看不见摸不着，那人类到底是怎么发现原子的呢？

元素与其他元素结合的严格比例给了科学家一个线索：物质可能有独立的组成部分，现在被称为原子。来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心

1808年，化学家约翰·道尔顿提出了一个非常有说服力的论点，并由此得出了一个惊人的认识：也许所有的物质都是由很小的东西组成的，由基本部分组成，由不可分割的部分组成，由原子碎片组成，由原子组成。

这个概念已经断断续续地流传了几千年。古代文化当然知道物质是由更基本的元素组成的了(尽管他们对元素是什么有很大的分歧)，并且还知道这些元素以有趣且富有成效的方式结合在一起，构成了各种复杂的东西，比如椅子和啤酒。但在那几千年中，有一个问题一直悬而未决：如果我把一个元素分离出来，把它切成两半，然后再把那两半切成两半，以此类推一直切下去，我最终能得到一个我再也不能切开的最小元素吗?还是我能够无限地切下去?

经过多年的仔细研究，道尔顿发现了这些元素之间存在着惊人的关系。有时候，两种元素可以不同的比例结合成多种化合物，就像锡和氧一样。但是在各种组合中，每个元素的比例总是减少到非常小的数字。而如果物质是无限可分的话(即没有最小的单位)，那么任何比例都应该是可以存在的。

但恰恰相反，他发现一定量的一种元素可能与等量的另其他元素，或者是两倍或三倍的其他元素结合。道尔顿在所有情况下、在任何地方都只能发现简单的比例。如果物质最终是不可分割并且由原子构成的话，那么在元素组合时就只能存在简单的比例。

大量能量

一百年后，这个关于物质的“原子”理论似乎也不能算是完全荒谬。然而，这个理论最具挑战性的事情之一是：如果原子是真的存在的话，它们会小得看不见，那你怎么能证明一个你无法直接观察到的东西确实存在呢?

原子存在的线索之一来自于最近建立的热力学研究。为了理解热机的工作原理——以及伴随而来的诸如温度、压力和熵等概念——物理学家们意识到，他们可以把气体和液体看作是由几乎无数的微小、甚至微观的粒子组成的。例如，“温度”实际上测量的是所有这些气体粒子通过撞击温度计的平均运动所传递给温度计的能量。

这非常引人注目，阿尔伯特·爱因斯坦是这类物理学的狂热爱好者，而且，就像所有其他他所热爱的物理学一样，爱因斯坦对它们进行了革命性的改革。

爱因斯坦对布朗运动问题尤其感兴趣，布朗运动最早是在1827年由罗伯特·布朗(Robert Brown)提出的(因此得名)。如果你把一颗大颗粒扔进流体(例如气体和液体)里，这个物体就会完全独立地出现摆动和跳跃的运动。经过几次仔细的实验，布朗意识到这与空气或液流无关。

布朗运动只是那些无法解释的随机生活现象之一，但爱因斯坦从中发现了一条线索：通过把流体看作是由原子组成的某种东西，他能够推导出一个公式，来计算流体粒子的无数次碰撞会在多大程度上推动这个颗粒。通过把这种联系建立在坚实的数学基础上，他能够提供一条从你能看到的东西(在给定的时间内，颗粒移动了多少)通往到你看不到的东西(液体颗粒的质量)的道路。

换句话说，爱因斯坦给了我们一种称量原子的方法。

关联状态!

就在人们逐渐习惯这些微小物质的大小时，一想到不得不认为这些就是可能存在的最小物体，有人就决定继续往下研究。

与爱因斯坦同时开展工作的还有一位极具天赋的实验主义者，名叫J.J.汤姆森。在19世纪末，他被一种幽灵般的光束迷住了，这种光束被称为阴极射线。如果你把几个电极插在玻璃管里，再把所有的空气从管子里吸出来，然后加大电极上的电压，你就会看到电极发出一种耀眼的辉光，确切地说，是从电极阴极发出来的，因此，这种光线叫阴极射线。

这一现象可给物理学家出问题了：是什么让它发光的呢?电荷——在当时，电荷被认为与电的概念有关，但在其他方面却很神秘——是如何与这种辉光联系在一起的呢?汤姆森破解这个谜题的方法是：a)制造出有史以来最好的真空管;b)把整个装置置于超强电场和磁场中。如果电荷与阴极射线有关的话，那么你最好相信它们会对这些场有所反应。

而实验发现，电荷确实会受到这些场的影响，阴极射线在电场和磁场的作用下都会发生弯曲。这太迷人了!这意味着发光的部分与电荷本身是相关联的;如果光是以某种方式与电荷分离的话，那么它就不会受到场的干扰，径直穿过这些场。同时，这也意味着阴极射线和电是由同样的物质构成的。

通过比较光线在电场和磁场中的偏转量，汤姆森可以推导出一些数学公式，并计算出这些电荷的一些性质。这就是汤姆森获得诺贝尔奖的原因：这些“光颗粒”(用他的话来说是光颗粒，其实是电子)大约比氢原子小2000倍，氢是已知最轻的元素，因此氢原子也是已知最小的原子，所以这些“电子”真的很了不起，但同时也带来了新的疑问。

金箔实验

汤姆森的研究结果提出的难题就只能待下一代科学家来解决了。这些难题中最重要的一个是：一个东西怎么可能比原子还小?这对原子本身的结构意味着什么?

为了解决这个问题，汤姆森的前学生，欧内斯特•卢瑟福、以及卢瑟福的学生汉斯•盖格和欧内斯特•马斯登决定使用α粒子来轰击一张极薄的金箔，看看会发生什么。科学家们之所以选择黄金是因为他们可以用这种材料制成非常薄的薄片，这意味着科学家们可以放心地确定他们是在探索原子物理学。在实验中，他们发射了非常小的子弹：α粒子，这是氦的带电原子，这些粒子体积小、重量大、速度快，是完美的“科学”子弹。

当研究人员进行射击练习时，大部分的阿尔法粒子就像穿过薄纸一样穿过了金箔。但每隔一段时间，粒子会向随机的方向散射，而每隔很长一段时间(大约每20000个射击中就有一个，是的，科学家们手动计算了出来)，一个阿尔法粒子会从金箔上弹回来，砰的一声按原路反弹回去。

这太神奇了!这些小粒子告诉了我们关于金原子的什么特性?研究人员得出结论，唯一合理的解释是原子的绝大多数质量都集中在一个非常小的体积里，而这个“核心”一定带有正电荷，因为原子的总电荷必须是中性的，所以电子必须非常非常小，在松散的范围中围绕着“核心”旋转或跳跃。

所以，当阿尔法粒子穿过金箔时，它们几乎总是遇到一片空白，但一个极其不幸的粒子可能会扫过原子核，或者更糟，迎头撞上原子核，从而极大地改变粒子子弹的轨迹。

因此，在道尔顿最后论证不可分割原子存在的近一百年之后，当爱因斯坦提出一种直接测量这些原子的方法之时，汤姆森和卢瑟福发现原子根本不是不可分割的，相反，它是由更小的东西组成的。

所以，在我们巩固原子理论的同时，我们第一次踏入了亚原子世界，从那以后，事情变得更加混乱了。