這三大物理發現，撕開了原子內部

來源：科學大院

1808年，道爾頓（John Dalton）在他的《化學哲學新體系》中提出了近代原子論，認爲化學元素由大量微小的、不可再分的原子組成，原子論在當時很好地解釋了化學元素有固定質量比的難題。但直到19世紀末，一百年過去了，原子的觀念非但沒有被廣泛接受，還成了科學家們爭論不休的核心。馬赫等科學家認爲不能把從未被直接觀測到的原子寫入理論中。玻爾茲曼（Ludwig Edward Boltzmann）利用原子假說建立熱現象的理論，結果遭到了馬赫追隨者的激烈抨擊。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在《科學自傳》中回憶：“人們對原子論不僅冷淡，在某種意義上甚至是抱着敵對的態度。”

然而，19世紀末的三大發現，一下子改變了這一切。通過電子、X射線和放射性的發現，人們不但承認物質是由原子構成，甚至還動搖了原子不可分割的舊觀念，原子內部的祕密被這三大發現撕開了一道口子。

湯姆遜發現電子

英國劍橋大學有一個卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory），於1871年由當時劍橋大學校長威廉·卡文迪許捐贈建立，是世界上最著名的實驗室之一。這個實驗室有多牛呢，我們來看看。卡文迪許實驗室的第一任主任是麥克斯韋（James Clerk Maxwell），他建立的電磁理論是經典物理的重要支柱，也是19世紀最光輝的成果，使我們從蒸汽文明的時代，跨入了現代電氣文明的時代。當我們在使用電腦、微波爐、5G手機、聽着電視新聞的時候，都要感謝麥克斯韋的方程組。圍繞麥克斯韋方程的爭論，還導致了狹義相對論的產生。

圖1 左：卡文迪許實驗室；中：麥克斯韋（sciencephoto.com）；右：瑞利

第二任主任是瑞利男爵三世（John Strutt， 3rd Baron Rayleigh），瑞利曾和拉姆賽一起發現了空氣中的惰性氣體，獲得1904年諾貝爾獎。著名的“瑞利散射（Rayleigh scattering）”解釋了晴朗的天空爲何是藍色的。

第三任主任就是湯姆遜（Thomson，Joseph John）。在他擔任實驗室主任期間，卡文迪許實驗室蓬勃發展起來，大量優秀的年輕人來到實驗室，並做出了很多偉大的科學發現。湯姆遜本人因爲發現電子獲得1906年諾貝爾獎。他還有個很有名的學生，叫盧瑟福（Ernest Rutherford），因爲發現原子核、質子，以及其它放射性方面的貢獻而獲得1908年諾貝爾獎，被人們稱爲原子核物理之父。後來，查德威克（James Chadwick）發現中子獲得了1935年的諾貝爾獎，這樣原子的全部組分都是在卡文迪許實驗室找到的。從1904年至1989年的85年間，卡文迪許實驗室共產生了29位諾貝爾獎得主，佔劍橋大學諾獎總數的三分之一，碩果累累的卡文迪許實驗室對近代物理的發展做出了巨大的貢獻。

實際上在湯姆遜發現電子的實驗之前，“電子”的概念就已經提出來了。1881年斯通尼（George Johnstone Stoney）在研究法拉第電解定律時發現：1摩爾任何原子的單價離子帶電量相同，這個電量被稱爲法拉第常數F。但1摩爾原子的數目也是常數——阿佛加德羅常數NA，兩個常數相除，得到的就是每個單價離子的電荷量，它也是一個常數，這豈不就意味着存在一個“最小的基本電荷單位”—— e=F/NA。斯通尼把這個電荷的最小單位命名爲“電子”。最後，是湯姆遜從實驗上證明了電子確實存在。

1897年，湯姆遜自己設計了一個陰極射線管（圖2），在管子一頭裝上陰極和陽極，陽極上開一條細縫。通電後從陰極發出的射線穿過細縫A、B成爲細細的一束，直射到玻璃管的另一端。這一端的管壁上再塗上熒光物質，或者裝上照相底片。這套設備就能用來精確測定打到熒光屏上的陰極射線的位置。在射線管的中部裝有兩個電極板C、D，加上電壓以後產生電場E。湯姆遜在實驗中發現，陰極射線在電場作用下從熒光屏的P1偏到了P2，說明陰極射線帶的是負電（我們在這裏把陰極射線粒子的電量寫爲e）。

湯姆遜還在管外加了一個與紙面垂直的磁場，磁感應強度爲B。調節電場和磁場的強度，使電力和磁力正好相互抵消eE = evB，陰極射線又從P2又回到P1，不再偏轉。因爲電場E和磁場B都是已知的，這樣湯姆遜就測出了陰極射線的速度 v = E/B。

當時湯姆遜得到的陰極射線速度大約爲3萬公里/秒，相當於光速的1/10。然後湯姆遜去掉電場或磁場，根據陰極射線偏轉量可測出陰極射線粒子質量與電荷的比值。湯姆遜測得的質荷比均值約爲1.3×10-11千克/庫，而現代的值是0.56856×10-11千克/庫。

湯姆遜又做了很多實驗，看看不同材料的陰極或者不同的氣體會不會產生不同的實驗結果。他用金、銀、銅、鎳等各種金屬作陰極，測量了不同陰極上射出的射線，又把不同的氣體——空氣、氫氣、氧氣、氮氣等充到管內，陰極上射出的帶電粒子的質荷比都是一樣的。這就說明了一個非常重要的問題：不管陰極射線是由哪裏產生的——是由電極產生的還是由管內氣體產生的，結果都一樣。這意味着，在各種物質中都有一種質量約爲氫原子質量的1/2000（實際上是約1/1837）的帶負電的粒子，它就是電子。

人們對陰極射線管的研究也有幾十年了，湯姆遜的實驗看起來也並不是太難，爲什麼直到湯姆遜才得以實現呢？最大的原因要歸功於真空技術的進步。19世紀30年代法拉第做稀薄氣體放電實驗時，真空管中的氣壓爲100託（1託=1毫米汞柱，一個標準大氣壓=760託）。到蓋斯勒改進他的水銀真空泵時，氣壓可以達到0.1託，而到湯姆遜做電子實驗時，真空泵的改進已經可以達到10-6託的氣壓。赫茲（Heinrich Rudolf Hertz）之前曾經做過類似實驗，但因爲真空度不夠沒有觀察到陰極射線有任何偏轉。

1899年，湯姆遜使用他的學生威爾遜（C.T.R.Wilson）發明的雲室（Cloud Chamber），測量了電子的電荷和質量。威爾遜的雲室，是在一個密閉容器裏製造出大的溫度差（圖3），上板熱，下板冷，用酒精之類的蒸汽充滿容器，熱蒸汽下降時突然遇到下板的低溫環境，變成過飽和蒸汽。這時若有高能帶電粒子通過，會和空氣分子碰撞，使空氣分子電離。入射粒子的運動路徑上生成大量的正負離子對，過飽和的水蒸氣就會以這些正負離子爲核心凝成霧珠，霧珠我們是能看到的，這樣高能粒子的前進軌跡就顯現出來了。根據徑跡的長短、濃淡以及在磁場中彎曲的情況，就可分辨粒子的種類和性質了。

湯姆遜和威爾遜測到的電子的電荷是1×10-19庫，質量在10-31千克量級。今天測到的電子電荷約爲1.602 176 634×10-19庫，質量9.109 383 7015（28）×10-31千克。

電子電荷的精確測定是在1910年由密立根（Robert Andrews Millikan）完成的，就是著名的“密立根油滴實驗”。密立根的方法是湯姆遜和威爾遜方法的改進與發展，他不觀察霧，而是觀察單個液滴。他所使用裝置如圖4所示。儀器上層，用噴霧器噴出小液滴，一些小液滴通過小孔落入下層兩塊水平金屬板之間的空間。一開始金屬板之間不加電壓。落入的小液滴一方面受到重力作用加速下落，同時受到空氣的摩擦阻力，根據斯托克斯定理（Stokes‘ law），球形液滴受到的空氣摩擦力和速度成正比，最終摩擦力等於重力，液滴勻速下落。如果知道空氣的粘滯係數、液滴密度，通過測量無電場時液滴的末速度，可以得到液滴質量。然後密立根給兩塊金屬板加上電壓，形成一個均勻的電場，用X射線照射金屬板之間的空氣使部分空氣電離，小液滴因此附着上帶電粒子而帶上電荷。通過觀察帶電液滴在電場中上升和下落，可以計算出液滴攜帶電荷的大小。密立根做了很多次實驗，得到結果大致爲：

Q = 1.6 × 10-19 庫

Q = 3.2 × 10-19 庫 = 2 × 1.6 × 10-19 庫

Q = 8.0 × 10-19 庫 = 5 × 1.6 × 10-19 庫

他發現所有的電荷，都有一個公因數，e=1.6 × 10-19 庫，任何電荷只能是e的整數倍，密立根認爲這個數值就是電荷最小基本單位，也是電子帶的電荷。經過幾年反覆測量，密立根測到電子電荷爲 e = 1.592×10-19庫，很多年來一直被認爲值最精確的數值，直到1929年發現它低了1%，誤差來自對空氣粘性測量的偏差。密立根的實驗結果說明，電荷是量子化的，存在一個最小電荷單位。爲什麼電荷是量子化的？到今天這仍然是一個沒有解決的難題。1931年狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）根據量子力學，提出如果存在磁單極子，可以從理論上圓滿地解釋電荷量子化現象，但是磁單極子的存在至今未被證實，它也是當代物理學的一個重要研究課題。

在湯姆遜的時代，人們知道的最小粒子是氫原子，而湯姆遜測到的電子質量遠遠小於氫原子，大家都認爲湯姆遜是在“愚弄他們”。當時，德國的考夫曼（W.Kaufman）也做了類似的實驗，並且得出的質荷比遠比湯姆遜的精確，與現代值只差1%，但他沒有勇氣宣稱自己發現了新的基本粒子。

湯姆遜勇敢地堅持“存在比原子小得多的微粒——電子”，他發現電子的實驗是19世紀末最重要的實驗之一，電子是人們發現的第一個亞原子粒子，新世紀基本粒子物理的大門從此被打開了。湯姆遜也因此獲得了1906年諾貝爾獎，威爾遜因爲雲室和康普頓分享了1927年的諾貝爾獎。但是如此重要的實驗被1895年底倫琴（W.Röntgen）的另一項偉大發現沖淡了，大家都爭先恐後地去圍觀X射線的發現

能穿透身體的射線

1895年11月，德國維爾茲堡的大學教授的倫琴對赫茲和萊納德（Philipp Eduard Anton von Lénárd）用陰極射線穿透鋁箔的實驗非常感興趣，他開始利用萊納德改造的帶鋁箔的陰極射線管重複他們的實驗。一次，實驗中一個偶然事件吸引了倫琴的注意，在一片漆黑的房間裏，陰極射線管外距離1米遠的小桌上，一塊塗了鉑氰酸鋇的熒光屏突然發出了閃光。他感覺很奇怪，就用黑紙把陰極射線管包裹起來，並把熒光屏移到更遠距離。但是熒光屏的閃光，仍隨着放電節奏出現。倫琴取來各種不同的物品，包括書本、木板、鋁片等等，放在陰極射線管和熒光屏之間，發現不同的物品遮擋效果很不一樣，紙片和木板都無法阻擋這種射線，只有較厚的鉛板才能把它完全擋住。倫琴一開始以爲它是穿出放電管的陰極射線，但它在磁鐵作用下不偏轉，而且熒光屏離開放電管2米遠依然會出現熒光現象，這些都說明這種射線不是陰極射線。倫琴意識到這可能是某種性質未知的新射線，它具有特別強的穿透力，就這樣，他發現了很快爲世人所知的X射線。

面對這個新發現，倫琴激動無比，他一連好幾天把自己關在實驗室裏集中全力進行研究。12月22日，他把夫人邀請到實驗室，用他夫人的手拍下了第一張人手X射線照片（圖6右）。當倫琴的妻子第一次看到自己手指骨骼的照片，手上戴的結婚戒指清晰可見，她大喫一驚。1895年12月28日倫琴把這項成果發佈在維爾茨堡的物理醫學協會雜誌上，宣佈自己發現了一種“新的射線”，倫琴把這種新射線用表示未知數的“X”來命名，人們也稱它爲“倫琴射線”。後來，倫琴改造了一種陰極射線管，正對着陰極安裝了一個金屬靶子，當陰極射線集中射到靶子上的時候，就會發出很強的X射線。這種裝置現在就叫做X射線管，又叫做倫琴管（圖5）。

圖6 左：19世紀末，用早期的克魯克斯管設備拍攝x射線照片，可以看到桌上的魯姆科夫線圈，當時人們還不懂得X射線的傷害，並沒有進行防護；右：倫琴給夫人拍的X射線照片

倫琴當時並不知道，陰極射線實際上是電子流。由於陰極加熱造成電子脫離原子束縛，在幾千伏到幾十萬伏的高壓電場作用下加速，然後穿過幾乎是真空的空間，撞擊到金屬靶上時，產生X射線。

圖8（下）帶有鎢靶的x射線管在90千伏電壓下發射的x射線光譜示意圖。平滑連續的曲線是由於軔致輻射，尖峯是鎢原子特徵輻射

倫琴實驗中X射線產生的原因有兩種：

（1）經典電動力學告訴我們，帶電粒子在加速或減速時，會輻射電磁波。高速運動的電子撞擊到金屬靶上時，受到原子核的散射突然減速，這個過程會發生韌致輻射（bremsstrahlung，也叫剎車輻射），其損失的動能會以X射線波段的光子形式發出（圖7左）。隨着入射電子與靶核的庫侖場作用距離不同，入射電子的速度是連續變化的，所以這種機理產生的X射線頻譜是連續變化的，也就是圖8中像小山坡一樣的部分。

（2）疊加在圖8小山坡上的寶塔似的尖峯，是由於加速電壓大時，能量高的電子把金屬原子內層電子撞出，內層形成空穴，於是外層電子躍遷回內層填補空穴，同時放出X射線（圖7右）。在《亞原子物理的早期歷史》我們說過，不同能級之間電子躍遷能量是量子化的，所以放出的光子波長也集中在某個波段，就形成了X射線中的特徵輻射。

所以X射線的本質是波長比可見光、紫外線更短的電磁波（圖9），波長範圍一般在0.01納米到10納米。波長大於0.1納米的稱爲軟X射線，波長短於0.1納米能量較高的常稱硬X射線。

倫琴的發現在全世界引起了轟動，國內外的各大報刊都在爭相傳播這一消息，在1896年這一年中，至少出版了50本關於X射線的書以及1000多篇科學論文和科普文章。人們對這種新射線無比驚訝，任何東西對X射線來說都是透明的，透過X射線能看到自己的骨骼，人們立即意識到了X射線對醫學的價值。很快，就有醫生用X射線檢查受槍傷的病人身體裏是否留下子彈。今天，在醫療透視、安檢、電子產品檢驗……各個領域我們都能看到X射線的身影。

X射線在天體物理有廣泛的應用，它往往和天體的高溫、高能過程相聯繫。

例如中子星、黑洞這類具有超強引力的緻密天體，會通過引力吸引積聚周圍的塵埃和氣體（圖10）。由於緻密天體引力大，體積小，引力勢能釋放的效率遠遠高於恆星中氫聚變爲氦的熱核反應的效率。一顆太陽質量的中子星，它的半徑只有10公里大小，吸積過程中的引力勢能釋放效率比熱核反應約高20倍。物質在落向中子星、黑洞的過程中會圍繞其旋轉，形成吸積盤。引力勢能的釋放使得吸積盤中的物質高速運動，相互摩擦碰撞導致溫度升高，電離成爲等離子體，高能電子在離子作用下產生加速度，從而通過韌致輻射發射X射線。

所以，通過X射線波段的觀測可以對恆星級黑洞、中子星、星系核級黑洞開展研究，這使得本來只是理論推測的黑洞成爲可實在搜尋和探測的對象，由此產生了建立在天文觀測堅實基礎上的黑洞天體物理學。

下圖是錢德拉X射線天文臺（Chandra X-ray Observatory）分別於2018年11月和2019年2月、5月、6月在0.3~8keV的X射線波段捕捉到的黑洞及其伴星系統MAXI J1820+070以接近光速拋射物質的畫面，天文學家將其合成了動畫。這個黑洞就在銀河系內，距離地球約1萬光年，其質量是太陽的8倍，是一個由大質量恆星毀滅形成的恆星級黑洞。環繞黑洞運行的伴星質量大約是太陽的一半，它身邊的黑洞正藉助強大無比的引力，慢慢把這顆伴星的物質拉到吸積盤上，一點點將其吞噬。吸積盤上大部分物質最終會落入黑洞視界內，少部分物質通過黑洞南北兩極垂直於吸積盤的噴流重新拋射回到宇宙空間。

圖11 錢德拉X射線天文臺拍攝到黑洞以接近光速拋射物質併合成的動畫（X射線圖像： NASA/CXC/Université de Paris/M。 Espinasse et al。；光學/紅外圖像：PanSTARRS）

上圖的背景圖像是由夏威夷的PanSTARRS光學望遠鏡拍攝的銀河系的光學/紅外圖像，MAXI J1820+070位於銀河系平面上方，用一個十字標出。從黑洞噴出的物質有多快呢？天文學家們從X射線的圖像中計算出，從地球的角度來看，北噴流的速度是光速的60%，而南噴流的速度是光速的160%。大家一定很奇怪：根據狹義相對論，信息傳遞的速度不是不能超過光速嗎？爲什麼噴流速度能達到1.6倍光速呢？實際上，這是一種“視超光速”現象，是因爲南噴流指向我們，而北噴流離開我們，噴流速度極快接近光速，而噴流的方向與我們的視線方向有一個小的夾角，最後造成南噴流超光速，並且比北噴流更快的錯覺。實際上MAXI J1820+070事例中，南北噴流的速度大約在80%光速以上。我們可以通過下面這個定性的說明來理解視超光速現象產生的原因。

如上圖，假如黑洞A距離地球6光年，它的噴流和視線方向有個小夾角θ，吸積盤發出的光，用了6年時間到達地球上的觀測者，而黑洞噴流在這6年中從A實際上是到達了5光年遠處的B，噴流實際速度是v=5光年/6年=5c/6，其中c是光速。FB=3光年，AB=5光年，則BD=4光年。B點距離地球2光年。B點發出的光在人們看到A點的光2年後到達地球，在地球上的觀測者看來，噴流就好像用2年時間從A到達D，速度爲v視=3光年/2年=1.5c。這就是黑洞噴流看起來超過光速的原因了。

圖13 子彈星系團顯示兩個星系碰撞後的質量分佈。粉色來自X射線波段觀測，描繪重子物質；藍色來自弱引力透鏡觀測，描繪暗物質分佈。（X射線圖像： NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al。；光學圖像：NASA/STScI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。；引力透鏡圖像：NASA/STScI； ESO WFI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。）

X射線觀測還是研究星系團中暗物質的重要手段之一。星系團內部有上百至上千個星系，分佈在其中的質量形成勢阱，使物質分佈向中心聚集。星系團內部有很多的發光天體，還分佈着大量的星系際氣體。最近的研究發現，星系團內的氣體質量竟然是發光天體質量總和的3到5倍[15]。如果我們只從光學波段去觀測星系團，而不考慮團內的氣體，那是無法研究星系團內的引力勢阱的。星系團內的氣體在引力作用下向團內坍縮形成高溫氣體，當溫度大於約一百萬K的時候就會有明顯的X射線發射，所以從X射線波段才能最直接地得到團內氣體分佈。

上圖是用不同的方式觀測子彈星系團（1E 0657-56）得到的合成圖，也是目前很多科學家承認的暗物質存在最直觀的證據。子彈星系團是兩個星系碰撞後的殘留物，一個較小的“子彈”穿過一個更大的星系團，碰撞產生的巨大能量使兩個星系團內的普通物質加熱到極高的溫度，在X射線波段劇烈發光（圖13中紅色部分）。另外這兩個星系團由於質量巨大，就好像一塊引力透鏡，會讓星團背後的星系發往地球的光線產生彎折。以後我們會介紹，目前觀測到的宇宙中暗物質質量大約是普通的物質的5倍，通過觀測這些光線彎折的引力透鏡效應，科學家們可以得到子彈星系團的質量分佈（圖13中藍色部分），主要是暗物質的分佈。由於暗物質和普通物質之間除了引力沒有其它的相互作用，在碰撞中，普通物質發熱、粘在一起，速度減慢了，而暗物質則穿過去，結果就形成了圖13中觀測到的紅、藍分離的效果。這個觀測結果，用暗物質理論可以給出很好的解釋，若要用暗物質以外的其它替代理論，那必須要對子彈星系團的觀測做出合理解釋，才能被大家所接受。

X射線是傳統的光學波段之外有力的天文觀測武器，除了上面說到的緻密天體吸積和星系團中的暗物質，我們還可以通過X射線觀測研究太陽日冕和耀斑、激變變星、超新星遺蹟、射電脈衝星等等。但是在地面上無法進行X射線觀測，因爲大氣層會對X射線劇烈吸收（圖14），所以要觀測X射線，必須發展空間天文設備。

鑑於X射線觀測的重要性，我國在2016年發射了硬X射線調製望遠鏡衛星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT），俗稱“慧眼”（圖15），它可以開展寬波段、大視場的X射線巡天，對黑洞、中子星、伽瑪暴、X射線雙星、銀河系內X射線輻射源等開展深入的研究。HXMT的成功發射和運行，使我國在國際競爭激烈的的高能天體物理觀測領域佔有了重要的一席之地。

19世紀末的人們無法理解，陰極射線打在金屬原子上，爲什麼會釋放出如此奇異的X射線，這射線從何而來？倫琴自己也沒有意識到，自己的發現揭開了歷史新的一頁，之後不久，新的自然定律（相對論、量子論）、新的物質形式、關於宇宙作用力的解釋會先後登上歷史舞臺。因爲X射線的發現，倫琴獲得了1901年也是歷史上第一個諾貝爾獎。

世紀末的危機

一個世紀快過去了。站在19世紀的末端，我們看到在這個世紀，麥克斯韋、法拉第、赫茲等人建立起了電磁理論，焦耳、亥姆霍茨、克勞修斯等人建立起了能量守恆和轉化定律。而在世紀之初，道爾頓提出了原子理論，之後門捷列夫製出了元素週期表。大家覺得物質世界的規律基本搞清楚了，可以休息休息啦。

人們剛剛纔接受原子論的觀點，認爲宇宙萬物就是由元素週期表上的元素構成，這些元素的最小微粒是原子，原子是不可分割的。但是電子的出現，把這個理論撕開了一個缺口。湯姆遜的實驗告訴大家，所有元素的原子內部，都有電子，原子不再是不可分割的。而倫琴發現的X射線更爲奇特，這種射線從原子內部發射出來，幾乎可以穿透任何東西，讓人們開始懷疑原子內部是否別有洞天。

下一回中，我們會介紹，貝克勒爾、居里夫婦發現有些原子還具有天然的放射性。元素鈾、鐳、釙等持續不斷地輻射能量，釋放出遠遠超過那個時代所知的任何一個化學反應能放出的能量，這讓人們對能量守恆的信仰產生了動搖。這些能量的來源究竟是什麼？

在電子、X射線、放射性的背後，隱藏着一個人們還不瞭解的物質世界。人們即將進入新的世紀，在這個世紀裏，科學家們會發現一個新的世界，這個世界就在原子的內部。