘区域；尽管这个新的研究领域
的尺寸小得难以置信，但我们将发现，它具有了非常巨大的活动
性。事实上，原子核毕竟是原子的心脏，虽然它的体积只占原子
总体积的10…15，但它却大约占有原子总质量的99。97％。
在从原子那个密度稀薄的电子云进入原子核区域时，我们马
上会因为其中粒子极端拥挤的状态而感到惊奇。平均说来，在原
子大气中，电子的活动范围比它自己的直径大几十万倍，而居住
在原子核内部的粒子，却确实是一个紧挨着一个地挤在一起，把
原子核挤得满满的，只能勉强地移动。从这个意义上说，原子核
内部的景象与一般液体很相似，不过我们现在所碰到的不是分子，
而是比分子小得多的粒子，即所谓质子和中子。在这里应该指出，
质子和中子尽管名称不一样，但人们现在却把它们看做是同一种
重基本粒子——即所谓“核子”——的两种不同的带电状态。质
子是带正电的核子，中子是电中性的核子。至于说到核子的几何
大小，那么，它们同电子并没有多大差别，直径约为10…12厘米。
不过，核子比电子重得多，要用1840个电子放在天平的一端，才
能同放在另一端的一个质子（或中子）相平衡。我已经说过，构
成原子核的粒子彼此挤得非常紧，这是由某种特殊的原子核内聚
力（强核力）的作用决定的。这种力同作用于液体分子之间的力
很相似，并且就像液体的情形那样，尽管这种力能够防止各个粒
子完全分离开，却并不妨碍各个粒子发生相对位移。这样一来，
原子核物质就具有某种程度的流体的性质，它在不受任何外力的
干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。在我现在拿出的这张示
意图上，你们可以看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。
最简单的一种是氢的原子核，它只含有一个质子，而最复杂的铀
原子核却含有92个质子和142个中子。 当然，你们应该把这些图
形看做是真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子论那个
最基本的测不准原理，每一个核子的位置实际上都“弥散”到整
个原子核区域。
我已经说过，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力维持
在一起的，但是，除了这种引力以外，在原子核内还存在着另一
种作用方向与它相反的力。事实上，大约占原子核成员总数的一
半的质子是带正电的，它们会由于库仑静电力的作用而互相排斥。
对于比较轻的原子核来说，由于其中的电荷比较少，这种库仑斥
力是无足轻重的，但是，在原子核比较重、电荷很多的场合下，
库仑斥力就会同强核引力激烈地竞争。核力是短程力，只在相邻
的核子之间起作用，而静电力却是长程力。这就意味着，处在原
子核外围的质子只受到紧邻的核子的吸引，而却受到原子核内所
有其他质子的排斥。当原子核内的质子增多时，斥力会变得越来
越强，而引力并不随之增大。因此，当质子超过一定的数量时，
原子核就不再是稳定的，它倾向于把它的某些组成部分驱逐出去，
这就是许多处在周期表末尾的元素，即所谓“放射性元素”所发
生的情形。
你们可能会从上面的叙述得出结论说，这些不稳定的重原子
核会把质子发射出去，因为中子不带任何电荷，所以，它们不是
库仑斥力所要排斥的对象。但是，实验告诉我们，实际上被发射
出的粒子是所谓“α粒子”（氦的原子核），这是由两个质子和
两个中子构成的一种复合粒子。这个事实应该用原子核各个组成
部分特殊的结合方式来解释。原来，由两个质子和两个中子结合
成α粒子这样的组合特别稳定，因此，一下子把这整个粒子团抛
出，要比把它分裂成质子和中子容易得多。
你们大概已经知道，放射性衰变现象是法国物理学家贝克勒
尔最先发现的；而把它解释成原子核自发嬗变的结果的，则是著
名的英国物理学家卢瑟福。关于卢瑟福，我过去在谈到别的问题
时已经提到过了，由于他在原子核物理学中有过许多重要的发现，
他对科学所做的贡献是很大的。
α衰变过程的一个最重要的特点是：α粒子要找到离开原子
核的“门路”，往往需要极长的时间。在铀和钍的情况下，这个
时间大约是几十亿年，在镭的场合下，它大约是16个世纪。此外，
尽管有些元素只要几分之一秒就发生衰变，但是，它们的整个寿
命同原子核内部运动的速度比较起来、仍然可以认为是非常之长
的。
那么，是什么力量使α粒子有时在原子核内停留几十亿年之
久呢？再说，既然它已经停留这么久了，为什么它最后又会发射
出来呢？
为了回答这个问题，我们必须先简单地谈谈内聚引力和作用
于粒子、使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾经
利用所谓“轰击原子”的方法，对这两种力作了细致的实验研究。
卢瑟福在卡文迪许实验室做过一个著名的实验，他让一束从某种
放射性物质发射出的快速运动的α粒子射到物质上，并观察这些
原子炮弹由于同被轰击物质的原子核碰撞而发生的偏转（散射）。
这种实验证明了这样一个事�
