2025年12月31日，由中央廣播電視總臺(tái)、中國(guó)科學(xué)院學(xué)部工作局主辦，中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心承辦的“復(fù)興路上的科學(xué)力量——中國(guó)科學(xué)院跨年科學(xué)演講”面向在全網(wǎng)播出。

當(dāng)晚，中國(guó)科學(xué)院物理研究所曹則賢研究員開講《原子與原子物理》?，F(xiàn)將演講內(nèi)容整理如下，各別字詞稍有改動(dòng)。由于微信字?jǐn)?shù)有限，本文將分為上下兩部分推送。全文包含開篇詞、引言、元素說、古代原子論、關(guān)于元素/原子的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)、電、電子與原子研究、原子結(jié)構(gòu)與量子數(shù)、量子力學(xué)與原子、原子核模型、反粒子、反物質(zhì)、結(jié)束語十一部分內(nèi)容。

演講的幻燈片文件可以在中科院物理所微信公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“2026跨年演講”獲取。

因?yàn)閮?nèi)容太多，時(shí)間倉促，難免有些文字上錯(cuò)誤，敬請(qǐng)諒解。

01

開篇詞

現(xiàn)場(chǎng)的各位尊敬的領(lǐng)導(dǎo)、各位同學(xué)，遠(yuǎn)方屏幕前的親人們、朋友們，大家晚上好! 歡迎關(guān)注中國(guó)科學(xué)院的跨年科學(xué)演講。

今年我演講的題目是原子與原子物理?？礃幼哟蠹覍?duì)原子物理問題都比較感興趣，也有不少的困惑。

這也是我個(gè)人的第7次跨年科學(xué)演講，也是在這個(gè)舞臺(tái)上的第3次演講。前幾年，我講了量子力學(xué)、相對(duì)論、電磁學(xué)、規(guī)范場(chǎng)論等等。

今年我們講一個(gè)比較前沿的課題：原子物理。以后有機(jī)會(huì)，我想抓緊時(shí)間講一講實(shí)驗(yàn)物理和數(shù)學(xué)物理。因?yàn)槲冶救双@得了實(shí)驗(yàn)物理的博士學(xué)位，而且今天中國(guó)在工業(yè)化方面處于世界領(lǐng)導(dǎo)地位，對(duì)實(shí)驗(yàn)物理的理解可能有更加迫切的需求。但是另一方面，我也讀過理論物理博士，所以我特別想有機(jī)會(huì)再講講數(shù)學(xué)物理。

當(dāng)然，物理博大精深，也許到我退休前都不能把物理講完，但是我們還有機(jī)會(huì)。我可以借助中國(guó)科學(xué)院老科學(xué)家科普?qǐng)F(tuán)的舞臺(tái)，繼續(xù)給大家講述物理。

我這么努力講述物理，想傳達(dá)的是什么呢？是一種叫做遍歷精神。什么意思呢？就是說當(dāng)我們進(jìn)入到一個(gè)領(lǐng)域的時(shí)候，我們最好把這個(gè)未知的領(lǐng)域稍微先走一遍，然后再?zèng)Q定有什么特別感興趣或有特長(zhǎng)的地方，再去談專業(yè)的問題。

德國(guó)的大數(shù)學(xué)家希爾伯特有一句特別有名的話。他說，數(shù)學(xué)不分專業(yè)，只分會(huì)與不會(huì)。我覺得這個(gè)說法也可以移植到物理領(lǐng)域，物理不分專業(yè)，只分會(huì)與不會(huì)。我們之所以這么努力地去講述這些物理，因?yàn)檫@是一件很快樂的事情。

當(dāng)年法國(guó)泊松男爵曾說：“生命之美在于兩件事——做數(shù)學(xué)和教數(shù)學(xué)。”這句話同樣適用于物理領(lǐng)域。我認(rèn)為生命中有兩件美好的事：研究物理和教物理。

這些年，外界對(duì)我的跨年演講褒貶不一，但有兩句話讓我特別感動(dòng)。一條評(píng)論說：“這老頭子自己搞了個(gè)春晚，講了3個(gè)多小時(shí)?！绷硪粭l說：“每年我都要經(jīng)歷4小時(shí)的物理軍訓(xùn)。”有人將我的演講與春晚、軍訓(xùn)這兩個(gè)嚴(yán)肅概念聯(lián)系到一起，我感到非常榮幸。

今年夏天，在中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的講座前，一位女生對(duì)我說：她曾面臨電動(dòng)力學(xué)考試時(shí)，恰逢我講電動(dòng)力的跨年演講。學(xué)過電動(dòng)力的朋友都知道，電動(dòng)力學(xué)的教材后面有兩三頁會(huì)列滿了公式，而且大家還不知道哪些莫名其妙的公式是哪里來的。我當(dāng)年的跨年科學(xué)演講中說過這么一句話：“因?yàn)闈M是數(shù)學(xué)，所以容易明白?！边@位女生說：“當(dāng)時(shí)我看到你這句話，我心里當(dāng)時(shí)就放輕松了，我就不是覺得很困惑了?！蹦敲茨且荒杲K她順利通過考試，成為中國(guó)科學(xué)院的研究生。她說：“曹老師，我非常感謝你?！蔽矣X得我的有一句話曾經(jīng)影響過一個(gè)人，我也非常榮幸啊。

這里面我們大家看到的這些公式是大學(xué)教科書中的常見內(nèi)容。當(dāng)今中國(guó)民眾知識(shí)水平不斷提升，我特別希望的是未來大家在火車或餐桌上閑聊時(shí)，能隨手在餐巾紙上寫幾個(gè)公式——這樣我們的聊天可能會(huì)更具科學(xué)性。

說一說我這個(gè)PPT的一個(gè)特點(diǎn)，每年都會(huì)強(qiáng)調(diào)說它充滿了外文這個(gè)問題。我想說的是什么呢？就是我們要強(qiáng)調(diào)知識(shí)的原始表達(dá)，因?yàn)橄喈?dāng)多的知識(shí)在我們的課本里面有一些翻譯或理解上的誤解，其實(shí)應(yīng)該說對(duì)人影響是非常大的。

那么，我這個(gè)PPT的一個(gè)重要特點(diǎn)，待會(huì)大家應(yīng)該注意到，每到關(guān)鍵點(diǎn)我都會(huì)把原始文獻(xiàn)給出來。這樣做的目的是方便我們的學(xué)習(xí)者以及做教師的朋友們，能夠去方便地獲取原始文獻(xiàn)。

同時(shí)，我想向大家表明我說的這些內(nèi)容，我確實(shí)是研究過原始文獻(xiàn)的，不是瞎說的。

特別地，我一直也在強(qiáng)調(diào)，不管我們是學(xué)數(shù)學(xué)的、學(xué)物理的，其實(shí)都要注重語言的學(xué)習(xí)。從預(yù)言保護(hù)的角度來說，我有這樣的觀念：你貢獻(xiàn)了文化，你就守護(hù)了母語。

大家可能也注意到了，其實(shí)在今天，隨著我們國(guó)家變得富強(qiáng)起來，我們的漢語在世界范圍內(nèi)，實(shí)際上現(xiàn)在已經(jīng)在深刻的影響其他語言了。大家還記得說“你行你上，You can you up?” 現(xiàn)在已經(jīng)成了標(biāo)準(zhǔn)英語了。我覺得這個(gè)是對(duì)我這句話的一個(gè)支撐吧。

好，那么今年的原子物理PPT比較少，就是220頁。

我講座完了以后，我們物理所的研究生會(huì)把它整理好發(fā)在物理所的公眾號(hào)上。如果各位學(xué)物理的和教物理的老師，大家覺得這個(gè)PPT有什么可取之處的話，你拿去隨便用。

我們只希望它能夠起到拋磚引玉的效果，也是向社會(huì)表明，在我們腳底下這個(gè)不大的院落里面，我們學(xué)物理、研物理、教物理——都是認(rèn)真的。

好，現(xiàn)在我們進(jìn)入正題。

02

引言

“原子”概念至關(guān)重要。據(jù)說曾有這樣一個(gè)問題，說假如世界經(jīng)歷一場(chǎng)大的災(zāi)難，什么都只允許你給后代留一句話，那么只用少數(shù)的幾個(gè)字，又包含很多信息的陳述該是什么？

著名物理學(xué)家費(fèi)曼回答是說，要告訴我們的后代的內(nèi)容應(yīng)該是這么一句話：所有東西都是原子構(gòu)成的。

大家可能覺得這句話好有道理，但其實(shí)我們注意到孤零零的一句話，實(shí)際上是不包含信息的，所以說我希望的是大家聽完了我今天的講座以后，返回頭來你再看看關(guān)于這樣一句話，你腦子里面再見到這句話的時(shí)候，它浮現(xiàn)出的內(nèi)容就不一樣了。

我一直強(qiáng)調(diào)物理學(xué)科的整體特性，像相對(duì)論、規(guī)范場(chǎng)論、經(jīng)典力學(xué)、熱力學(xué)這些都是原理性的學(xué)問。而我們的原子物理和量子力學(xué)、電動(dòng)力學(xué)一樣，它是構(gòu)造性的學(xué)問。

而且它還特別有特點(diǎn)是什么？

首先原子物理的歷史是非常久遠(yuǎn)的，應(yīng)該說差不多和人類文明是同步的。還有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是原子物理的發(fā)展過程中催生了量子力學(xué)。這一點(diǎn)是我們?cè)诮毯蛯W(xué)量子力學(xué)原子物理時(shí)候沒被充分強(qiáng)調(diào)的。

那么，關(guān)于原子物理的內(nèi)容，大家看一看，這是我列出的，在我們學(xué)完原子物理時(shí)應(yīng)該熟悉的人物，而且還有遺漏，大家可以想象一下原子物理內(nèi)容之多。

這里面有一些特別著名的人物，你都是要知道的，比方說德謨克利特，像卡文迪許、道爾頓，法拉第，提出元素周期表的門捷列夫，當(dāng)然還有盧瑟福與波爾，最重要的是后面這兩個(gè)用黃色字體標(biāo)出的內(nèi)容寫的是索墨菲和波恩。

這兩位和他們的弟子們，很多是他們的共同弟子們一起建立了近代的原子物理和量子力學(xué)。我可以負(fù)責(zé)任的說，各位如果熟讀了這兩位的著作，你大概就能把原子物理和量子力學(xué)都學(xué)會(huì)了。

我們可以看一看這三位留下的一些著作，第一位是盧瑟福，我待會(huì)兒會(huì)細(xì)講。第二位是波恩，第三位是索默菲，他們的撰寫了很多關(guān)于原子物理包括量子力學(xué)的著作，這兩位確實(shí)是大家，他們一邊工作著，一邊把工作整理發(fā)表，當(dāng)年他們發(fā)表的論文動(dòng)輒都是90多頁，像薛定諤發(fā)表的量子力學(xué)那篇論文是140頁。

所以說讀懂他們的論文和著作實(shí)際上是一個(gè)非常好的學(xué)習(xí)途徑。當(dāng)然波恩和索默菲這兩位的著作都有英文版，所以大家可以找英文版進(jìn)行閱讀，那像是索默菲還是一位非常著名的老師，他有一系列的理論物理教程，這些著作我們國(guó)內(nèi)應(yīng)該都引進(jìn)來了，所以說大家可以系統(tǒng)性的學(xué)習(xí)一下。

考慮到部分聽眾耐心有限或有些小朋友年齡較小，所以說我們集中在一頁內(nèi)先把整個(gè)原子物理講完。我們這是這是一頁紙的原子物理。

大概有什么內(nèi)容呢？

就是從一開始，人們認(rèn)為物質(zhì)是由簡(jiǎn)單的元素組成的，這有元素說，而物質(zhì)又是可分的，分到不能分，所以那個(gè)東西叫atom。Atom在希臘語中就是叫不可分。漢語曾經(jīng)有人翻譯過叫莫破塵。就是不能造破再分裂的塵土。

那么，你給不同不可分的原子安上不同的性質(zhì)。比方說，它有不同的重量，帶著不同的鉤子（原子和原子之間相互鍵合的部分），就能夠互相結(jié)合。它就能解釋物質(zhì)的變化。

那么接下來，化學(xué)家又發(fā)現(xiàn)世界上的元素很多種類，等發(fā)現(xiàn)到差不多50來種的元素的時(shí)候，人們突然發(fā)現(xiàn)這些元素之間好像有某種親戚關(guān)系，有一定的規(guī)律，所以就想去編這個(gè)元素周期表了。

然后在研究化學(xué)反應(yīng)的時(shí)候，人們會(huì)發(fā)現(xiàn)原子具有不同的化學(xué)價(jià)，在英文里它就是用value來描述，就是原子有不同的價(jià)碼。所以，在這個(gè)基礎(chǔ)上發(fā)展出化學(xué)價(jià)理論。然后，人們又從對(duì)氣體的研究過程中注意到了，在相同體積內(nèi)，分子數(shù)相同。

等到人們對(duì)氣體放電有了一定的研究，并在放電氣體的研究過程中發(fā)現(xiàn)了電子，這個(gè)原子的概念就失效了。因?yàn)樵颖疽馐遣豢煞?，結(jié)果從原子里面弄出電子來了。

人們又發(fā)現(xiàn)電這個(gè)東西本身有最小單位，也具有原子性，因此研究就轉(zhuǎn)向了原子結(jié)構(gòu)的研究。于是出現(xiàn)了很多原子模型，比方說拉莫的原子模型，雷娜的原子模型和湯姆遜的原子模型。那么人們發(fā)現(xiàn)原子不僅可破，而且原子核里面時(shí)不時(shí)自己跑出來的東西，這就是原子的放射性。

1909年漢斯·蓋革與恩斯特·馬斯登在盧瑟福的指導(dǎo)下，在利用原子放射出來的粒子，比方說阿爾法粒子，對(duì)著其他物質(zhì)進(jìn)行轟擊的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)原子的質(zhì)量和正電荷是集中在中間一點(diǎn)點(diǎn)的非常集中的地方的，就好像原子就像一個(gè)棗似的，它有核。于是就有了原子的核式結(jié)構(gòu)模型，中間集中正電荷的地方現(xiàn)在我們叫原子核。

那么另外有一點(diǎn)，原子自己還發(fā)光。原子自己發(fā)光就會(huì)揭露出它自己的秘密。玻爾提出了一個(gè)模型，電子在原子中分立的軌道之間運(yùn)動(dòng)，波爾模型解釋了氫光譜，帶出了一個(gè)整數(shù)，這就有了量子數(shù)的概念。在提出了量子數(shù)的概念，在波爾提出的圓軌道的基礎(chǔ)上，威爾遜和索莫菲把它拓展到橢圓軌道，就有了第二量子數(shù)。

但是你會(huì)發(fā)現(xiàn)原子在磁場(chǎng)下、電場(chǎng)下的發(fā)光，那個(gè)譜線就像孫悟空似的，會(huì)1變2或者1變3，它會(huì)分裂。為了解釋這個(gè)分裂，人們又提出了空間量子化，這就引出了第三個(gè)量子數(shù)。

那么第三個(gè)量子數(shù)還是不夠的，因?yàn)樵釉诖艌?chǎng)里的發(fā)光叫塞曼效應(yīng)，它會(huì)分成塞曼效應(yīng)和反常塞曼效應(yīng)。反常塞曼效應(yīng)一直很難研究，最后包括原子的殼層理論，就是說原子外面的電子不是胡亂一團(tuán)的，它是分成一層層的，從塞曼效應(yīng)、殼層理論這些內(nèi)容里，人們不得不提出了電子有自旋的概念。電子自旋，我們非常簡(jiǎn)單的理解就是，電子自己轉(zhuǎn)動(dòng)，一開始用的詞就叫spin rotation。這就湊齊了4個(gè)量子數(shù)。

人們注意到原子的行為要有專門的力學(xué)來描述，1919年索莫菲提出了超力學(xué)的概念。1924年波恩提出了原子力學(xué)的概念。到1924年中，6月13號(hào)那天波恩創(chuàng)造了一個(gè)詞叫量子力學(xué)。有了量子力學(xué)，有了波恩他們發(fā)展的矩陣力學(xué)，1926年的薛定諤方程，1927年的泡利方程，1928年的狄拉克的相對(duì)論量子力學(xué)方程，我們就能理解原子里面電子的行為。

然后，根據(jù)構(gòu)造原理，原子外面的電子就好像住在不同價(jià)碼的房子里面，這個(gè)叫能級(jí)。你順著低能級(jí)到高能級(jí)排列，那個(gè)排列方式就能理解元素周期表了。

同時(shí)，用原子核里面跑出來的阿爾法粒子轟擊別的原子核，轟擊出了質(zhì)子和中子。所以到1932年發(fā)現(xiàn)原子核不是固定單元，而是由質(zhì)子和中子組成。

于是到了1930年代，人類關(guān)于原子的認(rèn)識(shí)就有了今天大家腦子里的圖像：原子由核外電子和原子核組成，原子核由和電子數(shù)目相同的質(zhì)子，以及比質(zhì)子數(shù)略多一些的中子組成。電子在原子核外面繞著做不同的軌道運(yùn)動(dòng)。

如果大家能復(fù)述一遍剛才內(nèi)容，在飯桌上和火車上就可以聊原子物理了。

那么我自己學(xué)原子物理的時(shí)候非常困惑，比方說LS耦合、選擇定則，我以為這些理論是出現(xiàn)在量子力學(xué)之前，后來才發(fā)現(xiàn)其實(shí)這些內(nèi)容是出現(xiàn)在量子力學(xué)被提出來之后。最要命的是沒人告訴我這玩意兒哪來的。更要命的是不告訴我這些東西有相當(dāng)?shù)膹?fù)雜性和有限的正確性，也就是說不是特別嚴(yán)格成立的。我心說，當(dāng)年你稍微告訴我它不是嚴(yán)格成立的，我也不那么困惑了。

我們都知道描述原子里的電子用四個(gè)量子數(shù)，但從1913年波爾引入第一個(gè)量子數(shù)開始，到有四個(gè)量子數(shù)，中間的思想過程怎么回事，四個(gè)量子數(shù)之間什么關(guān)系，它們和經(jīng)典力學(xué)的正則變換、哈密頓雅可比方程、絕熱不變性什么關(guān)系，沒人告訴我。

我學(xué)習(xí)時(shí)非常困惑，其中一個(gè)是原子物理書里關(guān)于電子按能級(jí)排列的洪特定則。1984年我在中國(guó)科技大學(xué)學(xué)原子物理時(shí)學(xué)到洪特定則，我不知道洪特是誰，書上怎么寫我就怎么背，期末考試過了就扔到腦后了。這是1984年冬天的事情。結(jié)果1997年4月1日，請(qǐng)記住那天4月1號(hào)。我在德國(guó)凱澤斯勞滕大學(xué)下班時(shí)，電梯旁邊貼了一個(gè)訃告說洪特教授昨天去世了，享年101歲。我當(dāng)時(shí)就驚訝壞了，天吶，我十幾年前在我們的課本里學(xué)的這個(gè)人，他竟然是一個(gè)活生生的物理學(xué)家，而且是住在我工作不遠(yuǎn)的地方。

那一刻，我那個(gè)驚訝是什么呢？我感慨的是：原來在人家那里那么高大上的物理就是生活的日常。我想如果我們上大學(xué)學(xué)的是李老伯原理、孫二娘方程、王大娘符號(hào)，可能原子物理量子力學(xué)就比較容易學(xué)了。最重要的是孩子對(duì)“長(zhǎng)大當(dāng)科學(xué)家”會(huì)有真切實(shí)感。我請(qǐng)大家注意，我們經(jīng)常問一個(gè)孩子長(zhǎng)大你干什么？他說我長(zhǎng)大要當(dāng)藝術(shù)家，我要當(dāng)科學(xué)家，但其實(shí)孩子說這句話的時(shí)候，他是沒有任何感覺的。

我甚至覺得，就我本人來說，當(dāng)我讀完博士的時(shí)候，我甚至都沒有一個(gè)當(dāng)科學(xué)家的感覺是什么。這一點(diǎn)應(yīng)該說耽誤了我們很多少年的成長(zhǎng)。

好，我們現(xiàn)在正式進(jìn)入原子物理的講解過程，請(qǐng)大家把自己調(diào)到懵懂狀態(tài)。因?yàn)榇蠹铱赡芨髯杂胁簧贉?zhǔn)備知識(shí)，很多人甚至頭腦里已經(jīng)裝了很多關(guān)于原子物理的圖像。現(xiàn)在不管你有什么多高的水平，請(qǐng)調(diào)到懵懂的狀態(tài)，我們從頭看人類是怎么獲得了原子物理的知識(shí)的。

03

元素說

從一開始，人們從朦朧狀態(tài)醒來，看到世間有很多事物，結(jié)果某一天有個(gè)圣人說，世界應(yīng)該是簡(jiǎn)單的。那么在古希臘公元前六七世紀(jì)的時(shí)候，有人說這個(gè)元素的主元素是水，還有人說這個(gè)宇宙的主元素是氣。

那么元素是什么意思呢？元素在希臘語用的是stoikheion，待會(huì)兒我們會(huì)注意到這個(gè)詞，英語來自拉丁語element。大家記住，Element就是四個(gè)字母的組成，所以說它叫element，是LMNT。這是element，它表示是一個(gè)元素。很有意思，古希臘人恩培多克勒認(rèn)為，宇宙的四個(gè)基本元素是火氣水土。你看，這和東方的佛教說法，四大元素地火水風(fēng)其實(shí)是一回事兒。說這四種不同的元素可以用不同的比例結(jié)合。

那么他們?cè)趺唇Y(jié)合呢？結(jié)合就像我們?nèi)祟惿鐣?huì)里面，大家組成不同的小團(tuán)體一樣，唯一的作用力就是喜歡和討厭，也挺直白的。

那么元素的區(qū)別是什么呢？元素區(qū)別在于它們的形式。元素所有的特征是冷熱這兩種特征和干濕這兩種特征的組合。那四種組合，大家可以看，其實(shí)都是對(duì)我們?nèi)粘Ｉ罾锼龅降奈镔|(zhì)性質(zhì)的一個(gè)提煉，沒有多大內(nèi)容。

但是很有意思的是，這四種元素在一個(gè)陶罐里面就能說清楚。

大家想象一下：從前我們生活在野外，地上都是土。下雨了有水，土就變成泥。變成泥后在上面架柴火烤雞翅，烤完后發(fā)現(xiàn)土變硬了還不滲水。所以說把爛泥糊成容器形狀拿火一烤，竟然能盛糧食盛水，人類就可以住在離水源稍遠(yuǎn)的地方，人類就有了文明。人類的第一個(gè)文明是陶器時(shí)代。

有一天一個(gè)小姑娘淘氣，拿陶罐打水。大家知道拿陶罐打水時(shí)罐口斜著能把水灌滿。但這次小姑娘把罐口垂直水面往下按，想灌滿罐子里的水，卻發(fā)現(xiàn)無論如何用力都不可能灌滿，因?yàn)樯厦嬗胁糠炙M(jìn)不去，從而證實(shí)世界上還有氣的存在。

這個(gè)陶罐故事解釋了在我們的這個(gè)世俗生活中的四種元素?？墒翘а圻€有天上。那么天上的物質(zhì)是什么？不知道。既然地上是4種元素，天上我們就管它叫第五種元素，Quinta Essentia，拉丁語的第五存在?，F(xiàn)在我們動(dòng)輒翻譯成精華素是胡說八道，第五存在就很準(zhǔn)確?；蛘哂昧硪粋€(gè)名字叫以太，這個(gè)詞在化學(xué)里面的化學(xué)乙醚也是這個(gè)詞，指輕飄飄的物質(zhì)。佛教用語里叫阿卡沙。地上的世界是四種元素，天上的世界是輕飄飄的第五存在。

元素說在其他地方還有支撐：幾何學(xué)中，用任意四邊形做地磚可以把平面鋪滿，因此三角形可以是平面的元素——任意三角形都能鋪滿平面。當(dāng)然任意平行四邊形、正六邊形及15種不規(guī)則五邊形也能當(dāng)平面元素，正五邊形除外。固體元素就更多。

開普勒《天體運(yùn)行論》用不同立體幾何體構(gòu)造宇宙模型。這本書叫Harmony，我們隨便翻譯成“和諧”不對(duì)，應(yīng)是“精巧裝配”，教你怎么用幾何拼裝宇宙。

由此理解西方（尤其古希臘）重視幾何學(xué)的原因：幾何學(xué)與元素（elements）、原子都有關(guān)。著名的《Elements of Geometry》漢語譯成“幾何原本”是誤解——當(dāng)年老師念“幾何原本”，我還疑惑難道有“幾何抄本”？后來明白應(yīng)是“幾何原子”：幾何最重要的原子是三角形，所以初中數(shù)學(xué)先學(xué)三角形。

當(dāng)年我在課堂說“簡(jiǎn)單三角形不簡(jiǎn)單”，僅已知幾何心就有四萬多個(gè)（當(dāng)時(shí)數(shù)據(jù)），遭人嘲笑。其實(shí)但凡學(xué)點(diǎn)幾何就知道三角形內(nèi)容極豐富。再?gòu)?qiáng)調(diào)：是“幾何原子”不是“幾何原本”。

希臘元素說受駁斥，如吉爾伯特認(rèn)為：若上天創(chuàng)造宇宙，最初只創(chuàng)造大地和老天，哪有什么四種元素？我覺得他說對(duì)了——上蒼最重要的是創(chuàng)造人類腳下的大地，神奇的是這片土地竟包含1-94號(hào)所有元素。

誒！這個(gè)在宇宙里面不同星球里面，這個(gè)可能是比較稀罕的一個(gè)事情。大家也就明白了，為什么我們?nèi)祟惸軜?gòu)造出元素周期表了，那就因?yàn)榇蟮厣暇?strong>1~94號(hào)元素一樣不缺。

所以說，我甚至想啊，如果我們大家不能從原子物理的角度去了解大地，我們可能都對(duì)不起蓋亞（大地女神）。我們的這個(gè)大地女神蓋亞這個(gè)詞就引出一個(gè)新的詞geo。我們按這個(gè)音譯就直接翻譯成幾何了，它是大地之母，所以說geometry的本質(zhì)實(shí)際上是大地測(cè)量學(xué)，怎么用原子把大地覆蓋出來，這樣一門學(xué)問。

04

古代原子論

好，那么物質(zhì)有這四種元素，那物質(zhì)本身呢，感覺好像是可以分的，因?yàn)樘焐显撇世镉杏?，可雨掉下來可以變成一滴一滴的，田野里那個(gè)塵土，可以將它變得更小，你使勁搓呢，它可能變得更小。

那么這就有一個(gè)問題，就是說我使勁搓它到底能小到什么時(shí)候，小到什么程度。有人可能覺得，小到一定程度你就不能再切了，于是乎產(chǎn)生了詞tomos，再也不能切了。我們漢語說莫破塵，對(duì)物質(zhì)來說，這種atom就是物質(zhì)原子，我們還不太好了解，因?yàn)樘。俏覀兛春暧^世界里一些不可破的東西，莫破塵有哪些，比方說到河里釣魚，看一群魚過來，每條魚就是一個(gè)atom。你不能釣上來半截兒對(duì)不對(duì)，所以一條魚是atom。大家看漢字，漢字特別美妙的地方在哪兒？就是我們漢字嚴(yán)格的是一個(gè)全同原子的結(jié)構(gòu)，學(xué)寫字最重要的是什么？你要把字寫到同樣大小的方格里面，再談練什么體。所以是atom。

那么晶體也有自己的atom。大家注意到這是一塊晶體，晶體摔碎后變成許多不同形狀，但它小到一定程度時(shí)，可能再也不能保持大塊形狀了，這時(shí)候就來到它幾何最小的體積形狀上，這就是幾何意義上的原子，學(xué)過固體物理的人都知道，叫它原胞或者單胞。

那么數(shù)字也有原子，比方說2、3、5、7、11、13，這些數(shù)就是數(shù)的原子，因?yàn)樗袛?shù)都可以認(rèn)為由這些數(shù)互相乘積得到。非常有意思。

那么古希臘的原子論，給我們留下不少，看這段特別頭疼，有這些人，我就不具體說了，大體上人們會(huì)提到留基伯和德謨克利特兩位，據(jù)說兩人是師生關(guān)系。

他們認(rèn)為，事物最后是由物理上不可再切的atom構(gòu)成。而且這個(gè)atom一直在運(yùn)動(dòng)中有無窮多種，atom有什么區(qū)別呢？atom就是個(gè)幾何存在，區(qū)別就在于大小。

他們甚至認(rèn)為，世界上不能光有原子，原子中間還留有空位，原子填到空的地方就是原子運(yùn)動(dòng)，直觀上可能挺合理。此外他們認(rèn)為，原子有些之間可能互相鎖定，大家看最右邊圖片，里面不同元素可以互相鎖在一起，形成比較固化整體。那么他認(rèn)為，原子可能本身互鎖，甚至可能長(zhǎng)鉤子。長(zhǎng)了鉤子的原子互相就能勾在一起，形成物質(zhì)。

而且原子在一起老是撞來撞去，像河里的水似的，會(huì)形成漩渦。你會(huì)注意到，不管西方還是中國(guó)智慧里，始終有漩渦vortex問題，大家如果研究流體的、天文的或超導(dǎo)的，會(huì)發(fā)現(xiàn)里面老有個(gè)概念，vortex，我就不細(xì)講了，因?yàn)関ortex概念可說貫穿我們流體力學(xué)和電磁學(xué)發(fā)展史。

好，德謨克利特確實(shí)是提出atom詞的人。他認(rèn)為，事物由原子組成。原子本身不包括空，但原子間應(yīng)該有空。

那么到伊壁鳩魯呢？他對(duì)原子認(rèn)識(shí)又往前一步，認(rèn)為原子不光有大小，還可以有別的性質(zhì)，比方說有重量，因?yàn)榇蠹抑?，原子?gòu)成物質(zhì)，物質(zhì)宏觀世界有重量是吧？所以說他認(rèn)為還有重量。他認(rèn)為原子不停運(yùn)動(dòng)，但他提出一個(gè)重要詞：不停隨機(jī)的運(yùn)動(dòng)。運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)轉(zhuǎn)向，而且很多原子作用到人身體上，我們能感覺到存在對(duì)吧，比方用粉塵撒身上，可能就感覺到啊這概念非常有意思。就是大量原子運(yùn)動(dòng)讓我們宏觀上能感知。

1827年，一位醫(yī)生，布朗，觀察到，在液體表面放一些花粉時(shí)，你能看見原子看不見的運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)花粉做你能看見的運(yùn)動(dòng)。請(qǐng)大家記住，愛因斯坦同志靠研究布朗運(yùn)動(dòng)成名，不是研究相對(duì)論量子力學(xué)，請(qǐng)一定記住，他利用最重要概念是什么？就是這種顆粒被原子撞擊的大顆粒，大顆粒平均動(dòng)能應(yīng)等于看不見原子的平均動(dòng)能。掌握這一點(diǎn)，你研究布朗運(yùn)動(dòng)就能像愛因斯坦一樣成名。那么，我們給大家看我有個(gè)小短視頻，你看水上面撒了點(diǎn)小花粉。待會(huì)兒它能運(yùn)動(dòng)起來。很神奇。就是我看到這段特別感慨，愛因斯坦大家老說1905年成名，你讀讀他1903、1904年論文就知道人家成名有道理，這些特別簡(jiǎn)單現(xiàn)象里，人家就能看很深。

那么盧克萊修認(rèn)為原子不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，說你其實(shí)我們小時(shí)候都看到家里房子塵土飛揚(yáng)。陽光照進(jìn)房子塵土飛揚(yáng)，你就能看見小顆粒亂動(dòng)，看見灰塵互相碰撞不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。所以說，盧克萊修說，看看陽光射入黑暗的房間，可以看見灰塵在所有的方向上相互追逐。這可見的灰塵的運(yùn)動(dòng)，不過就是撞擊灰塵之不可見原子的更復(fù)雜運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

哎呀，這句話你看多么具有科學(xué)內(nèi)容。前一句就是后來的丁達(dá)爾現(xiàn)象，后一句就是后來的布朗運(yùn)動(dòng)。

那么，盧克萊修進(jìn)一步就是說拓展了這個(gè)原子論。明確地說，這個(gè)原子可能是帶刺兒的，可能長(zhǎng)得像樹枝似的，它們互相纏繞、互相抓住，就形成了不同的物質(zhì)。這個(gè)我覺得可能也是來自大自然的啟發(fā)。我們很多人家鄉(xiāng)都應(yīng)該有這個(gè)東西叫蒼耳，人或兔子從那走過以后都會(huì)沾一身，它們互相之間也會(huì)粘到一起去。

這個(gè)關(guān)于原子論，不光是西方的智者有，其實(shí)東方的智者也都早注意到。比方說印度甚至更早，印度在公元前6世紀(jì)，迦那陀就認(rèn)為存在“阿努”，所謂的原子不能再分，并且明確地說它們不再能夠賦予尺度。這是最重要的，不光是物理上不可分，而是當(dāng)你遇到了一個(gè)不可分的時(shí)候，實(shí)際上你已經(jīng)無法度量它的尺度、它的大小了，這一點(diǎn)的重要非常重要。就當(dāng)我們的物理研究進(jìn)入到一個(gè)時(shí)間或空間的極限尺度上的時(shí)候，請(qǐng)記住，你要同步發(fā)展如何度量的學(xué)問，因?yàn)槟悴恢廊绾味攘克?/p>

我覺得這一點(diǎn)可能沒引起重視，而這位印度的智者，當(dāng)年對(duì)物質(zhì)的認(rèn)識(shí)應(yīng)該很深入。因?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候的印度語里面就出現(xiàn)了兩個(gè)原子湊成了一小堆兒、三原子湊成了一小堆兒這樣的一些詞，就是兩原子分子、三原子分子，在古印度的文獻(xiàn)里就已經(jīng)有了。

那么在我們中國(guó)也有，《中庸》里就是說當(dāng)我們談?wù)撔〉臅r(shí)候，小到一定程度是什么樣，到最最小就是“莫能破”，那就是 atoms。

那么 atom 這個(gè)詞，是一位英國(guó)的傳教士為我們翻譯“阿湯姆”用的是我們漢語《中庸》里的“莫破塵”。結(jié)果難以想象當(dāng)年的西方人能對(duì)我們中國(guó)的古文獻(xiàn)掌握得那么好。到1897年這一年，是電子被發(fā)現(xiàn)的時(shí)候，一位叫虞和親的學(xué)者正式把 atom 的漢譯定義為“原子”。也就是說，在我們中國(guó)1897年的時(shí)候，我們這個(gè)原子的學(xué)問是傳到我們中國(guó)了。

這一段總結(jié)一下，就是說跨度一兩千年、也許來自不同文明的古代原子論，內(nèi)容很多。有很多思想的閃光點(diǎn)，當(dāng)然也有很多不正確的地方，因?yàn)楫吘故亲钤嫉乃枷?。比方說，就關(guān)于“存在=原子+原子之間這個(gè)空”，這個(gè)就引起了爭(zhēng)論。就是有人認(rèn)為，那就是原子，原子，你要談?wù)撛泳褪钦務(wù)撛?，沒有什么中間還有空的問題。

有人就走兩個(gè)極端。像牛頓最后就干脆認(rèn)為宇宙從一開始就存在著絕對(duì)的空，我們往里面又塞了原子。還有人認(rèn)為，像萊布尼茲就認(rèn)為根本不存在原子之間的空，那個(gè)空就是原子之間的空間關(guān)系。反正這一概念我們一時(shí)半時(shí)也扯不清，有很多的書，今天我們就不講了。

我們大家知道就行了：古代就認(rèn)為原子僅僅是球狀的原子在一起堆積，它就能夠形成物質(zhì)。沒想到這么簡(jiǎn)單的一個(gè)模型，就是球加上中間有點(diǎn)空隙的堆積，實(shí)際上真的就能夠堆積出我們的物質(zhì)的不同結(jié)構(gòu)。這個(gè)大家學(xué)固體物理都知道。將來用這個(gè)球、兩個(gè)球中間插個(gè)棍兒的那樣一個(gè)叫球棍模型，就能堆出所有固體的對(duì)稱性。

我這里寫了一個(gè)“17、230”，大家學(xué)固體物理都知道這指的是二維物質(zhì)的空間群和三維物質(zhì)的空間群的數(shù)目。二維空間群只有17種，也就是說我們?cè)诨ú忌嫌』?，只要是在花布上印花樣，它永遠(yuǎn)最多只有17種花樣。而這一點(diǎn)在我們的老祖宗對(duì)這個(gè)事情認(rèn)識(shí)得非?？帷Ｔ谡憬瓕幉ㄌ煲婚w，它那個(gè)窗欞就充分表現(xiàn)出了二維晶格的空間群性質(zhì)，是非常了不起的。

用球不僅是堆出一般的物質(zhì)，甚至在1611年，偉大的開普勒就試圖用球堆積出六角雪花的形狀來研究這個(gè)問題。他在堆積過程中發(fā)現(xiàn)總是有五邊形的空，將來會(huì)引出所謂的準(zhǔn)晶研究，所以說你看開普勒是非常了不起的。當(dāng)然等到1910年前后，我們研究固體的導(dǎo)熱、研究固體的導(dǎo)電的時(shí)候，玻恩和朗德甚至提出了正四面體原子和正方體原子的概念。其實(shí)說什么呢？其實(shí)就是固體的幾何的原子，這我們學(xué)固體物理就知道了，不講了。我們往下。

盧克萊修認(rèn)為物質(zhì)是由帶鉤子原子組成的，這個(gè)概念后來就被科學(xué)家接受，并且發(fā)揚(yáng)光大。到19世紀(jì)初，英國(guó)化學(xué)家道爾頓也明確提出了 Hooked atom，就是帶鉤子的原子模型。這樣的一個(gè)模型，等到19世紀(jì)初的時(shí)候，這個(gè)原子帶鉤子互相能粘在一起、勾在一起的模型就慢慢變得更科學(xué)了。

05

關(guān)于元素/原子的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)

一個(gè)化學(xué)家叫路易斯，在1916年提出的價(jià)鍵理論，就是原子有幾價(jià)、離子有幾價(jià)，互相怎么結(jié)合的理論。這個(gè)路易斯非常了不起，他1926年還給我們?cè)炝艘粋€(gè)詞叫“光子”。這位化學(xué)家是非常懂物理的一個(gè)化學(xué)家。等到1928年的時(shí)候，鮑林又提出了共價(jià)共振成鍵理論。1931年提出了軌道雜化理論。我們?cè)谝话愕钠胀ɑ瘜W(xué)書里都會(huì)看到這些詞，好像覺得這些概念很好理解的時(shí)候，請(qǐng)大家記住，這兩個(gè)理論可是出現(xiàn)在量子力學(xué)之后。

而鮑林就是到德國(guó)的慕尼黑，到索末菲名下留學(xué)，回來感嘆他來晚了的一個(gè)人。因?yàn)樗麃硗砹?，他就把量子力學(xué)用來描寫化學(xué)，于是才有了這些軌道雜化理論和量子化學(xué)。所以說請(qǐng)大家記住，你要想從量子的角度理解化學(xué)，你最好還是要跟鮑林先學(xué)一遍量子力學(xué)，然后回頭再說。

好，關(guān)于元素的再進(jìn)一步認(rèn)識(shí)我們看，天下只有4種元素，這事兒肯定不對(duì)。
因?yàn)槟銈兇鍍旱耐粮舯诘拇宓耐了灰粯?。空氣肯定也不是元素，因?yàn)槟惆芽諝饧訅豪鋮s以后，一會(huì)兒形成一種液體，一會(huì)兒形成一種液體，說明空氣里面有好多不同的東西，空氣不是元素。

水也不是元素。因?yàn)榭ㄎ牡显S有一次把氫氣和氧氣混合物充到玻璃管里面，兩邊加電極，以研究放電的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在兩電極通上電以后，中間是氫氣和氧氣的混合物，結(jié)果玻璃管里面怎么有水珠了。也就是說這兩個(gè)電極之間的氫氣和氧氣變成水了。

后來有人把電極插到這個(gè)水溶液里面，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)電極旁邊冒泡泡，冒的泡泡性質(zhì)還不一樣，水還變成了兩種氣體。那說明水也不是元素。水既然在電解的情況下變成了兩種氣體，其中一種氣體是氧，于是拉瓦錫就給出了水的定義。

水是什么呢？水是水所生的那種氣體的氧化物。是不是有點(diǎn)繞。所以說那種“水所生的氣體”就叫 hydrogen。我們現(xiàn)在隨便就把它翻譯成氫氣，不對(duì)，就是“水生”的。Hydrogen 就是“水生的”。水生的那個(gè)東西的氧化物，那就是水。

所以說到底是什么元素呢？波義耳定義元素說，混合物由其構(gòu)成，又最終分解成它的那種原初的簡(jiǎn)單物，那就叫元素。大家想一下，其實(shí)這定義跟沒定義一樣。那說明什么呢？說明當(dāng)我們把概念推到極限程度的時(shí)候，我們實(shí)際上是沒法定義的。定義的體系大家記住它永遠(yuǎn)是一個(gè)循環(huán)定義。

我們的大地是非常神奇的。大地有很多元素，而且很多元素用一種非?？蓯鄣男问阶屇阕⒁獾?。大家看，黃金、白銀、黑炭。黑炭你要不喜歡，它還有兄弟白炭，白炭俗名叫金剛石。然后還有黃硫，黃硫名字叫硫磺，我們管它叫硫磺，實(shí)際上就是黃硫。這些東西都是我們這土里就有的，或者火山口里就有的現(xiàn)成東西。我覺得它們單純得讓人很想擁有，所以說它們是 element。請(qǐng)記住，element 表示它很單純。

對(duì)于這個(gè)認(rèn)識(shí)，有一個(gè)偉大的物理學(xué)家、化學(xué)家，就是法國(guó)人拉瓦錫。拉瓦錫被稱為近代化學(xué)之父，而且他是世界上不多的幾個(gè)懂化學(xué)的人。因?yàn)槭裁茨?？他認(rèn)為化學(xué)的元素列表中必須包括光和熱。我覺得這一點(diǎn)認(rèn)識(shí)非常重要。尤其我覺得我們中學(xué)老師教化學(xué)的時(shí)候一定要記住：當(dāng)你談?wù)摶瘜W(xué)反應(yīng)的時(shí)候，里面的重要角色日光和熱你是不能忽略的。像他這么聰明的人不可能只是個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)家。1791年他做出了一個(gè)對(duì)世界最重要的影響，就是發(fā)起了一個(gè)度量體系委員會(huì)。就是說我們的科學(xué)發(fā)展到今天，對(duì)各種物理量的測(cè)量要構(gòu)造出一個(gè)科學(xué)的體系來。這一套就是今天我們國(guó)家也采用、國(guó)際上采用的叫 metric system。我們漢語隨便把它翻譯成“米制”，這是個(gè)非常糟糕的翻譯，不對(duì)。metric system 是一套度量系統(tǒng)，是一套關(guān)于很多物理量的度量系統(tǒng)，它不是什么“米制”，而是一個(gè)度量的系統(tǒng)。

拉瓦錫注意到什么呢？拉瓦錫注意到了化學(xué)反應(yīng)的守恒律。也就是說 A 物質(zhì)加 B 物質(zhì)生成 C 物質(zhì)，你不能偷工減料，最后質(zhì)量應(yīng)該相等。很多人會(huì)覺得這跟熱機(jī)的能量守恒一樣，太簡(jiǎn)單了。

但是請(qǐng)記住，這一類物理定律一定是有兩個(gè)定律。所以說如果你單看這一個(gè)能量守恒和質(zhì)量守恒，你會(huì)覺得它好像沒有意思，那是因?yàn)槟銢]看到第二層。當(dāng)你能同時(shí)看出第二層那個(gè)定律的時(shí)候，你就知道它的意義了。第二層定律是什么呢？法國(guó)人普魯斯特認(rèn)識(shí)到 A+B 這種物質(zhì)反應(yīng)是有確定比例的。就是說不是隨便幾斤的 A 都能和幾斤的 B 反應(yīng)，它們之間是有比例的。

拉瓦錫后來發(fā)現(xiàn)可能是多重比例。你像 A+B 的 1:1 生成 C，那 A+2B 的 1:2 可能生成另一種物質(zhì) D。但是我記得我見過一種說法，說拉瓦錫注意到反應(yīng)物、生成物的質(zhì)量比不是很多的大數(shù)，而且始終是簡(jiǎn)單的數(shù)。比方說氫加氧，反應(yīng)的質(zhì)量數(shù)一定是 1:8:9，都是小整數(shù)。因此他推測(cè)原子下面再往下一層次一定有相同質(zhì)量的構(gòu)成單元。也就是說那時(shí)候他們就注意到這個(gè)世界上可能存在原子核里面還可能存在東西。就像栗子似的，外面帶刺兒不好弄，但你看它那樣子，你猜它里面有果實(shí)。

1815年英國(guó)化學(xué)家普勞特又注意到原子重量大概都是氫原子重量的整數(shù)倍，因此提出一個(gè)觀點(diǎn)，說氫原子可能是唯一的基本粒子，別的原子可能就是幾個(gè)不同的氫原子湊一堆兒。一湊三個(gè)一堆，五個(gè)一堆，八個(gè)一堆，就得到不同原子。這個(gè)觀點(diǎn)僅僅從重量角度來說可能有道理。

但是很快有人就注意到它可能不成立。為什么呢？因?yàn)橛职l(fā)現(xiàn)一種綠油油的東西，它的元素符號(hào)是 Cl，我們漢語把它翻譯成“氯”，那個(gè)詞的希臘語意思就是綠色的意思。如果你把氯氣凍成液體的時(shí)候，就那油乎乎的，你還真讓你知道什么叫綠油油。這個(gè)氯，根據(jù)化學(xué)家測(cè)量的原子量是多少呢？是35.45。你看它討厭不討厭，它正好就在兩個(gè)整數(shù)中間。它要是 28.9 你可以認(rèn)為它差不多是 30，它要是 58.1 你可能覺得它差不多是 58?？墒撬们刹磺墒?35.5 左右，你怎么能認(rèn)為它是氫原子簡(jiǎn)單構(gòu)成的。

所以說這個(gè)位置留下了一個(gè)大化學(xué)問題。大家看研究科學(xué)問題的時(shí)候，有時(shí)候這種東西會(huì)啟發(fā)你說這地方有大問題，待會(huì)兒我們會(huì)回到這個(gè)問題來。

同期一些科學(xué)后發(fā)國(guó)家，比如俄國(guó)也有一些科學(xué)家出現(xiàn)，也認(rèn)識(shí)到了化學(xué)反應(yīng)的質(zhì)量守恒。羅蒙諾索夫也提出來一個(gè)很重要的觀點(diǎn)：熱是一種運(yùn)動(dòng)形式，而不是存在專門的熱值或熱流體。

我為什么這地方專門提羅蒙諾索夫這個(gè)名字呢？這是因?yàn)槲疫@一輩子知道的第一個(gè)外國(guó)科學(xué)家的名字。那一年我上初二的時(shí)候，我們的語文老師不知道從哪讀了一個(gè)羅蒙諾索夫的故事，就不停給我們講這個(gè)外國(guó)大科學(xué)家的故事。結(jié)果講來講去就一個(gè)羅蒙諾索夫，好可憐。

關(guān)于原子和元素的認(rèn)識(shí)，到這個(gè)地方我給大家打一個(gè)可能不太恰當(dāng)?shù)谋扔?，但是我相信大家可能比較熟悉。我們觀察一下花生。你看花生外觀就有不同樣子，你可以說 1、2、3、4、5 分出五種不同，相當(dāng)于五種不同元素。可是這種不同到底怎么造成的你也不知道。當(dāng)你把外殼打破的時(shí)候，你發(fā)現(xiàn)它里面底下的原因了，是因?yàn)樗?1 個(gè)米、2 個(gè)米、3 個(gè)米、4 個(gè)米、5 個(gè)米。所以說如果花生是一種物質(zhì)體系，你會(huì)發(fā)現(xiàn)它的原子元素就有 5 種。這 5 種元素怎么造成的呢？是由它底下的那一個(gè)組成單元構(gòu)成的，就是簡(jiǎn)單的 1 個(gè)、2 個(gè)、3 個(gè)、4 個(gè)、5 個(gè)這樣。

待會(huì)我們會(huì)看我們的原子區(qū)別就是由它底下的組成單元構(gòu)成的。將來我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它還有兩種不同的組成單元，一種帶電，一種不帶電。我們待會(huì)兒再說。

到了18世紀(jì)，人們認(rèn)識(shí)到了宇宙中有很多不同的元素。不同元素的原子之間可以組合形成不同的物質(zhì)。這些物質(zhì)你把它攪拌、混合、加熱、分解，反正你可以弄出很多新物質(zhì)?；瘜W(xué)家玩兒得特別開心，越開心弄出的物質(zhì)越多。這時(shí)候就有很重要的需求，請(qǐng)大家記住，回答這個(gè)需求是大科學(xué)家的工作。是什么呢？發(fā)展符號(hào)體系。這就是我們學(xué)化學(xué)的時(shí)候所謂的元素符號(hào)的問題。請(qǐng)記住，發(fā)展符號(hào)是大科學(xué)家能做出的事情。

歷史上有一個(gè)很重要的發(fā)展符號(hào)的過程，就是萊布尼茲為微積分發(fā)展出了一套很好的符號(hào)。我們即把他對(duì)微積分那些數(shù)學(xué)的貢獻(xiàn)拋開不談，他僅僅是給我們發(fā)展出了那么漂亮的微積分符號(hào)，就足以確定他對(duì)科學(xué)、對(duì)數(shù)學(xué)做出了重大貢獻(xiàn)?，F(xiàn)在我們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到了這個(gè)世界上有很多不同的元素，這些元素對(duì)應(yīng)的物質(zhì)之間性質(zhì)有什么規(guī)律、有什么關(guān)聯(lián)，這就是我們研究化學(xué)要研究的。

到這時(shí)候英國(guó)出來了一個(gè)大化學(xué)家，道爾頓。道爾頓明確指出同一種元素的原子，就是它的組成小顆粒，“莫破塵” atoms 是不可分辨的。就是說它在各種嚴(yán)格意義上是相等的。

不像我們社會(huì)構(gòu)成人，人雖然在法律意義上等價(jià)，但我們看人還有高矮胖瘦、丑俊之分。但是元素的原子是嚴(yán)格不可分辨的?；衔锸怯刹煌氐脑影凑展潭ㄕ麛?shù)比組合而成的。

很重要一點(diǎn)是：道爾頓除了發(fā)展出“原子必須帶鉤子可以化合”以外，他已經(jīng)開始畫圖了，去構(gòu)造原子符號(hào)和分子符號(hào)。你看就是畫這種圖，當(dāng)然現(xiàn)在我們都認(rèn)不出來了。

他那時(shí)候已經(jīng)有所謂的氫、氧、氮、碳、硫、磷這種元素相對(duì)于氫原子的原子重量，并且認(rèn)識(shí)到元素之間可以用不同的原子比產(chǎn)生新的物質(zhì)。這個(gè)時(shí)候原子除了剛才說的有大小、有鉤子，還有另外一個(gè)非常重要的物理概念：有重量，原子重，或者叫原子的相對(duì)質(zhì)量，我們現(xiàn)在就說原子相對(duì)質(zhì)量。

現(xiàn)在我們國(guó)家的化學(xué)書、可能國(guó)際上化學(xué)書都有一種定義，說原子質(zhì)量是以碳原子質(zhì)量的 1/12 為單位的。這是一個(gè)非常莫名其妙的做法，因?yàn)闉榱俗屇憷斫鉃槭裁催x碳的 1/12 作為單位，我估計(jì)兩節(jié)課說不清楚。原則上它一定是用氫原子核、氫的同位素原子核一個(gè)質(zhì)子為單位。

19世紀(jì)初那一段時(shí)間里，像法國(guó)的科學(xué)家蓋-呂薩克也注意到，不僅是化學(xué)反應(yīng)里固體物質(zhì)的質(zhì)量滿足一定比例，如果是氣體的話，氣體的體積也滿足一定比例。比方說兩個(gè)體積的氫氣加一個(gè)體積的氧氣，就能得到兩個(gè)體積的水蒸氣。
這種體積的嚴(yán)格比例，再想到它們是原子按一定比例構(gòu)成化合物，最后就讓人們得出一個(gè)結(jié)論：在相同的壓力和溫度條件下，任何氣體的同樣體積里分子數(shù)是一樣的。這個(gè)認(rèn)識(shí)是很酷的一件事情。

這里面就引出了所謂的阿伏伽德羅常數(shù)的問題。那時(shí)候人們認(rèn)識(shí)到單位體積的氣體分子數(shù)很大，但要確切測(cè)量很難。

后來有很多不同的方法，特別注意又是愛因斯坦。愛因斯坦就在這個(gè)方向做了工作，而且得出了非常重要的公式，就是粘滯系數(shù)和擴(kuò)散率之間的關(guān)系，這是非常了不起的愛因斯坦關(guān)系。都在愛因斯坦1905年成名之前，所以說愛因斯坦真是隨便哪個(gè)工作都足以確定一個(gè)人作為大科學(xué)家的地位。

行了，大家知道有這么一個(gè)阿伏伽德羅常數(shù)就行了?，F(xiàn)在確定這個(gè)常數(shù)的方法比較先進(jìn)，就是用X射線先決定晶體結(jié)構(gòu)，然后測(cè)量到一個(gè)原子占據(jù)的具體體積大小，反過來就能算出來單位體積里面到底有多少個(gè)原子。以前有密里根的方法，據(jù)說還有麥克斯韋方法，但是我在這篇論文里沒找著。

現(xiàn)在我們看，我們這個(gè)大地，1 到 94 號(hào)元素都不缺，但是以單質(zhì)元素出現(xiàn)的物質(zhì)還是少數(shù)。我剛才提到了金、銀、銅、碳、硫這種物質(zhì)。還有一些是大自然里有一些物質(zhì)，你稍微倒騰一下它就能夠出現(xiàn)。比方說你從山里采了黑炭，結(jié)果一不注意里面混了一些紅色的石頭，然后炭一燒，最后剩下來很硬的東西，人們發(fā)現(xiàn)了鐵。你煅燒的時(shí)候有一些白的粉末，粉末這么一燒得出一種金屬叫鋅。請(qǐng)大家記住，世界上天然的有銅。當(dāng)人類發(fā)現(xiàn)了金屬鋅的時(shí)候，這個(gè)世界就突飛猛進(jìn)了。我相信可能很多人沒注意到鋅的重要性。大家想象一下，當(dāng)你有了自然界現(xiàn)成的銅，你有一個(gè)銅片，稍微冶煉一下你得到了鋅片。你把一個(gè)銅片加上一個(gè)鋅片，杵到一個(gè)番茄或者一個(gè)東西上面，竟然出現(xiàn)了電池，人類有了電池。

有了電以后，人類研究就加速了。后來人們發(fā)現(xiàn)了更多元素以后，當(dāng)個(gè)體足夠多，人們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它們中間或遠(yuǎn)或近有不同的親戚關(guān)系。這就有一個(gè)關(guān)于親戚關(guān)系的研究，我們管它叫親和性 affinity。其實(shí) affinity 這個(gè)詞，不管在化學(xué)、在物理、在數(shù)學(xué)里面，到處都有研究點(diǎn)之間那種親戚關(guān)系。我們漢語隨便把 affine geometry 翻譯成仿射數(shù)學(xué)或仿射幾何，什么意思天知道。它其實(shí)就是研究親戚關(guān)系。到1817年的時(shí)候有人就嘗試給元素分類。到1843年的時(shí)候有人都能列出55種元素了。有了50多種元素，人們就注意到有一些規(guī)律。

比方說在鋰、鈉、鉀這三個(gè)元素中間的間隔可能應(yīng)該是差八個(gè)元素。注意到這個(gè)八度律的周期性的時(shí)候，就預(yù)言了一個(gè)元素，germanium，我們把它翻譯成“鍺”。這個(gè)詞實(shí)際上就是日耳曼，就是德國(guó)，Germany。還有一個(gè)叫麥耶的人根據(jù)化學(xué)價(jià)態(tài)為28種元素做了分類。這些分類都不是特別成功。因?yàn)槲覀冎烙迷淤|(zhì)量也好，或者用價(jià)態(tài)也好，它作為序數(shù)參數(shù)都不合格，因?yàn)樗鼈?strong>不具有唯一性。所以元素周期表的親戚關(guān)系就亂，一時(shí)半時(shí)看不出來。

這時(shí)候就出現(xiàn)了一個(gè)偉大的年輕人，門捷列夫。雖然胡子那么長(zhǎng)，但其實(shí)很年輕。1861年的時(shí)候他才27歲。門捷列夫做出了一件偉大的事情：他要為俄羅斯民族的少年寫出一本最好的無機(jī)化學(xué)書。為了寫出更好的無機(jī)化學(xué)書，他就要詳細(xì)研究那些已知道物質(zhì)、已知道元素的化學(xué)性質(zhì)，整天在那擺弄，排不來排不去。結(jié)果有一天，這也是標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)于科學(xué)創(chuàng)造的敘事，說有一天在夢(mèng)中突然靈光一現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)它們之間可以排成一個(gè)表。于是就有了元素周期表。

門捷列夫的元素周期表列有多少種元素呢？63種。根據(jù)周期性，他認(rèn)為如果周期性成立，那么空缺的地方確實(shí)有存在。空缺的地方他用了“eka”之類的標(biāo)示，意思就是說數(shù)列往下1位、往下2位、往下3位的地方，說那個(gè)地方還少一個(gè)東西。所以這一個(gè)元素周期表為什么成立、為什么偉大呢？就是因?yàn)槿绻@個(gè)表成立，那么空缺位置上的東西后來都被找出來了。所以我們一般都把元素周期表歸功于門捷列夫。

大家有空可以讀讀門捷列夫那篇論文，那篇論文是用德語發(fā)表的。請(qǐng)記住那時(shí)候俄國(guó)人也挺可憐，不能用俄語發(fā)表，還是用德語發(fā)表，但是現(xiàn)在都有英文翻譯了。

到1895年的時(shí)候，元素周期表到92位的時(shí)候已經(jīng)只缺5位了，也就是說已經(jīng)有了87種元素了，這個(gè)進(jìn)步非常大。

這張列表里面我們看，后來用原子量作為 X 軸，用原子序數(shù)表示的原子量、第一離化能和所有的離子半徑。我們會(huì)看到原子量隨著原子序數(shù)的變化幾乎是一條線，是等斜率的一條線。所以原子量本身看不出什么元素周期表來。
但是大家看第一離化能和所謂的原子半徑，你明顯能看出來某些值是局域的最大值。那是什么呢？就是那一類特別神奇的元素，叫惰性元素。氦、氖、氬、氪、氙、氡這6種元素。有它們作為標(biāo)記、作為極端的存在的時(shí)候，另外一個(gè)極端就是堿金屬：鋰、鈉、鉀、銣、銫。這兩頭確定了以后，中間少了哪一個(gè)你就敢確信它真的存在，這就是為什么在很早的時(shí)候我們知道的元素?cái)?shù)不夠多，但我們堅(jiān)信存在周期結(jié)構(gòu)的原因。

我們這個(gè)元素周期表的認(rèn)識(shí)為什么能成功呢？我總結(jié)這么幾條。

首先，元素周期表就是各種元素本身真的是一個(gè)有機(jī)的整體，當(dāng)它足夠多的時(shí)候，它們的親戚關(guān)系就表現(xiàn)出來了。

第二條，因?yàn)橛袎A金屬和惰性氣體這種極端性質(zhì)作為參照點(diǎn)。這些參照點(diǎn)被確立的時(shí)候，中間少幾根也就沒什么事兒了。當(dāng)然后來了，隨著我們?cè)咏Y(jié)構(gòu)的更多細(xì)節(jié)被揭示出來，我們認(rèn)識(shí)到原子核中的質(zhì)子數(shù)具有確定性，而且可以作為序數(shù)，1、2、3、4、5、6、7 這樣排列原子。我們還知道它的化學(xué)性質(zhì)是由原子最外層電子的性質(zhì)所決定的。

因此我們可以得出結(jié)論。這個(gè)結(jié)論等我們學(xué)了更多才知道什么意思。我提前說：元素周期就是原子中不同數(shù)目電子的排布。這個(gè)排布有點(diǎn)像你單位那么多人到底誰該領(lǐng)哪一級(jí)工資。關(guān)于原子核電荷所表現(xiàn)出來的規(guī)則性，如果你僅僅靠學(xué)化學(xué)你是理解不了的。等你學(xué)會(huì)了量子力學(xué)，量子力學(xué)會(huì)告訴我們?cè)刂芷诒頌槭裁撮L(zhǎng)那個(gè)樣子。這是我們接下來要學(xué)的內(nèi)容。

06

電、電子與原子研究

現(xiàn)在剛才都是一些關(guān)于原子粗略的研究。我們還有另外一個(gè)重要的研究原子的工具，就是電。很早我們知道摩擦生電。到1831年的時(shí)候，法拉第給我們演示了感應(yīng)生電，因此我們就不再需要僅靠化學(xué)電池供電，而可以有持續(xù)供電。這就使得用電來研究電本身、用電來研究物質(zhì)性質(zhì)成為可能。有了電的研究以后，首先一個(gè)重要的認(rèn)識(shí)是：竟然發(fā)現(xiàn)電這個(gè)東西本身是有最小單位的，表現(xiàn)出原子性或量子性。電子就成了原子的一個(gè)組成部分。但是電子因?yàn)榭梢员浑妬聿倏?，那就好玩多了。所以電子的有趣度、知識(shí)風(fēng)度，我甚至覺得它雖然是原子的組成部分，但它的有趣度或者知識(shí)風(fēng)度高于原子。關(guān)于原子本身，你寫一本書也不夠。我是前前兩年在物理學(xué)會(huì)專場(chǎng)有專門一個(gè)報(bào)告，叫《電子的獨(dú)特物理角色》，就專門講電子的，網(wǎng)上有。

電怎么影響到我們化學(xué)或者元素研究呢？

1800年時(shí)候有人把電池插到水里，就發(fā)現(xiàn)電極上冒泡泡。法拉第因?yàn)橛谐掷m(xù)獲得電的可能了，把電插到液體里去研究液體的導(dǎo)電行為，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電極上會(huì)附著出新物質(zhì)。于是出現(xiàn)了電解。這就是電解化學(xué)。

電解這個(gè)東西非常重要，請(qǐng)大家記住，今天我們中國(guó)之所以在某些稀土甚至一些金屬材料的產(chǎn)出上能夠掌控全世界的供應(yīng)，就是因?yàn)槲覀冇凶銐蚨嗟碾?。我們用電去電解鋁，電解鋁捎帶就產(chǎn)生一點(diǎn)鎵，那就很了不起。這是法拉第率先發(fā)現(xiàn)的，并且造了“電解”這個(gè)詞。

“電解”這個(gè)詞立馬就引出了一個(gè)了不起的科學(xué)問題。為什么呢？我們都知道，如果你用電電解的量很少的時(shí)候，你說電解出的物質(zhì) M 正比于用電量，這個(gè)事情沒問題吧。我通上電，電解出一點(diǎn)點(diǎn)物質(zhì)的時(shí)候，電解出的物質(zhì)正比于用電量，這沒問題吧。可惜這個(gè)M 正比于 Q，如果你要會(huì)看公式的話，這個(gè)公式里面內(nèi)容可就事關(guān)重大了。因?yàn)?M 正比于 Q，但是 M 是有原子性的，也就是說 M 是要分成某些小單位的整數(shù)倍的。M 既然分成某些單位的小整數(shù)倍，M 和 Q 有正比，那說明什么？說明這個(gè)電荷的Q，也是某個(gè)最小單位的整數(shù)倍。也就是說，電也有原子，電也有量子，電有最小的單元的問題。

所以說到了1881年，德國(guó)科學(xué)家亥姆霍茲在倫敦化學(xué)學(xué)會(huì)的一個(gè)報(bào)告里就說得很清楚了。我們把關(guān)于化學(xué)的物質(zhì)具有原子的這個(gè)觀察事實(shí)，移植到電過程，結(jié)合剛才法拉第的電解定律，就能得出一個(gè)出乎意料的結(jié)論，是什么呢？

就是電，不管是正是負(fù)，也可以分成確定的基本小量。所謂的基本小量，elementare Quanta。

你看，Quanta這個(gè)詞出來了，就是德語小量的意思。那后來我們慢慢就把它演化成叫量子，請(qǐng)大家記住，我要強(qiáng)調(diào)一遍，量子這個(gè)詞不是普朗克先用的，1881年在這里（使用到），1872年的時(shí)候，伯玻爾茲曼就把動(dòng)能量子化了。1893年前后，維恩的論文里到處飛的都是Quanta。所以說，我們不要信有人說的普朗克先給我們?cè)斓腝uanta，這個(gè)詞不是那么回事。

其行為恰可以看作電的原子，原子就是不可分割的小部分。就是說電是具有最小單位，最小顆粒。

當(dāng)然了，這個(gè)也就是瞎猜，還沒找著證據(jù)。雖然沒找著證據(jù)，現(xiàn)在也得給他造個(gè)名字。用什么名字呢？

1874年的時(shí)候，Stoney給它起個(gè)名字叫electrine。1891年，又改成了Electron。但是Electron這個(gè)詞本身，以前希臘語里就有，以前希臘語里就有，琥珀?；蛘呓疸y、合金這種特別軟的東西就叫electron啊，現(xiàn)在重新造這個(gè)詞，Electron意思是說是導(dǎo)電的導(dǎo)電子或者導(dǎo)電的最小單元，是電的一個(gè)最小單位，造了electron這個(gè)詞。

如果老是在液體里研究，那就老說不清楚。這時(shí)候另一個(gè)方向的研究是什么呢？

請(qǐng)大家記住啊，有一個(gè)偉大的發(fā)明——打氣筒。打氣筒發(fā)明引起了馬堡的實(shí)驗(yàn)，8匹大馬拉不開一個(gè)抽真空的，直徑1米的球殼。

但是那個(gè)泵實(shí)際上抽氣抽不了多干凈，到了二百年后，1855年，有人發(fā)明了水銀泵，把一個(gè)東西灌滿水銀，再（將水銀）從一個(gè)小口倒出來，里面剩下空間的氣壓足夠小。

所以說呢，有人就用（水銀泵）來研究這個(gè)氣體的導(dǎo)電行為。空氣已經(jīng)不導(dǎo)電了，如果氣體越稀薄，那肯定導(dǎo)電性質(zhì)越差。大家都這么想，結(jié)果一做實(shí)驗(yàn)就發(fā)現(xiàn)不是那么回事，為什么呢？

我們知道大氣壓是760mm高水銀柱。當(dāng)氣壓達(dá)到差不多一個(gè)毫米水銀柱的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)這個(gè)氣體不光導(dǎo)電，它還發(fā)光。當(dāng)氣壓小于0.1個(gè)毫米水銀柱的時(shí)候，氣體不發(fā)光了，全黑了，只剩導(dǎo)電了。但是如果氣壓再小，氣體倒是不發(fā)光。但是能看到影子。

什么叫能看到影子？就是你在兩個(gè)電極之間放一個(gè)東西，那個(gè)東西能產(chǎn)生產(chǎn)生陰影。那影子從哪來呢？我們平常在陽光下，都知道影子是因?yàn)橛袞|西照著它才有影子，對(duì)不對(duì)？比如現(xiàn)在我就有個(gè)影子。

一開始，光線是從陰極射出?，F(xiàn)在（陰極）光沒有了，可是還有影子，說明可能有別的射線。那射線從哪來呢？射線從陰極來，于是我們給它起個(gè)名字叫陰極射線。但陰極射線是什么東西呢？咱也不知道，反正就起名叫陰極射線。

現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)了陰極射線，待會(huì)兒還會(huì)發(fā)現(xiàn)X射線，還會(huì)發(fā)現(xiàn)溝道射線。溝道射線是什么？溝道射線就是把陰極掏個(gè)眼兒看，后面也跑出來一個(gè)光柱，加上電極呢，它也能受電場(chǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)溝道效應(yīng)里面跑出來東西有好多種，但是跑的最快的或者最輕的那個(gè)東西，就排第一的叫proton，我們漢語把它翻譯成質(zhì)子，其實(shí)人家字面意思就是第一個(gè)。

所以說，在電場(chǎng)的作用下，你原子結(jié)構(gòu)可能就會(huì)攤開。那么這個(gè)順序是什么呢？順序就是玻璃管里面加上一個(gè)電極。一開始?xì)鈮捍?，加大電壓?huì)產(chǎn)生火花。氣壓再小就會(huì)（產(chǎn)生）電弧，氣壓再小，就（會(huì)產(chǎn)生）輝光，到?jīng)]有光的時(shí)候，會(huì)發(fā)現(xiàn)雖然沒有光了，中間塞個(gè)東西，還有影子，就是一個(gè)火花。電弧，輝光，到?jīng)]有光也有影子的一個(gè)過程，讓我們發(fā)現(xiàn)了什么東西呢？發(fā)現(xiàn)了陰極射線，這時(shí)候還不叫電子，請(qǐng)大家記住，這時(shí)候叫陰極射線。

但是這個(gè)陰極射線，很有意思，加電場(chǎng)能偏轉(zhuǎn)。怎么知道它偏轉(zhuǎn)呢？因?yàn)橛白悠D(zhuǎn)，在那個(gè)阻擋物前面加電場(chǎng)的時(shí)候，你發(fā)現(xiàn)那個(gè)影子偏了。所以說知道這個(gè)陰極射線是受電場(chǎng)的影響，它對(duì)電有響應(yīng)。

加磁場(chǎng)呢，那也偏轉(zhuǎn)。從磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)來判斷說它可能是帶負(fù)電的，有磁場(chǎng)，有電場(chǎng)下影響它偏轉(zhuǎn)。

1890年的時(shí)候呢，Stoney覺得這個(gè)東西可能應(yīng)該叫電子，就起了個(gè)名字叫電子，有了電子以后，荷蘭人洛倫茲，英國(guó)人拉莫爾就發(fā)展了關(guān)于電子的理論。他們的電子理論里面有些是正確的，但大部分是錯(cuò)的。但是我提醒大家一句，我們相當(dāng)多的書里面是不分對(duì)錯(cuò)就都給拿過來了。

另外一個(gè)英國(guó)的科學(xué)家，J·J·湯姆森在1897年的時(shí)候，去測(cè)量陰極射線的荷質(zhì)比，就是說它受電場(chǎng)或磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，怎么偏轉(zhuǎn)是和荷質(zhì)比，就是說電荷除以質(zhì)量這樣的一個(gè)物理量是有關(guān)系的。他測(cè)量陰極射線的荷質(zhì)比，發(fā)現(xiàn)和光電效應(yīng)中用光從金屬里產(chǎn)生的顆粒荷質(zhì)比竟然差不多。

于是乎菲茨杰拉德就準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)到，這個(gè)東西可能就是Stoney命名的那個(gè)東西，即 電子，所以人們把1897年J·J·湯姆森測(cè)敲定荷質(zhì)比，從而把陰極射線確認(rèn)為電子當(dāng)做電子被發(fā)現(xiàn)的那一年，因此，J·J·湯姆森就被稱為是電子的發(fā)現(xiàn)者。其實(shí)，實(shí)際故事不是（這樣的），早在他之前人們就發(fā)現(xiàn)過電子，只是那時(shí)候它不叫電子，它叫陰極射線。待會(huì)我們知道，還有另外一個(gè)場(chǎng)合，電子叫貝塔射線，還有別的故事。

陰極射線肯定不是原子，因?yàn)樗暮少|(zhì)比比氫原子差很多，差1800多倍，這個(gè)肯定不會(huì)弄錯(cuò)。因此，測(cè)量電子的荷質(zhì)比，或者說測(cè)量質(zhì)子和電子的質(zhì)量比這個(gè)問題，一直是實(shí)驗(yàn)物理的一個(gè)重要研究話題。這個(gè)地方我給大家展示的是1950年的一篇論文，就是確定質(zhì)子和電子的質(zhì)量比，這篇論文只有一句話。請(qǐng)大家記住，這才是好的論文，有話就多說，比方說像索末菲的講原子模型的，就94頁，像這篇文章一句話就完了。

那么，我們知道了陰極射線，而陰極射線封在玻璃管里面。有人就想著，在玻璃管里不方便研究，我怎么能把它引出來？

于是乎呢，有一個(gè)人叫Lenard，發(fā)明了Lenard窗口，在玻璃上敲個(gè)小眼兒，摳?jìng)€(gè)洞，貼上金膜，再用別的物質(zhì)把它力學(xué)加固，能把陰極射線從那個(gè)孔里引出來，那怎么知道它引出來了呢？有一種熒光板，陰極射線打上去，就能看出來有個(gè)亮點(diǎn)。

結(jié)果這位Lenard可能是大老板比較有錢，他把某種熒光材料，一種對(duì)X射線不敏感的熒光板全給買光了。結(jié)果倫琴也想研究這個(gè)東西，也把陰極射線從小孔里引出來，可是這種熒光板買不著了，他就去買另外一種板。沒想到這這種板竟然對(duì)陰極射線打到陽極上，產(chǎn)生的X射線敏感。因?yàn)槟莻€(gè)光很弱，所以說大家想一下，都是大半夜做實(shí)驗(yàn)，還得把實(shí)驗(yàn)室窗簾拉上啊，結(jié)果倫琴教授買的這種感光板呢，不光對(duì)電子束感光，對(duì)X線也感光。結(jié)果在他的裝置和墻上靠著一塊大板之間，他第一次看見了自己的肋骨。大家想這多嚇人，大半夜做實(shí)驗(yàn)看見自己肋骨。

但是這話說給誰去？別人不相信啊，對(duì)不對(duì)？那時(shí)候沒有照相機(jī)可以拍照，也沒有手機(jī)可以拍視頻給別人看。所以說就把他媳婦兒手拉過來，在中間拍了張照片，這就是第一張X光照。

X光能夠留下骨頭的形象，這個(gè)很酷啊，人類對(duì)科學(xué)耍酷，你們都想象不出來到什么地步。20年代的時(shí)候，歐洲甚至是流行用X光拍結(jié)婚照的。X射線被發(fā)現(xiàn)以后，又成了揭示揭示原子的內(nèi)層電子結(jié)構(gòu)的工具。我們研究原子物理的過程得出來的東西，成了研究原子物理的工具，這一步做的好。

差不多到1897年，來自原子里面的電子的身份被確立了。帶正電的溝道射線，也就是正離子也被確認(rèn)了。所以說，整個(gè)原子的概念就徹底坍塌了。

但是坍塌了沒關(guān)系，因?yàn)樵蛹热皇菑?fù)合體，有結(jié)構(gòu)，而且里面有電子，那我們就研究電子，研究原子結(jié)構(gòu)好了。物理學(xué)家活兒更多了，老開心了。

電子是什么樣子，電子在原子里面是怎么存在的，怎么運(yùn)動(dòng)的？這就是大家能夠最先想到的一些研究話題。

電子是什么樣子？1902年有個(gè)電子模型，Abraham提出來的，說電子是個(gè)球形的，而電荷在哪兒呢？電荷在最外層的球殼上均勻分布。就像一個(gè)雞蛋，在最外層雞蛋殼上均勻分布的，就是電子。恰恰就是這個(gè)模型很害人啊，后來讓泡利認(rèn)為，如果電子自轉(zhuǎn)，則線速度要超過光速，就是說電子要轉(zhuǎn)動(dòng)的足夠快，使得它表面上線速度大于光速，它帶著這些電子產(chǎn)生的電子磁距，才能夠測(cè)量到。所以說，泡利否定了電子自旋的概念。

另外呢，這位老兄還提出了一些莫名其妙的說法，比方說，他認(rèn)為電荷停留在物體表面，可以假設(shè)電荷是從無窮遠(yuǎn)處來一點(diǎn)點(diǎn)組裝到這個(gè)電子的表面的。這些電荷從無窮遠(yuǎn)處組裝到電子表面上，最后形成的勢(shì)能應(yīng)該等于電子質(zhì)量m乘上光速c平方。于是乎有什么自能啦，電子半徑啦，這些莫名其妙的說法。這些東西某種意義上應(yīng)該說不對(duì)，但是我們現(xiàn)在許多教科書還不明所以，都一股腦納進(jìn)來了，這些東西應(yīng)該批判的看。

再往前一點(diǎn)，關(guān)于原子的模型，因?yàn)槟菚r(shí)候大家認(rèn)識(shí)到原子真可能存在了，在1828年，就有一個(gè)所謂的費(fèi)希納原子模型。那個(gè)原子模型認(rèn)為，原子物質(zhì)有重的原子，還有一種無重的原子，就是剛才我們提到天上的物質(zhì)——以太。有重的物質(zhì)原子作為核心，沒有質(zhì)量沒重的以太原子是一個(gè)殼層，像雞蛋殼似的，圍繞它組成，那么他們相互之間的作用力是什么呢？是萬有引力。

這樣的一個(gè)模型，就是有重力原子加上以太，通過萬有引力吸引的一個(gè)原子體系，把這些粒子又?jǐn)n到一起，湊成了一種物質(zhì)，這就是費(fèi)希納那時(shí)候的原子模型。但是現(xiàn)在我們有電了，觀念也要改變。

實(shí)際上，就是韋伯這位大物理學(xué)家，他認(rèn)為物質(zhì)應(yīng)該可以參照太陽和行星的關(guān)系。即中間是太陽原子，旁邊是幾乎沒有質(zhì)量的行星原子，他們?cè)谝黄饻惓闪宋镔|(zhì)。但是它們之間的相互作用不是萬有引力，而是電相互作用力。韋伯最偉大的地方在哪兒呢？他告訴我們，在物質(zhì)構(gòu)成這個(gè)問題上，是電力在起作用，不是萬有引力，是電力啊，這個(gè)觀念非常重要。

那么我們現(xiàn)在說的原子的太陽模型是什么時(shí)候提出來的？早在1897年的拉莫的一篇文章里，就有關(guān)于行星模型具體的說法，說每一個(gè)電子，如同天文學(xué)里行星都是個(gè)吸引點(diǎn)，被吸引著構(gòu)成原子。原子是什么呢？原子差不多就是10的-8次方厘米大小的東西，是電子環(huán)繞的像太陽系一樣復(fù)雜存在。甚至呢，他還給出了電子大小差不多是10的-14次方厘米，你會(huì)發(fā)現(xiàn)老先生連數(shù)量級(jí)基本上都是對(duì)的，這就是原子的太陽行星模型的來源。

但是這地方不對(duì)，為什么呢？因?yàn)檎麄€(gè)原子是電中性的，這里面既然有一個(gè)環(huán)繞的到處亂跑的帶負(fù)電的電子，那么這個(gè)原子里面一定應(yīng)該有帶正電的東西，對(duì)吧？否則它整體上不應(yīng)該是電中性的。

于是乎人們就在1897年提出了正電子的概念，也就是說原子里面既然negative electron，說明它應(yīng)該有positive electron，這樣的話，它整體上才是電中性的。我在讀書的時(shí)候，有相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間，都是誤以為在狄拉克的理論出現(xiàn)以后，才有正電子概念的，其實(shí)不對(duì)，1897年就有了。

那么，既然有負(fù)電這個(gè)東西，構(gòu)成原子還要是電中性的，那么原子該長(zhǎng)什么樣子？

Philipp Lenard，剛才我們說把感光板買光了的那位，這位大科學(xué)家還做了一個(gè)很重要的實(shí)驗(yàn)，就是用電子束去轟擊氣體。他發(fā)現(xiàn)電子束稍微快一點(diǎn)兒，根本就不受影響，能穿過去。也就是說，原子幾乎是絕大部分是空曠的，就像一個(gè)人逛街似的，街上是空曠的，你從這頭走到那頭，一點(diǎn)兒都不用偏轉(zhuǎn)。

所以說，既然原子里面大部分地方是空的，同時(shí)要是電中性的，又有帶負(fù)電的電子，那么原子長(zhǎng)什么樣呢？他提出"dynamid"原子模型，每一個(gè)負(fù)電子，都連接著一個(gè)正電子。幾個(gè)正負(fù)電子對(duì)湊在一起構(gòu)成原子，而它們中間大部分地方都是空的。這就是Lenard的原子模型。

1903年。J·J·湯姆孫提出了一個(gè)我們?cè)游锢頃榻B到的模型，叫李子布丁模型。為什么呢？因?yàn)樗櫦暗皆诱w質(zhì)量的問題，對(duì)吧？他認(rèn)為電子差不多就像葡萄干兒。而帶正電部分是蛋糕的主體部分。一大團(tuán)帶正電的蛋糕，上面零星的嵌了一些帶負(fù)電的葡萄干，也就是電子，這就是李子布丁模型。

我不知道英國(guó)的布丁這個(gè)樣子好不好？我總覺得咱們的西瓜模型可能更好一點(diǎn)，是吧？瓜子是帶負(fù)電的電子，嵌在一個(gè)整質(zhì)量的瓜瓤上面，對(duì)吧？我覺得西瓜模型可能更好。

1904年，J·J·湯姆孫他老人家又把這個(gè)模型改了，他認(rèn)為李子布丁模型里，李子是在布丁蛋糕里面的，不合適，因?yàn)槲覀冎览?dāng)時(shí)有個(gè)模型，電子、電荷都在最外層殼上，所以J·J·湯姆孫他改了一下，說原子是一個(gè)均勻的帶正電的球，而帶負(fù)電的電子都分布在最外層表面上。

那么它應(yīng)該是怎么排列呢？排列很簡(jiǎn)單，它們之間排斥的勢(shì)能最小的形狀就是電子的分布，于是乎，這引出了一個(gè)數(shù)學(xué)上的湯姆孫問題模型，不管是不是原子，現(xiàn)在假設(shè)有個(gè)導(dǎo)體球殼上面放上N個(gè)電荷，請(qǐng)問當(dāng)N個(gè)電荷這個(gè)排斥勢(shì)能最小的時(shí)候怎么分布？

這就是一個(gè)純數(shù)學(xué)問題。當(dāng)然，純數(shù)學(xué)問題那是純數(shù)學(xué)的解。但是在這個(gè)樓里面，我和李超榮教授把這樣一個(gè)數(shù)學(xué)問題用簡(jiǎn)單的材料再現(xiàn)了它的花樣，竟然和那個(gè)數(shù)學(xué)解是一模一樣的。并且在這中間，我們做出了斐波那契斜列螺旋的花樣啊，當(dāng)時(shí)，我們還受到了英國(guó)物理學(xué)會(huì)的關(guān)注，給我們做了Series Goes microscopic，說斐波那契序列，也就是說黃金分割第一次走進(jìn)了微觀世界的flash，那時(shí)候只有flash，這個(gè)（發(fā)現(xiàn)）讓我們很榮幸。這篇文章就是當(dāng)年我們?cè)谶@個(gè)樓...