原子长什么样

时代速写1897 年春天，伦敦的一场晚间演讲

1897 年 4 月 30 日，星期五晚上，伦敦皇家研究院的晚间演讲。剑桥卡文迪什实验室的教授 J. J. 汤姆孙向听众宣布：玻璃管里那种能让管壁发出绿色荧光的“阴极射线”，是由一种比氢原子轻得多的带电小粒子组成的¹。

这句话的分量，当时没几个人掂得出来。从古希腊起，“原子”这个词的意思就是“不可分割”。第 11 章讲过，到 19 世纪末，连原子是否真的存在都还有人怀疑。汤姆孙却说，原子里面还有更小的零件。他后来回忆，起初很少有人相信比原子还小的东西存在；一位在场的知名物理学家很久以后告诉他，那天晚上还以为他在开大家的玩笑²。

这一章讲的三十五年，就是物理学家给原子“画像”的过程。原子看不见，摸不着，所以他们只能像盲人摸象一样，用各种东西去打它、照它、加热它，再从打出来的碎片、弹回来的粒子、发出来的光里推断它的模样。画像改了四次：一团嵌着电子的正电“布丁”；一个几乎空荡荡、中间有个极小硬核的空间；一个电子只能待在特定台阶上的量子原子；最后，核里还多出了一种不带电的粒子。

• 1885瑞士巴塞尔的中学数学教师巴耳末，60 岁，找到氢光谱线的数字规律³。
• 1897汤姆孙测出阴极射线粒子的质荷比，宣布原子里有更小的“微粒”，也就是电子^1,2。
• 1904汤姆孙提出正电球里嵌着电子环的原子模型，后人叫它“葡萄干布丁”^2,4。
• 1909曼彻斯特的盖革和马斯登发现，少数 α 粒子会被金属片弹回来⁵。
• 1911卢瑟福发表论文：原子的质量和正电荷几乎全部集中在中心极小的地方^6,7。
• 1913密立根发表油滴实验的完整数据；玻尔发表原子三部曲，解释氢光谱；莫塞莱用 X 射线给元素排出原子序数^8,9,10。
• 1914弗兰克和赫兹发现，电子撞汞原子时只能一次交出 4.9 电子伏特的能量^11,12。
• 1915莫塞莱在加里波利阵亡，27 岁¹³。
• 1932查德威克在卡文迪什实验室证明中子存在^14,15。

1897 — 1913原子里的电子：射线、布丁与油滴

阴极射线：波还是粒子

故事要从一根抽掉空气的玻璃管说起。19 世纪中叶，巡回讲科学的人喜欢在台上表演这样的节目：玻璃管两头封进金属电极，抽掉大部分空气，接上高压电，管子里就会亮起一团团漂亮的光。美国物理联合会（AIP）的物理史中心说，这就是霓虹灯的祖先²。1859 年，一位德国物理学家用更好的抽气泵把管子抽得更空，发现从阴极（接负极的那一头）出来的某种东西打到玻璃上，玻璃会发出荧光²。人们把这种看不见的东西叫作“阴极射线”。

它到底是什么？英国的克鲁克斯在管子里竖一个云母做的十字，管子末端的荧光上就出现一个清晰的十字影子，可见它是从阴极出发、沿直线走的¹⁶。再往下就吵起来了。汤姆孙在 1906 年的诺贝尔演讲里回忆，当时有两派：一派主要是英国物理学家，认为它是从阴极高速射出的带负电的粒子；另一派是绝大多数德国物理学家，认为它是以太里的某种振动，也就是一种波¹⁶。

两边都有证据。阴极射线会被磁铁推偏，像带电粒子。可是德国的赫兹让射线穿过两块带电金属板之间的电场，射线并没有像带电粒子那样偏转²。赫兹和他的学生勒纳德还发现，射线能穿过很薄的金属箔，箔后面的玻璃照样发光。一个和气体分子一样大的粒子怎么能穿过金属？这看上去更像波^16,2。另一边，法国的佩兰在 1895 年发现，阴极射线会给收集它的金属筒带去负电^16,2。

1897汤姆孙的三个实验

汤姆孙做了三件事²。

第一件，改进佩兰的实验。他在管子末端放一个带缝的金属筒，连到验电器上。射线射进缝里，验电器测到大量负电；用磁铁把射线弯开，不让它进缝，验电器就几乎不带电。电荷跟着射线走，两者分不开^16,2。

第二件，回答赫兹的电偏转难题。汤姆孙猜，管里残留的一点点气体被射线电离，变成了导体，像一层金属外壳把射线包住，挡掉了外面的电场。他费了很大力气把管子抽到极高的真空，射线果然在电场中偏转了，方向说明它带负电^16,2。他写道，自己看不出有什么办法能避开这个结论：阴极射线是由物质粒子携带的负电荷。接着他追问：这些粒子是什么？是原子、分子，还是物质更细的分割状态²？

第三件，量出这种粒子的“身份证号”。单个粒子的质量和电荷他都没法直接测，但他能测射线在磁场里弯多少、射线携带多少能量，两者合起来就能算出质量和电荷之比，记作 m/e。他换了好几种管子、好几种气体，结果都一样；而且这个比值比带电氢原子的小一千多倍²。这一年 1 月，德国的维歇特也得到了类似的数字²。

质荷比小一千多倍，有两种可能：要么它带的电荷特别大，要么它特别轻。勒纳德测量射线能在气体里穿行多远，推断如果它是粒子，就必须比任何原子都小得多；随后几年，别人独立测出了电荷 e 的大小，确认是“特别轻”²。汤姆孙在诺贝尔演讲里讲到，他还借用了 C. T. R. 威尔逊的发现：在过饱和的空气里，水汽会凝结在带电粒子上形成小水滴。数一数水滴有多少、看它们下落多快，就能估算每个粒子带多少电¹⁶。

汤姆孙把这种粒子叫作“微粒”（corpuscle）。他宣布，阴极射线里是物质的一种新状态，所有化学元素都由同一种东西构成²。“电子”这个词早在 1891 年就由爱尔兰的斯托尼提出，原本指电解实验里的电荷单位，后来才落到汤姆孙的微粒头上²。1906 年，汤姆孙获诺贝尔物理学奖，理由是他在气体导电方面的理论和实验研究¹⁷。他在演讲里说，无论从哪里得来，这种微粒的 e/m 都是同一个常数，所以很自然地应当把它看作构成原子的砖块之一¹⁶。

1904布丁模型

原子既然有电子，就得回答下一个问题：电子在原子里怎么摆？原子整体不带电，所以里面一定还有等量的正电荷。1904 年 3 月，汤姆孙在《哲学杂志》上提出一个模型：一个均匀带正电的球，电子排成一圈圈的环嵌在里面，靠正电的吸引和电子之间的互相排斥保持平衡⁴。他自己没给这个模型画图，因为标题已经把它说完了。后来别人叫它“葡萄干布丁”或“葡萄干蛋糕”^2,4。

这个模型在当时并不幼稚。汤姆孙算出，电子数增加时，环会一层层往外加，每加一层，结构就重复一次，这正好可以拿来解释元素周期表里化学性质的周期性重复⁴。1906 年，他又用光的色散、气体对 X 射线的散射、β 射线的吸收三种完全不同的办法估算原子里的电子数，结论都是：电子数和原子量差不多同一个数量级，而不是原先以为的成千上万个⁴。到 1910 年，用高速电子穿过薄金属片的实验，还证实了这个模型的不少定量预言⁴。

它也有一个汤姆孙自己看到的麻烦。按照麦克斯韦的电磁理论，做圆周运动的电荷会不断辐射电磁波、损失能量。汤姆孙在 1904 年的论文结尾说，电子的速度会因此“非常、非常缓慢地”减小⁴。这个麻烦后面还会回来，而且会变得致命。

1909—1913密立根：一滴油一滴油地称电荷

汤姆孙测的是比值。要知道电子到底多重，还得把电荷 e 单独测准。芝加哥大学的罗伯特·密立根（Robert A. Millikan）快四十岁时选中了这个题目⁸。

他起初沿用汤姆孙那一派的云雾法，和学生贝格曼一起看带电水滴组成的云团在电场里怎样下落。有一次电场加得特别强，云团几乎全散了，只剩几颗电荷恰好合适的小水滴悬在视野里。密立根意识到，盯住一颗液滴测，比测一整团云的平均值好得多。问题是水蒸发得太快。研究生哈维·弗莱彻去药店买了一个香水喷雾器，喷出细细的钟表油雾，从望远镜里看过去，一颗颗油滴在做布朗运动⁸。密立根立刻放下水滴，改用油滴。

装置的核心是两块水平的金属板，板间加上高电压⁸。油雾从上板的一个小孔落进来，一盏弧光灯从侧面照亮，看上去像一颗颗小星星。不加电场时，油滴在重力和空气阻力下匀速下落，由落速可以算出它有多大；加上电场，带电的油滴往上走，由上升速度可以算出它带了多少电。旁边还有一根 X 射线管，可以电离空气，让油滴时不时抓到一个离子，电荷跳一下⁸。每一次跳变的大小，总是同一个最小量的整数倍¹⁸。

约 1910 年，两人有了两项成果：一是电子电荷，二是从油滴的布朗运动得到的另一个常数。当时的规定是，研究生只有作为唯一作者，才能拿发表的论文当博士论文。密立根提出：布朗运动那篇归弗莱彻单独署名，电荷那篇归他自己。弗莱彻有些失望，但接受了。这个安排直到两人都去世后才公开⁸。

1913 年，密立根在《物理评论》上发表了 58 颗油滴的详细数据，给出的不确定度只有 0.2%，比此前最好的测量精确约 15 倍^8,19。1923 年他获诺贝尔物理学奖，理由是他在基本电荷和光电效应方面的工作¹⁸。这 58 颗油滴后来引出一场科学史上著名的争论，本章“误解”一节再讲。

1909 — 1911弹回来的 α 粒子

第 31 章讲过，卢瑟福在 1898 年把铀的辐射分成 α 和 β 两种。到他 1907 年从加拿大的麦吉尔大学转到英国曼彻斯特大学时，他已经怀疑 α 粒子是丢了电子的氦原子，又重又快，带两个单位的正电^20,7。在他手里，α 粒子从研究对象变成了工具：拿它当子弹，去打原子。

数闪光的人

曼彻斯特的主力是德国人汉斯·盖革。他和卢瑟福一起琢磨出两种“看见”单个 α 粒子的办法。一种是电学的，后来演变成盖革计数器；另一种更原始：α 粒子打在涂了硫化锌的小屏上，会闪出一点极微弱的光，人在暗室里用显微镜盯着数²⁰。卢瑟福写道，盖革数起闪光来像个魔鬼，能断断续续数一整夜，心平气和；他自己骂了两分钟就撤了²⁰。

盖革先测 α 粒子穿过金箔等薄片时散开多大角度，结果是小角度的轻微散开。1908 年秋，他推荐了一个 19 岁的本科生欧内斯特·马斯登来帮忙²⁰。据马斯登后来回忆，卢瑟福有一天对他说：看看能不能让 α 粒子直接从金属表面反射回来²⁰。马斯登觉得卢瑟福未必真指望看到什么，这只是他常有的一种直觉，派人去旁边的地盘侦察一下²⁰。

1909八千分之一

盖革和马斯登把装置这样摆：放射源和荧光屏之间隔一块铅板，α 粒子不可能直接飞到屏上；唯一的路线，是先打到一块金属片上，再拐一个大弯飞向屏幕。他们真的在屏上看到了闪光^4,5。金属越重，弹回来的越多：同样条件下，每分钟数到的闪光，金是 67 次，银是 27 次，铝只有 3.4 次⁴。用铂片做反射体时，他们估计大约每 8000 个 α 粒子里有 1 个被反射回来^4,5。

论文里写道：考虑到 α 粒子速度极高、质量很大，一层很薄的金竟能让其中一部分偏转 90° 甚至更多，令人惊讶；要用磁场造成同样的偏转，需要 10⁹ 个绝对单位的巨大磁场^4,20。这篇论文 1909 年 5 月寄出^20,5。

按布丁模型，这不该发生。正电荷均匀地摊在整个原子里，α 粒子穿过一个原子，受到的推力很弱，左右还会抵消一部分。盖革在 1910 年估算，α 粒子每碰一个原子，平均只偏大约 1/200 度；靠许多次小偏转碰巧叠加成一个大角度，概率小到可以忽略⁴。

1911卢瑟福的“带电中心”

卢瑟福没有马上给出答案。他花了一年多时间把散射问题拆开逐项检验，直到 1910—1911 年冬天才想出一个“带电中心”的原子²⁰。1911 年 5 月，论文在《哲学杂志》发表^20,6。

他的推理很简单：要在一次碰撞里把 α 粒子掉个头，原子里必须有一个极强的电场；而要有极强的电场，电荷必须集中在极小的地方。于是他假设，原子几乎全部质量和全部正电荷都集中在中心一个很小的区域里，其余是很大的空间，电子散布其中^6,7。α 粒子从这个中心旁边飞过时，受到的排斥力和距离平方成反比，走出一条双曲线。离中心越近，拐得越狠；正对着撞上去，就原路弹回⁴。

他算出，以他假设的速度（每秒约两万公里）正对一个中心电荷约为 100 的原子飞去的 α 粒子，最近能接近到离中心约 3.4×10⁻¹² 厘米的地方，而原子的半径大约是 10⁻⁸ 厘米⁴。中心比原子小了几千倍还不止。他还从盖革和马斯登的数据推出，金原子的中心电荷大约是 100 个电子电荷⁴。今天知道金的原子序数是 79，这在当时已是很不错的估计。

卢瑟福还给出了三条可以检验的预言：偏转到某个角度的粒子数，应当和箔的厚度成正比，和中心电荷的平方成正比，和 α 粒子速度的四次方成反比²⁰。盖革和马斯登接下来花了两年逐条检验，1912 年用德文、1913 年用英文发表，全部符合²⁰。

下面的演示用的就是卢瑟福的公式。先看核式原子：视野只有 600 飞米宽（1 飞米是 10⁻¹⁵ 米），中心那个点是金核，浅色的线是不同瞄准距离下的一排轨迹。切换到布丁原子，视野要放大到能装下整个原子，正电荷均匀地铺满了它。

把瞄准距离从 200 fm 慢慢拉到 0，看偏转角怎样从几度一路涨到 180°。再切到布丁原子，无论怎样瞄，偏转都只有千分之几度。两种原子对同一颗 α 粒子给出的答案，相差上万倍。盖革和马斯登那八千分之一的“反射”，布丁原子给不出来，核式原子却能自然地给出来。

1911 年的论文还有几处今天读来很谨慎的地方。卢瑟福没有用“核”（nucleus）这个词，只说“中心电荷”；他甚至说，中心电荷是正是负、原子是球形还是像土星那样的圆盘，都不影响他的计算^20,4。他在论文末尾提到日本物理学家长冈半太郎 1904 年设想的“土星模型”，即一个有质量的中心被转动的电子环包围；不过没有证据表明长冈的工作直接影响了卢瑟福⁴。

这个模型起初反响冷淡。卢瑟福在当年秋天的第一届索尔维会议上没有讲它。玻尔后来回忆，那时卢瑟福模型根本没被当真，哪里都没人提⁴。原因不难理解：它有一个比布丁模型严重得多的毛病。

1885 — 1913玻尔：电子只能站在台阶上

一个会塌掉的原子

卢瑟福的原子中心是正电荷，外面的电子要不被吸进去，就只能绕着核转，像行星绕太阳。可是电子带电，绕圈就是在不断改变运动方向，也就是在加速。按麦克斯韦的电磁理论，加速运动的电荷会辐射电磁波，把能量带走⁴。能量越来越少，电子就会螺旋着越转越靠近核。普林斯顿大学的物理学家按经典公式算过：氢原子里的电子从正常轨道一路掉进核里，只需要约 1.6×10⁻¹¹ 秒，不到一百亿分之一秒²¹。

也就是说，按当时最好的物理学，卢瑟福的原子一诞生就会塌掉，宇宙里不该有任何稳定的原子。而且电子掉落时转速连续变化，发出的光也该是连续的一片彩虹。可实际上，原子既稳定，发出的光又是一条条分立的细线。玻尔 1922 年在诺贝尔演讲中说，只用经典电动力学，连“为什么会有尖锐的谱线”都无法理解²²。

1885巴塞尔女子中学的数学老师

这些细线早已被量得很准。第 17 章讲过，本生和基尔霍夫发现每种元素都有自己的光谱指纹，氢在可见光区有四条线：红色的 656 纳米，蓝绿色的 486 纳米，蓝紫色的 434 纳米，紫色的 410 纳米²³。本章标题下那条黑底彩线，画的就是它们。

约翰·巴耳末（Johann Balmer）不是物理学家。他从 1859 年起在巴塞尔一所女子中学教数学，一直教到去世，兴趣是几何³。1885 年，60 岁的他拿到这四条线的波长，像解数字谜一样找规律，找到了一个极简单的式子³：

他用 m = 7 预言了下一条线的位置，巴塞尔大学的一位同事告诉他，这条线已经有人观测到了，位置和预言高度吻合³。他还猜测，把式子里的 4 换成别的整数的平方，会得到氢的其他谱线系，后来也被证实³。可是他说不出为什么。一个原子为什么要按整数的平方来发光？这个问题挂了 28 年。

1912—1913玻尔在曼彻斯特

尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）1885 年生于哥本哈根，1911 年拿到博士学位后先去剑桥汤姆孙那里，1912 年 3 月转到曼彻斯特卢瑟福的实验室^4,24。卢瑟福让他测 α 粒子在铝里的吸收，玻尔发现自己对做实验兴致不大，转向了理论⁴。他对散射实验的意义毫不怀疑，真正让他不安的是原子的稳定性⁴。

玻尔回到丹麦后，把想法一封封寄给卢瑟福。1913 年 1 月他还在信里说，自己的工作根本不涉及光谱频率的计算⁴。转折来自一次闲谈。据他晚年回忆，汉森教授听他讲完，问了一句：那跟光谱公式怎么对得上？玻尔说他会去查一查。他翻开斯塔克的一本书，才看到巴耳末公式⁴。到 3 月，他的稿子里已经有了完整的推导；4 月定稿；7 月，三部曲的第一篇《论原子和分子的构成》刊在《哲学杂志》上，9 月和 11 月又刊出第二、三篇^4,9。

两条“违法”的假设

玻尔的做法是：既然经典物理在原子里失灵，就先承认它失灵，再看最少要改动什么才能对上实验。他提出两条假设⁴：

1. 电子只能在某些特定的轨道上绕核运动，叫作定态。待在定态上，电子不辐射，能量不变。
2. 电子从一个定态跳到另一个定态时，一次放出（或吸收）一份光，这份光的能量正好等于两个定态的能量差，光的频率由这个能量差决定。

他在论文里坦白，这与通常的电动力学观念“明显矛盾”，但为了说明实验事实，似乎是必要的⁴。第二条用到了普朗克常数 h：一份光的能量等于 h 乘以它的频率。这个常数和“一份一份”的光从哪里来，是第 33 章的故事，这里先借来用。

按这两条假设，氢原子里的电子只能有一串分立的能量，像楼梯的台阶：

电子从高台阶跳到低台阶，放出的那份光的能量就是两级之差：

这就是玻尔理论最打动人的地方。巴耳末从数据里定出来的那个常数 364.6 纳米，现在可以由电子的电荷、质量和普朗克常数算出来⁴。落到 n = 2 的是巴耳末那四条可见光线；落到 n = 3 的，是帕邢 1908 年在红外区找到的一组线；落到 n = 1 的，应当在紫外区，那里当时还没人看过。1914 年，莱曼在紫外区观测到了它们^4,22。

依次让 6、5、4、3 级的电子落到第 2 级，光谱条上会亮起和本章开头那条彩线一样的四条线。再试试落到第 1 级：落差一下子大了好几倍，光跑到了紫外区。

反应：质疑、沉默和一颗星

论文还没发表，卢瑟福就写信提出一个疑问：电子从一个定态跳到另一个时，它怎么“决定”要发出什么频率的光？看起来你得假设电子事先就知道自己要停在哪里⁴。这个疑问后来变成了量子力学里一个长久的争论。汤姆孙在 1914 年的公开讲座里讲原子结构，对玻尔只字未提⁴。

说服力来自一组星光。美国天文学家皮克林早年在船尾座 ζ 星的光谱里看到一组谱线，排列很像巴耳末线，大家以为是氢在太空里的某种特殊状态。玻尔指出，这组线属于丢了一个电子的氦：核电荷是 2，外面只剩一个电子，公式里多出一个 4 倍的因子^4,22。曼彻斯特的埃文斯随即用纯氦气在实验室里得到了这组线⁴。英国光谱学家福勒反驳说，实测的比例是 4.0016，不是正好 4；玻尔把核的质量也算进去，得到 4.00163，五位有效数字吻合，福勒当即认输⁴。据派斯的传记，爱因斯坦听说氦光谱的结果后说：这是巨大的成就，玻尔的理论一定是对的⁴。

1913 — 1932三份旁证：撞击、X 射线和中子

1914弗兰克与赫兹：只收 4.9 伏

德国的詹姆斯·弗兰克和古斯塔夫·赫兹做了一个看起来和玻尔无关的实验。他们在一根充了低压汞蒸气的管子里加电压，让电子加速穿过汞原子，测通过的电流。电压升高，电流随着变大；到某个电压，电流突然往下掉；再升，又涨，又掉。相邻两次下降之间，总是隔着 4.9 伏^11,12。

意思是：电子撞上汞原子时，要么几乎不丢能量，像皮球撞墙那样弹开；要么一下子交出 4.9 电子伏特，多一点少一点都不行¹²。汞原子只肯收这么大的一份。这正是玻尔说的台阶：原子的能量不能随便增加，只能从一级跳到另一级。

有意思的是，两人当时自己并不这样看。他们以为测到的是汞原子被撞到电离所需的能量，论文里一个字也没提玻尔的理论；他们做这个实验的最初动机，来自弗兰克多年来对气体中离子运动的研究²⁶。是玻尔先把这个结果和自己的理论联系起来，后来在诺贝尔演讲里把它列为最直接的证实之一：用电子去撞，不能给原子任意多的能量，只能给正好对应两个定态之差的那么多²²。1925 年，两人获诺贝尔物理学奖，理由是发现了电子撞击原子所遵循的定律¹¹。

1913—1914莫塞莱：给元素编号

门捷列夫的周期表是按原子量排的，但有几处别扭。比如钴比镍略重，化学性质却说钴应该排在镍前面¹⁰。表里到底还有多少空位，也没人说得准。

亨利·莫塞莱（Henry Moseley）1910 年到曼彻斯特，起初跟着做放射性，觉得没意思。1912 年秋他转向 X 射线¹⁰。1913 年 8 月到 11 月的几个星期里，他做完了第一批实验：让阴极射线打在不同元素做的靶上，测靶发出的 X 射线的波长。为了省掉每换一个样品就要重新抽一次真空的麻烦，他把几个样品装在一条小“铁轨”上，用线绳一拉，就把下一个拉进电子束里¹⁰。和他合作过的达尔文（就是那位生物学家达尔文的孙子）回忆，莫塞莱是他见过最聪明、最拼命的人，最拿手的本事之一，是知道曼彻斯特凌晨三点去哪里吃饭¹⁰。

结果出奇地整齐。从钙到锌，每往后一个元素，最强那条 X 射线的频率的平方根就增加同样一步¹⁰。莫塞莱写道：原子里有一个基本的量，从一个元素到下一个按规则的台阶增加，这个量只能是中心正核的电荷^10,27。这个整数，就是今天的原子序数。他的公式里还出现了 3/4 这个系数，正是玻尔理论里第 1、2 级台阶之差的比例，两项工作在这里互相印证¹⁰。按原子序数排，钴和镍的顺序问题自然解决了¹⁰。

1913 年 11 月他回到牛津，没有正式职位，自己凑了设备继续做。到 1914 年 4 月，他已测了近 40 种元素，发表了第二篇论文¹⁰。图上从铝到金留出了几个空位，经过他后来手写的修正，一共四个：43、61、72、75 号¹⁰。这四个空位后来一一被填上：72 号铪 1923 年在哥本哈根被找到，75 号铼 1925 年，43 号锝要等到 1937 年用回旋加速器人工制造出来¹⁰。1915 年 1 月 30 日，瑞典化学家阿伦尼乌斯同时提名他诺贝尔化学奖和物理学奖¹⁰。

那时战争已经开始。1914 年 10 月，莫塞莱参加皇家工兵，当了通信军官^13,10。1915 年 8 月 10 日，他在加里波利半岛阵亡，27 岁。常听说他是被土耳其狙击手打死的，研究者指出这没有证据；他死于奥斯曼军队的一次大规模步兵冲锋和密集的机枪火力，遗体一直没有找到¹⁰。他母亲在那天的日记里写：“我的哈里在达达尼尔牺牲了。”¹³ 诺贝尔奖不授予已故者，这次提名也就没有下文¹⁰。他的研究生涯前后只有大约四十个月¹³。

1920—1932查德威克：不带电的那一半

莫塞莱之后，核的电荷清楚了，核的质量却对不上。氦的核电荷是 2，质量却差不多是氢的 4 倍；越重的元素，质量和电荷差得越多。核里除了带正电的东西，还有什么？

1919 年，卢瑟福用 α 粒子打氮，从氮核里打出了快速的氢核，也就是质子，这是人类第一次人为地改变原子核^7,14。同年他接替汤姆孙当了卡文迪什教授⁷。1920 年，他设想核里可能有一种质子和电子紧紧结合成的中性粒子。他说，这种东西外面几乎没有电场，应当能在物质里自由穿行，用光谱很难发现，密封的容器也许都关不住它²⁸。

卢瑟福的学生詹姆斯·查德威克一直惦记着这个设想。他 1913 年去柏林跟盖革工作，一战爆发后被关进鲁勒本的平民拘留营，1919 年才回到卢瑟福身边¹⁴。他自己试过好几次，在放电管里找，在放射性衰变里找，都没有结果²⁸。

线索来自别人的实验。1930 年，德国的博特和贝克尔用 α 粒子打铍，发现铍会放出一种穿透力极强的辐射，大家以为是高能 γ 射线^14,15。1932 年初，巴黎的约里奥—居里夫妇发现，这种辐射能从石蜡里打出高速质子；如果它真是 γ 射线，每个光子的能量得有 5000 万电子伏特才行^15,28。查德威克觉得这说不通，马上用计数器、云室和电离室重做，发现它不只能打出质子，还能把锂、铍、硼、氮的原子核也撞得往后跑²⁸。用碰撞时的动量和能量一算，最合理的解释是：这是一种不带电、质量和质子差不多的粒子^14,28。

1932 年 2 月 17 日，他从卡文迪什寄出一封短信，2 月 27 日刊在《自然》上，题目很克制：《中子可能存在》¹⁵。1935 年，他获诺贝尔物理学奖¹⁴。至此，原子的画像有了今天课本上的轮廓：中心一个由质子和中子组成的核，外面是电子。中子不带电，不怕核的电排斥，可以一直钻进最重的原子核里¹⁴。这件事接下来会怎样改变世界，是第 36 章的故事。

影响它怎么改变了世界

这一章的发现，大多不是为了任何用途做出来的。卢瑟福数闪光、玻尔算台阶时，没有人想过它们能卖钱。但“原子里有什么”一旦被回答，化学、电子工业、照明和天文学都换了地基。

误解炮弹、太阳系和 58 颗油滴

承上启下台阶从哪里来

上一章结尾，伦琴的 X 射线和居里夫妇的镭告诉人们：原子会自己放出东西，原子可以变成别的原子。这一章接着回答“原子里有什么”。三十五年里，画像从一团均匀的布丁，变成一个几乎全空、中间有个硬核的空间，再变成一架电子只能停在台阶上的梯子，最后核里又添上了中子。用到的工具，正是上一章的 α 粒子和 X 射线。

几条线在这里会合。第 17 章的光谱线，第 25 章真空管里看不见的电流，第 11 章关于原子是否存在的争论，第 31 章的放射性，都在 1913 年前后的曼彻斯特收拢到同一张原子图上。

可是玻尔借来了一样他解释不了的东西：普朗克常数 h，以及“光一份一份地放出”这个想法。h 是从哪里来的？为什么能量要一份一份地算？下一章往回倒一点，回到 1900 年前后，看普朗克怎样在研究炉子发光的颜色时被迫引入“能量子”，爱因斯坦又怎样大胆地说光本身就是一颗颗粒子。原子的台阶和光的颗粒，将在第 34 章的量子力学里合成同一个理论。

参考来源本章依据

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