原子弹的威力1903―1999(2)

然而，直到19世纪早期才出现接近现代理论的原子论，约翰·道尔顿(1776—1844)首先做出了贡献。他是一个气象学家和色盲现象的发现者。1803年，道尔顿观察到氧气和碳会形成两种化合物，其中一种化合物（二氧化碳）中的氧与碳的重量比正好是另一种（一氧化碳）化合物中该比例的两倍。由于不同元素可以以一个固定的重量比组合，道尔顿推断出所有既定元素的原子一定是相同的，因为它们有相同的质量，而微粒的质量不同，元素也就不同。化合物是由不同元素以固定比例组成的原子构成的，而在这个有序的重组过程中会发生化学反应。19世纪末，德国的威廉·伦琴（1845—1923）从试验中发现了一种新的奇怪的带负电荷的放射物。它被命名为X射线。X射线的发现使伦琴获得1901年的诺贝尔奖。1年之后，即1896年，法国科学家亨利·贝克勒尔（1852—1908）发现了放射性物质。他观察到铀能够使一张封在黑色纸中的底片变黑，但刚开始，他还认为是由太阳光线的刺激造成的。第二年，J·J·汤普森（1856—1940）在剑桥的卡文迪许实验室取得重大的研究突破。它在用负极电流做的实验中发现了电子，并用波义耳创造的词“负的粒子”称呼它。两年后，欧内斯特·卢瑟福（1871—1937），一个后来成了英国“核物理实验之父”的直率、友好的新西兰人证实了铀中含有两种不同的发射物。一种由正的带电粒子组成，他称之为α粒子；第二种穿透力更强也较易解释，即β射线。在世纪之交，英国的弗里德里克·索迪（1877—1965）观察到了放射性物质自发分裂成不同形态的物质的过程。他将之命名为“同位素”。来年，即1902年，他和卢瑟福共同发表了放射性元素蜕变理论。1903年和1904年，诺贝尔奖项中第一个物理奖共同颁发给了发现放射现象的贝克勒尔、皮埃尔·居里（1859—1906）和玛丽·居里（1867—1934）。后来诺贝尔化学奖颁给了α射线的发现者卢瑟福。1905年，阿尔伯特·爱因斯坦发表了他独特的相对论。这个新的方程式使物理学的理论发生革命性变革，并最终改变了人类对自然界的思考方式。但两年后，卢瑟福在曼彻斯特又做了一个新实验，直接研究物质的内核。他与盖格尔计数器的发明者汉斯·盖格尔（1882—1945）和一个18岁的大学生欧内斯特·马斯顿（1888—1970）一起合作，用α粒子轰击一片极薄的金箔。从微粒少量合成物中推断出“原子最伟大部分”一定集中在一个微小的原子核上。后来，他说：“这是一生中发生过的最难以置信的事……几乎就如同你用手枪将子弹射向一张15英寸大小的稿纸，而子弹竟然反弹回来，射中了你自己一样令人难以置信！”即使有了这次伟大的发现，要理解原子结构的内在秘密还有一段很长的路要走。另一位重要的贡献者是聪明、直觉敏锐的丹麦物理学家玻尔（1885—1962）。他进入了量子研究的新领域，为量子物理学的发展奠定了基础。他观察到放射性物质来自原子核，而它们的化学特征取决于电子。1923年，他争论说电子以一种“固定的状态”存在——这种稳定的轨道使它们不至于以螺旋式转向比它们大的原子和或者旋转到其他地方。后来，他又发现原子一加热，吸收到更多的能量，在轨道运转的电子会间断地跃迁到新的固定状态。在原子核周围找到新的循环路线，离中心更远，冷却后会跳回原来位置。玻尔1922年获诺贝尔奖，比爱因斯坦晚1年。1919年，卢瑟福成了报纸上的头条新闻。兴奋的记者称这个新西兰人已经“分裂了原子”。严格地讲，他所做的是以高速α粒子撞击氮原子，于是取出氢核，得到一个新原子——氧元素的同位素。这意味着一项新的提取新元素的技术的诞生，而不是简单地释放原子中的放射线或者测量放射性元素蜕变产生的物质。但是卢瑟福的一个很大不足是他拒绝承认原子核是可用能量的来源。大约20年之后，另一个新的不同的试验得出了世界核物理界闻名的“二元裂变”这一结论。该实验由德国人奥托·哈恩（1879—1968）和弗朗茨·施特劳斯曼(1902—1980)进行，并由他们的澳大利亚犹太人同事利茨·迈特纳（1878—1968）和奥托·弗里希(1904—1979)解释。一战后，有了更多的试验和推断，包括欧文·薛定谔(1887—1961)在1926年提出的物质在原子能级像波一样运动的理论。次年，沃纳·海森伯（1901—1976）做出一个更让人吃惊的论断：要精确界定基元事件是有限制的。他主张微粒的准确位置和动量是不能同时做出详细说明的。这就把不确定性带入了原子的世界，也就是海森伯闻名至今的“测不准定理”。形状变得模糊。它的作用如同炸弹一样，摧毁了整座精心构造的后牛顿科学决定论的大厦。在此十年间，实验者们如弗兰西斯·阿斯顿（1877—1945）使用大量摄谱仪研究放射性核素。C·威尔逊（1869—1959）和阿瑟·H·康普顿(1892—1962)成立研究所绘制放射物电离化的可见轨道。1931年，美国人欧内斯特·O·劳伦斯（1901—1958）设计发明了回旋加速器，用重达成千上万吨的磁铁加快微粒的运转速度。他们都赢得了诺贝尔奖。但直到1932年，人类在原子结构上的研究才有重大突破。卢瑟福的助手詹姆斯·查德威克把法国夫妻组弗雷德里克·约里奥(1900—1958)和巴黎玛丽·居里研究所的约里奥·居里的实验继续进行下去，并从卢瑟福1930年的实验中得到灵感，发现了继电子和质子之后的第三种微粒：中子。