这三大物理发现，撕开了原子内部

羊君

　　来源：科学大院

　　1808年，道尔顿（John Dalton）在他的《化学哲学新体系》中提出了近代原子论，认为化学元素由大量微小的、不可再分的原子组成 ，原子论在当时很好地解释了化学元素有固定质量比的难题。但直到19世纪末，一百年过去了，原子的观念非但没有被广泛接受，还成了科学家们争论不休的核心。马赫等科学家认为不能把从未被直接观测到的原子写入理论中。玻尔兹曼（Ludwig Edward Boltzmann）利用原子假说建立热现象的理论，结果遭到了马赫追随者的激烈抨击。普朗克（Max Karl Ernst Ludwig Planck）在《科学自传》中回忆：“人们对原子论不仅冷淡，在某种意义上甚至是抱着敌对的态度。”

　　然而，19世纪末的三大发现，一下子改变了这一切。通过电子、X射线和放射性的发现，人们不但承认物质是由原子构成，甚至还动摇了原子不可分割的旧观念，原子内部的秘密被这三大发现撕开了一道口子。

　　汤姆逊发现电子

　　英国剑桥大学有一个卡文迪许实验室（Cavendish Laboratory），于1871年由当时剑桥大学校长威廉·卡文迪许捐赠建立，是世界上最著名的实验室之一。这个实验室有多牛呢，我们来看看。卡文迪许实验室的第一任主任是麦克斯韦（James Clerk Maxwell），他建立的电磁理论是经典物理的重要支柱，也是19世纪最光辉的成果，使我们从蒸汽文明的时代，跨入了现代电气文明的时代。当我们在使用电脑、微波炉、5G手机、听着电视新闻的时候，都要感谢麦克斯韦的方程组。围绕麦克斯韦方程的争论，还导致了狭义相对论的产生。

           图1 左：卡文迪许实验室；中：麦克斯韦（sciencephoto.com）；右：瑞利
　　第二任主任是瑞利男爵三世（John Strutt， 3rd Baron Rayleigh），瑞利曾和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体，获得1904年诺贝尔奖。著名的“瑞利散射（Rayleigh scattering）”解释了晴朗的天空为何是蓝色的。

　　第三任主任就是汤姆逊（Thomson，Joseph John）。在他担任实验室主任期间，卡文迪许实验室蓬勃发展起来，大量优秀的年轻人来到实验室，并做出了很多伟大的科学发现。汤姆逊本人因为发现电子获得1906年诺贝尔奖。他还有个很有名的学生，叫卢瑟福（Ernest Rutherford），因为发现原子核、质子，以及其它放射性方面的贡献而获得1908年诺贝尔奖，被人们称为原子核物理之父。后来，查德威克（James Chadwick）发现中子获得了1935年的诺贝尔奖，这样原子的全部组分都是在卡文迪许实验室找到的。从1904年至1989年的85年间，卡文迪许实验室共产生了29位诺贝尔奖得主，占剑桥大学诺奖总数的三分之一，硕果累累的卡文迪许实验室对近代物理的发展做出了巨大的贡献。

　　实际上在汤姆逊发现电子的实验之前，“电子”的概念就已经提出来了。1881年斯通尼（George Johnstone Stoney）在研究法拉第电解定律时发现：1摩尔任何原子的单价离子带电量相同，这个电量被称为法拉第常数F。但1摩尔原子的数目也是常数——阿佛加德罗常数NA，两个常数相除，得到的就是每个单价离子的电荷量，它也是一个常数，这岂不就意味着存在一个“最小的基本电荷单位”—— e=F/NA。斯通尼把这个电荷的最小单位命名为“电子”。最后，是汤姆逊从实验上证明了电子确实存在。

                          图2 汤姆逊1897年实验中使用的阴极射线管示意图
　　1897年，汤姆逊自己设计了一个阴极射线管（图2），在管子一头装上阴极和阳极，阳极上开一条细缝。通电后从阴极发出的射线穿过细缝A、B成为细细的一束，直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上再涂上荧光物质，或者装上照相底片。这套设备就能用来精确测定打到荧光屏上的阴极射线的位置。在射线管的中部装有两个电极板C、D，加上电压以后产生电场E。汤姆逊在实验中发现，阴极射线在电场作用下从荧光屏的P1偏到了P2，说明阴极射线带的是负电（我们在这里把阴极射线粒子的电量写为e）。

　　汤姆逊还在管外加了一个与纸面垂直的磁场，磁感应强度为B。调节电场和磁场的强度，使电力和磁力正好相互抵消eE = evB，阴极射线又从P2又回到P1，不再偏转。因为电场E和磁场B都是已知的，这样汤姆逊就测出了阴极射线的速度 v = E/B。

　　当时汤姆逊得到的阴极射线速度大约为3万公里/秒，相当于光速的1/10。然后汤姆逊去掉电场或磁场，根据阴极射线偏转量可测出阴极射线粒子质量与电荷的比值。汤姆逊测得的质荷比均值约为1.3×10-11千克/库，而现代的值是0.56856×10-11千克/库。

　　汤姆逊又做了很多实验，看看不同材料的阴极或者不同的气体会不会产生不同的实验结果。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极，测量了不同阴极上射出的射线，又把不同的气体——空气、氢气、氧气、氮气等充到管内，阴极上射出的带电粒子的质荷比都是一样的。这就说明了一个非常重要的问题：不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的，结果都一样。这意味着，在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000（实际上是约1/1837）的带负电的粒子，它就是电子。

　　人们对阴极射线管的研究也有几十年了，汤姆逊的实验看起来也并不是太难，为什么直到汤姆逊才得以实现呢？最大的原因要归功于真空技术的进步。19世纪30年代法拉第做稀薄气体放电实验时，真空管中的气压为100托（1托=1毫米汞柱，一个标准大气压=760托）。到盖斯勒改进他的水银真空泵时，气压可以达到0.1托，而到汤姆逊做电子实验时，真空泵的改进已经可以达到10-6托的气压。赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）之前曾经做过类似实验，但因为真空度不够没有观察到阴极射线有任何偏转。

　　1899年，汤姆逊使用他的学生威尔逊（C.T.R.Wilson）发明的云室（Cloud Chamber），测量了电子的电荷和质量。威尔逊的云室，是在一个密闭容器里制造出大的温度差（图3），上板热，下板冷，用酒精之类的蒸汽充满容器，热蒸汽下降时突然遇到下板的低温环境，变成过饱和蒸汽。这时若有高能带电粒子通过，会和空气分子碰撞，使空气分子电离。入射粒子的运动路径上生成大量的正负离子对，过饱和的水蒸气就会以这些正负离子为核心凝成雾珠，雾珠我们是能看到的，这样高能粒子的前进轨迹就显现出来了。根据径迹的长短、浓淡以及在磁场中弯曲的情况，就可分辨粒子的种类和性质了。


                图3 左：云室原理；右：一小块铀矿石在云室中（图片来源：网络）
　　汤姆逊和威尔逊测到的电子的电荷是1×10-19库，质量在10-31千克量级。今天测到的电子电荷约为1.602 176 634×10-19库，质量9.109 383 7015（28）×10-31千克。

        图4 左：密立根； 右上：密立根油滴实验示意图；右下：密立根油滴实验设备
　　电子电荷的精确测定是在1910年由密立根（Robert Andrews Millikan）完成的，就是著名的“密立根油滴实验”。密立根的方法是汤姆逊和威尔逊方法的改进与发展，他不观察雾，而是观察单个液滴。他所使用装置如图4所示。仪器上层，用喷雾器喷出小液滴，一些小液滴通过小孔落入下层两块水平金属板之间的空间。一开始金属板之间不加电压。落入的小液滴一方面受到重力作用加速下落，同时受到空气的摩擦阻力，根据斯托克斯定理（Stokes‘ law），球形液滴受到的空气摩擦力和速度成正比，最终摩擦力等于重力，液滴匀速下落。如果知道空气的粘滞系数、液滴密度，通过测量无电场时液滴的末速度，可以得到液滴质量。然后密立根给两块金属板加上电压，形成一个均匀的电场，用X射线照射金属板之间的空气使部分空气电离，小液滴因此附着上带电粒子而带上电荷。通过观察带电液滴在电场中上升和下落，可以计算出液滴携带电荷的大小。密立根做了很多次实验，得到结果大致为：

　　Q = 1.6 × 10-19 库

　　Q = 3.2 × 10-19 库 = 2 × 1.6 × 10-19 库

　　Q = 8.0 × 10-19 库 = 5 × 1.6 × 10-19 库

　　他发现所有的电荷，都有一个公因数，e=1.6 × 10-19 库，任何电荷只能是e的整数倍，密立根认为这个数值就是电荷最小基本单位，也是电子带的电荷。经过几年反复测量，密立根测到电子电荷为 e = 1.592×10-19库，很多年来一直被认为值最精确的数值，直到1929年发现它低了1%，误差来自对空气粘性测量的偏差。密立根的实验结果说明，电荷是量子化的，存在一个最小电荷单位。为什么电荷是量子化的？到今天这仍然是一个没有解决的难题。1931年狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac）根据量子力学，提出如果存在磁单极子，可以从理论上圆满地解释电荷量子化现象，但是磁单极子的存在至今未被证实，它也是当代物理学的一个重要研究课题。

　　在汤姆逊的时代，人们知道的最小粒子是氢原子，而汤姆逊测到的电子质量远远小于氢原子，大家都认为汤姆逊是在“愚弄他们”。当时，德国的考夫曼（W.Kaufman）也做了类似的实验，并且得出的质荷比远比汤姆逊的精确，与现代值只差1%，但他没有勇气宣称自己发现了新的基本粒子。

　　汤姆逊勇敢地坚持“存在比原子小得多的微粒——电子”，他发现电子的实验是19世纪末最重要的实验之一，电子是人们发现的第一个亚原子粒子，新世纪基本粒子物理的大门从此被打开了。汤姆逊也因此获得了1906年诺贝尔奖，威尔逊因为云室和康普顿分享了1927年的诺贝尔奖。但是如此重要的实验被1895年底伦琴（W.Röntgen）的另一项伟大发现冲淡了，大家都争先恐后地去围观X射线的发现

　　能穿透身体的射线

　　1895年11月，德国维尔兹堡的大学教授的伦琴对赫兹和莱纳德（Philipp Eduard Anton von Lénárd）用阴极射线穿透铝箔的实验非常感兴趣，他开始利用莱纳德改造的带铝箔的阴极射线管重复他们的实验。一次，实验中一个偶然事件吸引了伦琴的注意，在一片漆黑的房间里，阴极射线管外距离1米远的小桌上，一块涂了铂氰酸钡的荧光屏突然发出了闪光。他感觉很奇怪，就用黑纸把阴极射线管包裹起来，并把荧光屏移到更远距离。但是荧光屏的闪光，仍随着放电节奏出现。伦琴取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在阴极射线管和荧光屏之间，发现不同的物品遮挡效果很不一样，纸片和木板都无法阻挡这种射线，只有较厚的铅板才能把它完全挡住。伦琴一开始以为它是穿出放电管的阴极射线，但它在磁铁作用下不偏转，而且荧光屏离开放电管2米远依然会出现荧光现象，这些都说明这种射线不是阴极射线。伦琴意识到这可能是某种性质未知的新射线，它具有特别强的穿透力，就这样，他发现了很快为世人所知的X射线。

　　                              图5 左：X射线管示意图；右：伦琴
　　面对这个新发现，伦琴激动无比，他一连好几天把自己关在实验室里集中全力进行研究。12月22日，他把夫人邀请到实验室，用他夫人的手拍下了第一张人手X射线照片（图6右）。当伦琴的妻子第一次看到自己手指骨骼的照片，手上戴的结婚戒指清晰可见，她大吃一惊。1895年12月28日伦琴把这项成果发布在维尔茨堡的物理医学协会杂志上，宣布自己发现了一种“新的射线”，伦琴把这种新射线用表示未知数的“X”来命名，人们也称它为“伦琴射线”。后来，伦琴改造了一种阴极射线管，正对着阴极安装了一个金属靶子，当阴极射线集中射到靶子上的时候，就会发出很强的X射线。这种装置现在就叫做X射线管，又叫做伦琴管（图5）。

　图6 左：19世纪末，用早期的克鲁克斯管设备拍摄x射线照片，可以看到桌上的鲁姆科夫线圈，当时人们还不懂得X射线的伤害，并没有进行防护；右：伦琴给夫人拍的X射线照片　
　　伦琴当时并不知道，阴极射线实际上是电子流。由于阴极加热造成电子脱离原子束缚，在几千伏到几十万伏的高压电场作用下加速，然后穿过几乎是真空的空间，撞击到金属靶上时，产生X射线。

                                 图7 （上）左：韧致辐射；右：特征辐射

图8（下）带有钨靶的x射线管在90千伏电压下发射的x射线光谱示意图。平滑连续的曲线是由于轫致辐射，尖峰是钨原子特征辐射

　　伦琴实验中X射线产生的原因有两种：

　　（1）经典电动力学告诉我们，带电粒子在加速或减速时，会辐射电磁波。高速运动的电子撞击到金属靶上时，受到原子核的散射突然减速，这个过程会发生韧致辐射（bremsstrahlung，也叫刹车辐射），其损失的动能会以X射线波段的光子形式发出（图7左）。随着入射电子与靶核的库仑场作用距离不同，入射电子的速度是连续变化的，所以这种机理产生的X射线频谱是连续变化的，也就是图8中像小山坡一样的部分。

　　（2）叠加在图8小山坡上的宝塔似的尖峰，是由于加速电压大时，能量高的电子把金属原子内层电子撞出，内层形成空穴，于是外层电子跃迁回内层填补空穴，同时放出X射线（图7右）。在《亚原子物理的早期历史》我们说过，不同能级之间电子跃迁能量是量子化的，所以放出的光子波长也集中在某个波段，就形成了X射线中的特征辐射。

羊君

　　所以X射线的本质是波长比可见光、紫外线更短的电磁波（图9），波长范围一般在0.01纳米到10纳米。波长大于0.1纳米的称为软X射线，波长短于0.1纳米能量较高的常称硬X射线。

　　伦琴的发现在全世界引起了轰动，国内外的各大报刊都在争相传播这一消息，在1896年这一年中，至少出版了50本关于X射线的书以及1000多篇科学论文和科普文章。人们对这种新射线无比惊讶，任何东西对X射线来说都是透明的，透过X射线能看到自己的骨骼，人们立即意识到了X射线对医学的价值。很快，就有医生用X射线检查受枪伤的病人身体里是否留下子弹。今天，在医疗透视、安检、电子产品检验……各个领域我们都能看到X射线的身影。

            图9 X射线是电磁波谱的一部分，X射线不同部分对应不同的应用领域
　　X射线在天体物理有广泛的应用，它往往和天体的高温、高能过程相联系。

　　例如中子星、黑洞这类具有超强引力的致密天体，会通过引力吸引积聚周围的尘埃和气体（图10）。由于致密天体引力大，体积小，引力势能释放的效率远远高于恒星中氢聚变为氦的热核反应的效率。一颗太阳质量的中子星，它的半径只有10公里大小，吸积过程中的引力势能释放效率比热核反应约高20倍。物质在落向中子星、黑洞的过程中会围绕其旋转，形成吸积盘。引力势能的释放使得吸积盘中的物质高速运动，相互摩擦碰撞导致温度升高，电离成为等离子体，高能电子在离子作用下产生加速度，从而通过韧致辐射发射X射线。

　　所以，通过X射线波段的观测可以对恒星级黑洞、中子星、星系核级黑洞开展研究，这使得本来只是理论推测的黑洞成为可实在搜寻和探测的对象，由此产生了建立在天文观测坚实基础上的黑洞天体物理学。

                       图10 黑洞吞噬恒星的艺术假想图（NASA/CXC/M.Weiss）
　　下图是钱德拉X射线天文台（Chandra X-ray Observatory）分别于2018年11月和2019年2月、5月、6月在0.3~8keV的X射线波段捕捉到的黑洞及其伴星系统MAXI J1820+070以接近光速抛射物质的画面，天文学家将其合成了动画。这个黑洞就在银河系内，距离地球约1万光年，其质量是太阳的8倍，是一个由大质量恒星毁灭形成的恒星级黑洞。环绕黑洞运行的伴星质量大约是太阳的一半，它身边的黑洞正借助强大无比的引力，慢慢把这颗伴星的物质拉到吸积盘上，一点点将其吞噬。吸积盘上大部分物质最终会落入黑洞视界内，少部分物质通过黑洞南北两极垂直于吸积盘的喷流重新抛射回到宇宙空间。

图11 钱德拉X射线天文台拍摄到黑洞以接近光速抛射物质并合成的动画（X射线图像： NASA/CXC/Université de Paris/M。 Espinasse et al。； 光学/红外图像：PanSTARRS）
　　上图的背景图像是由夏威夷的PanSTARRS光学望远镜拍摄的银河系的光学/红外图像，MAXI J1820+070位于银河系平面上方，用一个十字标出。从黑洞喷出的物质有多快呢？天文学家们从X射线的图像中计算出，从地球的角度来看，北喷流的速度是光速的60%，而南喷流的速度是光速的160%。大家一定很奇怪：根据狭义相对论，信息传递的速度不是不能超过光速吗？为什么喷流速度能达到1.6倍光速呢？实际上，这是一种“视超光速”现象，是因为南喷流指向我们，而北喷流离开我们，喷流速度极快接近光速，而喷流的方向与我们的视线方向有一个小的夹角，最后造成南喷流超光速，并且比北喷流更快的错觉。实际上MAXI J1820+070事例中，南北喷流的速度大约在80%光速以上。我们可以通过下面这个定性的说明来理解视超光速现象产生的原因。

                                      图12 视超光速产生的原因图
　　如上图，假如黑洞A距离地球6光年，它的喷流和视线方向有个小夹角θ，吸积盘发出的光，用了6年时间到达地球上的观测者，而黑洞喷流在这6年中从A实际上是到达了5光年远处的B，喷流实际速度是v=5光年/6年=5c/6，其中c是光速。FB=3光年，AB=5光年，则BD=4光年。B点距离地球2光年。B点发出的光在人们看到A点的光2年后到达地球，在地球上的观测者看来，喷流就好像用2年时间从A到达D，速度为v视=3光年/2年=1.5c。这就是黑洞喷流看起来超过光速的原因了。

图13 子弹星系团显示两个星系碰撞后的质量分布。粉色来自X射线波段观测，描绘重子物质；蓝色来自弱引力透镜观测，描绘暗物质分布。（X射线图像： NASA/CXC/CfA/M.Markevitch et al。； 光学图像：NASA/STScI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。；引力透镜图像：NASA/STScI； ESO WFI； Magellan/U.Arizona/D.Clowe et al。）
　　X射线观测还是研究星系团中暗物质的重要手段之一。星系团内部有上百至上千个星系，分布在其中的质量形成势阱，使物质分布向中心聚集。星系团内部有很多的发光天体，还分布着大量的星系际气体。最近的研究发现，星系团内的气体质量竟然是发光天体质量总和的3到5倍[15]。如果我们只从光学波段去观测星系团，而不考虑团内的气体，那是无法研究星系团内的引力势阱的。星系团内的气体在引力作用下向团内坍缩形成高温气体，当温度大于约一百万K的时候就会有明显的X射线发射，所以从X射线波段才能最直接地得到团内气体分布。

　　上图是用不同的方式观测子弹星系团（1E 0657-56）得到的合成图，也是目前很多科学家承认的暗物质存在最直观的证据。子弹星系团是两个星系碰撞后的残留物，一个较小的“子弹”穿过一个更大的星系团，碰撞产生的巨大能量使两个星系团内的普通物质加热到极高的温度，在X射线波段剧烈发光（图13中红色部分）。另外这两个星系团由于质量巨大，就好像一块引力透镜，会让星团背后的星系发往地球的光线产生弯折。以后我们会介绍，目前观测到的宇宙中暗物质质量大约是普通的物质的5倍，通过观测这些光线弯折的引力透镜效应，科学家们可以得到子弹星系团的质量分布（图13中蓝色部分），主要是暗物质的分布。由于暗物质和普通物质之间除了引力没有其它的相互作用，在碰撞中，普通物质发热、粘在一起，速度减慢了，而暗物质则穿过去，结果就形成了图13中观测到的红、蓝分离的效果。这个观测结果，用暗物质理论可以给出很好的解释，若要用暗物质以外的其它替代理论，那必须要对子弹星系团的观测做出合理解释，才能被大家所接受。

                               图14 天体的电磁辐射和地球的大气吸收
　　X射线是传统的光学波段之外有力的天文观测武器，除了上面说到的致密天体吸积和星系团中的暗物质，我们还可以通过X射线观测研究太阳日冕和耀斑、激变变星、超新星遗迹、射电脉冲星等等。但是在地面上无法进行X射线观测，因为大气层会对X射线剧烈吸收（图14），所以要观测X射线，必须发展空间天文设备。

　                图15 中国硬X射线调制望远镜（HXMT）卫星模拟示意图　
　　鉴于X射线观测的重要性，我国在2016年发射了硬X射线调制望远镜卫星（Hard X-ray Modulation Telescope，HXMT），俗称“慧眼”（图15），它可以开展宽波段、大视场的X射线巡天，对黑洞、中子星、伽玛暴、X射线双星、银河系内X射线辐射源等开展深入的研究。HXMT的成功发射和运行，使我国在国际竞争激烈的的高能天体物理观测领域占有了重要的一席之地。

　　19世纪末的人们无法理解，阴极射线打在金属原子上，为什么会释放出如此奇异的X射线，这射线从何而来？伦琴自己也没有意识到，自己的发现揭开了历史新的一页，之后不久，新的自然定律（相对论、量子论）、新的物质形式、关于宇宙作用力的解释会先后登上历史舞台。因为X射线的发现，伦琴获得了1901年也是历史上第一个诺贝尔奖。

　　世纪末的危机

　　一个世纪快过去了。站在19世纪的末端，我们看到在这个世纪，麦克斯韦、法拉第、赫兹等人建立起了电磁理论，焦耳、亥姆霍茨、克劳修斯等人建立起了能量守恒和转化定律。而在世纪之初，道尔顿提出了原子理论，之后门捷列夫制出了元素周期表。大家觉得物质世界的规律基本搞清楚了，可以休息休息啦。

　　人们刚刚才接受原子论的观点，认为宇宙万物就是由元素周期表上的元素构成，这些元素的最小微粒是原子，原子是不可分割的。但是电子的出现，把这个理论撕开了一个缺口。汤姆逊的实验告诉大家，所有元素的原子内部，都有电子，原子不再是不可分割的。而伦琴发现的X射线更为奇特，这种射线从原子内部发射出来，几乎可以穿透任何东西，让人们开始怀疑原子内部是否别有洞天。

　　下一回中，我们会介绍，贝克勒尔、居里夫妇发现有些原子还具有天然的放射性。元素铀、镭、钋等持续不断地辐射能量，释放出远远超过那个时代所知的任何一个化学反应能放出的能量，这让人们对能量守恒的信仰产生了动摇。这些能量的来源究竟是什么？

　　在电子、X射线、放射性的背后，隐藏着一个人们还不了解的物质世界。人们即将进入新的世纪，在这个世纪里，科学家们会发现一个新的世界，这个世界就在原子的内部。