原子是一種非常神奇的粒子，它擁有複雜的結構，自然而然會發生神奇的變化。整個世界都是由大量微小的原子組成，原子又是由中子、質子和電子組成。

兩百多年來，科學家為了證實原子的存在、內部結構以及放射性特性，前赴後繼進行了大量的實驗研究。只有不斷深入瞭解原子結構及其變化，才能更好地瞭解利用核能，探測並控制核輻射。

原子非常小。物理學告訴人們，物質是由大量微小的原子組成，它們相互作用並構成了整個世界，但是原子用肉眼是無法看見的。

對於許多人而言，僅知曉這一理論還不夠。科學的一大成就在於，能透過真實的觀測解開宇宙之謎。

那麼，人們是如何得出原子存在的結論呢？對於這些微小結構，我們瞭解多少呢？

看起來證明原子存在的方法很簡單：將它們置於顯微鏡下進行觀測。然而，這個方法無法奏效。事實上，即使是最強大的聚光顯微鏡也無法看見單個原子。

物體可見的原理在於它會反射可見光波，然而原子比可見光波長還小，以至於二者無法相互作用。換而言之，原子之於光是不可見的。但是，原子會對一些人們可以看見的物體產生可觀測的效應。

1785年，荷蘭科學家簡-英格豪斯對一個他無法理解的奇怪現象進行了研究：在實驗室中，一些微小的煤塵粒子在酒精表面四處亂飛。在大約五十年後的1827年，蘇格蘭生態學家羅伯特-布朗也描述了一些有驚人相似之處的現象。

當他移動顯微鏡觀察花粉粒時，布朗注意到，一些花粉粒釋放出隨機四散開的微小粒子。一開始，布朗猜測這些粒子可能是某種未知的微生物。接著，他使用其它無機物質，如岩石塵埃，重複這一試驗，結果還是觀察到了同樣的奇怪運動。

為了解開這一現象之謎，科學家耗費了一個多世紀。隨著愛因斯坦研究出一套數學公式，他實現了對這種名為“布朗運動”的特殊運動型別的預測。

愛因斯坦的理論是：花粉粒產生的粒子之所以不停做無規則運動，是因為它們不斷與數百萬個更微小的水分子發生碰撞，而分子是由原子組成的。　　

倫敦科學博物館館長哈里-克利夫解釋說：“愛因斯坦對這一運動的解釋是，這些塵埃粒子受到單個水分子的碰撞影響後產生了運動。”

裝有馬耳他十字形金屬的布魯斯放電管。電流導致燈泡發光。

到1908年，由計算驗證的觀測實驗確證了原子的真實存在。之後的十年間，物理學家進行了更深層次的研究。透過分離單個原子，科學家開始進一步瞭解原子的內部結構。

不過，如今物理學家已經知道，原子不是一個堅固的小球，而是應該被看成微小帶電的“行星”系統，主要由三部分組成：質子、中子和電子。

質子和中子在一起形成一個“太陽”，即原子核，周圍有像行星的電子環繞運動。如果原子小得不可想像，那些這些亞原子就更小了。

有趣的是，在三個原子的組成部分中，最先發現的卻是最小的電子。核中的質子是電子的1830倍大，打個比方就像一個小鵝卵石繞行一個熱氣球。

然而，如何證明這些粒子存在呢？答案是，即使這些粒子很微小，但它們卻能產生巨大撞擊。

1897年，英國物理學家湯姆森使用了一套特殊的奇妙方法證明了電子的存在。這種特殊裝置就是克魯斯電極管，這是一根形狀奇特有趣的玻璃管，裡面的空氣幾乎被一機器抽空。

接著，在玻璃管的一端放入一個負電荷，足以去除管內氣體分子的電子。電子帶有負電荷，因此它們沿著玻璃管從一端流到另一端。由於內部真空，這些電子可在不受原子阻擋的情況下透過管道。

電荷使得電子迅速運動，大約是每秒59500公里，一直撞到玻璃管的另一端，撞入擁有更多電子的原子中。更為神奇的是，這種微小粒子的碰撞產生了巨大能量，發出眩目的黃綠色光芒。

克利夫稱：“這是某種形式的首個粒子加速器，它將電子從管的一端推向另一端時加速，當電子撞到另一端時就發出了這種磷光。”由於湯姆森發現可以藉助電磁場改變電子束的方向，因此他能夠確定這不是奇異的光線而是帶電粒子。

我們身邊的所有物質都是由原子組成。原子力顯微鏡能向我們展示單個原子。

人們也許會好奇，這些電子是如何單獨繞原子作環繞運動的呢？答案是，電離作用。電離指的是原子或分子受到高能粒子的撞擊等作用而變成帶有正電荷或負電荷的離子。

事實上，由於電子容易控制，因此它們可以在電路中運動。電子在銅線中的運動方式類似於火車運動，即從一個銅原子移動到下一個銅原子上，從而將電荷從銅線一端帶到另一端。

因此，他推理得出，原子一定帶有某些神奇的正電荷粒子，以抵消電子的負電荷。20世紀初，科學家進行了大量實驗確定了正電荷粒子，同時揭開了原子類似太陽系的內部結構。

可見光無法看到單個原子。

歐內斯特-盧瑟福及其同事進行了一項實驗，他們將薄金屬箔置於帶正電荷的射線束之下，結果發現絕大多數射線都能正常穿過金屬箔。

但是，令研究人員驚奇的是，一些射線卻被金屬箔反彈回去。盧瑟福推測其原因是，金屬箔中的原子必定含有一些帶正電荷的微小密集區域，除此之外沒有什麼可以如此強烈地反射射線。

他發現了原子中的正電荷，並同時證明這些正電荷與離散的電子不同，它們是被綁在某個緊湊的物質之中。換而言之，盧瑟福證實了原子中存在一個密集的核。

然而，又出現了一個新問題。

儘管科學家已能夠對原子質量進行估測，但是即便知道原子核中某個粒子的重量，有關它們都帶正電荷的想法也說不過去。

克利夫解釋說：“碳原子有六個電子，因此原子核中也有六個質子，即六個正電荷和六個負電荷。但是碳原子核的重量不止是六個質子的重量，它有十二個質子那麼重。”

早期有科學家認為，在原子核中還有另外六個粒子，它們與質子的質量一樣，卻不帶電荷：中子。

然而，無人能對此進行論證。直到20世紀30年代，科學家才真正發現中子。劍橋大學物理學家詹姆斯-查德威克為質子的發現作出了不懈的努力，直到1932年才在這一領域取得突破性進展。

在此之前，其他物理學家曾用射線進行實驗，他們在鈹原子上嘗試放射帶正電荷的射線，方法類似於盧瑟福發現原子核。鈹原子發射自身射線，這種射線既不帶正電也不帶負電，並且能夠穿透物質。

在這一時期，另一些科學家已經發現伽瑪射線是中性且極具穿透性，因此科學家認為鈹原子發射的就是伽瑪射線。然而，查德威克對此深表懷疑。他發射了一些新型射線，並將射線瞄準富含質子的物質。

出乎意料的是，這些質子如同被同樣質量的粒子撞擊，離開原物質飛入空中，而伽瑪射線是無法令質子發生偏離的。如此一來，查德威剋意識到，一定存在某種與質子質量相同且不帶電的粒子——這就是中子。至此為止，有關原子的所有關鍵問題都已解決，但是故事還未完。

鈾原子能一分為二。

儘管人們對原子的瞭解已大有進步，但是要對原子進行觀測仍非易事。1930年左右，無人能給原子進行直接成像。然而，許多人都想直接觀測到原子，以真正瞭解並接受它們的存在。

諸如湯姆森、盧瑟福和查德威克等科學家曾使用的科研手段，對後世的原子研究具有重要借鑑作用，其中尤以湯姆斯研發的克魯斯電極管實驗最為有用。如今，許多電子束都是由電子顯微鏡發射的，最強大的顯微鏡能夠生成單個原子的影象。

由於電子束波長比光束波長短數千倍，因此電子波可受微小原子影響發生轉向從而生成影象，而這是光束無法實現的。

倫敦大學學院的尼爾-斯基帕指出，對研究特殊物質(如用來製作電車電池的物質)的原子結構的人而言，這種影象非常有用。我們對原子結構瞭解的越深入，物質的設計製作就能越高效可靠。

目前，科學家使用原子力顯微鏡來對原子結構進行研究，原子力顯微鏡是一種可用來研究包括絕緣體在內的固體材料表面結構的分析儀器。

將一對微弱力極端敏感的微懸臂一端固定，另一端的微小針尖接近樣品，這時它將與其相互作用，作用力將使得微懸臂發生形變或運動狀態發生變化，從而獲取單個分子的影象。

利用這一方法，研究人員最新公佈了一系列奇妙的化學反應前後的分子影象。斯基帕補充說：“如今的許多原子研究都在探索，在高壓或高溫條件下，物質的結構會如何發生變化。

許多人都知道，當一個物質被加熱，它通常會膨脹。如果加熱液體，你會發現原子擁有更為混亂的結構。

這一切都可以直接從原子結構圖中看到。藉助查德威克在上世紀三十年代使用過的中子束，我們常做的實驗是，朝許多物質發射中子束，從散射圖樣中可以推斷原子核中散射出許多中子，從而計算出發生散射的物質的質量和大概體積。”

然而，原子並不是絲毫不動的，安靜穩定地等待檢驗。很多時候，原子會發生衰變，這意味著它們具有放射性。自然界中存在許多自然發生的放射性元素，它們在放射過程中產生能量，形成核能以及核彈。

核物理學家的主要研究內容是，深入瞭解核反應時所發生的基本變化。利物浦大學的勞拉-哈克尼斯-佈雷南是伽瑪射線的研究專家，她表示不同型別的放射性原子會產生不同的伽瑪射線形態，這意味著透過探測伽瑪射線能量就可以對原子進行辨別。

佈雷南解釋說：“藉助探測器我們可以測量射線的存在，以及射線儲存的能量，因為所有的原子核都有其特症指紋。”由於在射線探測區，特別是大型核反應區中存在各種不同的原子，因此精確瞭解存在哪些放射性同位素非常重要。

科學家通常在核能廠，或者發生核災難的地區進行這種探測。目前，哈克尼斯-佈雷南及其同事正致力於探測系統的研究，她表示：“我們要做的是研發科技裝備和手段，對一個三維空間進行成像，發現輻射的存在區域。”

雲室是一種核輻射探測器，也是最早的帶電粒子徑跡探測器。它利用純淨的蒸氣絕熱膨脹，溫度降低達到過飽和狀態，這時帶電粒子射入，在經過的路徑產生離子，飽和氣以離子為核心凝結成小液滴，從而顯示出粒子的徑跡，可透過照相拍攝下來。

這種探測手段的實驗結果的確令人驚歎不已。哈克尼斯-佈雷南用一句話很好地闡述了原子：“儘管原子非常小，我們卻能從中獲取非常多的物理學知識。”

這個是要從1914年說起，簡單來說就是一個科學家用阿爾法射線，轟擊一個原子時發現，絕大多數阿爾法粒子都可以透過，只有一小部分，方向發生了偏轉，還有極少部分直接沿著原來的方向反彈了回來，由此盧瑟福猜測出了原子的內部結構，一個帶正電的極小的原子核位於中央，周圍是圍繞原子核旋轉的電子盧瑟福的學生馬斯登在用閃爍鏡觀測。射線在空氣中的射程時，注意到實驗中出現了一些射程特別長的粒子．盧瑟福在助手的協助下前後做了3年左右的實驗，於1919年宣佈實現了輕元素原子的轉變．盧瑟福經過反覆試驗終於確定氮原子在a粒子的轟擊下發生了核的轉變，從氮核中放出了氫核，他的研究開闢了人工核反應的道路．後來，布拉凱特用威耳遜雲室記錄粒子的徑跡，找到了氮氣在Q粒子轟擊下產生氫核的證據，不過幾率非常小，在20000多張照片中只有8條徑跡出現氫核徑跡的分叉．1920年以前，人們根據積累的事實普遍認為原子核是由質子和電子組成的．這種觀念既包含了1815年普勞特關於一切元素的原子都是由氫原子構成的假說，又解釋了湯姆孫和阿斯頓用質譜儀得出的新發現．但是新的矛盾也出現了，莫塞萊精確建立了核電荷數Z與原子序數的恆等關係，證明質子數與電子數不可能相等，這就促使盧瑟福在1920年提出大膽的卻是經過深思熟慮的新假說：“在某些情況下，也許有可能有一個電子更加緊密地與氫核結合在一起，組成一種中性的雙子．這樣的原子也許有很新穎的特性．除非特別靠近原子核，它的外場也許實際為0．結果它有可能自由地穿透物質．它的存在也許很難用光譜儀進行檢測，也許不可能把它禁閉在密封的容器裡．換句話說，它應很容易進人原子結構內部，或者與核結合在一起，或者被核的強場所分解．’川要解釋重元素核的組成，這種原子的存在看來幾乎是必需的．”這就是著名的盧瑟福中子假說．

　　為了檢驗盧瑟福的假說，自1921年起盧瑟福的學生查德威克歷經n年終於在1932年找到了確切的證據．他對披特別感興趣，因為被在a粒子轟擊下是不發射質子的，據說被礦往往含有大量的氦，也許被核在輻射的作用下，會分裂成兩個a粒子和一箇中子．查德威克安排他的學生繼續對被進行輻射，做了大量實驗，實驗曾一度出現有利的證據，但由於放射源（車卜）不夠強，訊號太弱，無法做出判斷．

　　據查德威克回憶，當他讀到約里奧?居里報道被輻射的驚人特性的文章時，他把這一看法告訴了盧瑟福．盧瑟福喊道：“我不相信．”盧瑟福的潛意識是認為很可能這裡出現了多年想尋找的中子！查德威克立即用準備好的針源和新的探測儀器做了幾天緊張的實驗．1932年2月17日，查德威克給《自然》雜誌寫了一篇通訊，題為“中子可能存在”，這時離約里奧?居里夫婦的論文發表不到一個月．接著，查德威克在《英國皇家學會通報》上發表了題為“中子的存在”一文，詳細報告了實驗結果及理論分析．他首先證明高速質子流並非來自石蠟一類的含氫成分，因為即使不含氫的材料也會產生高速質子流，其中必有蛻變過程．他再用吸收法測質子的能量，測量值約為6．7MeV．根據能量守恆定律推算，被輻射如果是了射線，下光子應具有的能量為55Mev．用同樣的被輻射轟擊氮，推算氮原子的反衝能量最大為。．朽MeV，但實驗得到的資料卻是1．2MeV，不滿足能量守恆定律．查德威克在論文中寫道：“顯然，在這些碰撞過程中，我們要麼放棄應用能量與動量守恆，要麼採用另一個關於輻射本性的假設．如果我們假設這一輻射不是量子輻射（即丫光子），而是質量與質子幾乎相等的粒子，所有這些與碰撞有關的困難都會消除．”查德威克進一步用雲室方法測定了中子的質量，結果與質子的質量非常接近．再根據質譜儀的資料推算，得到中子質量的精確值為1．0067u．各方面的事實充分證明了中子的的確確存在著．

　　發現中子的意義主要表現在三方面：第一是為核模型理論提供了重要依據，從此核物理學進人了一個嶄新的階段；其次是激發了一系列新課題的研究，引起了一連串的新發現，其中最重要的是人工放射性、慢中子和核裂變；第三是打開了核能實際應用的大門．在研究原子核性質的過程中，人們逐漸知道了核子之間具有的核力是一種強相互作用．核力是一種短程力．作用半徑接近於1．5只10一’sm，在這個範圍內其強度量級相同，超過這個範圍其強度減少到可以忽略的程度．原子核內的質子間存在著強大的靜電斥力，個別粒子能夠以7MeV的能量相結合，顯然不是電磁力或引力作用的結果，1934年10月，日本的湯川秀樹提出了核力的介子理論，解決了核力難題．他認為：電子與電子之間的庫侖力，是由於一個電子放出的光子被另一個電子接收，這兩個電子之間就發生了庫侖相互作用，由於這種光子沒有離開電子，故稱之為“虛粒子”；在核子間一個質子和一箇中子透過交換一個“虛粒子”而間接作用，這表示它們都是“交換力”，即核力也是“交換力”，且隨它們之間距離的變化而變化．湯川秀樹根據核力的作用距離（約為10一’sm），估算出這種交換的“虛粒子”的質量約為電子質量的200倍，介於電子和質子之間，故稱之為“介子”．

　　20世紀4。年代以後，獲得的強子的數目大大增加．20世紀勃年代的電子散射實驗表明，質子和中子都不是點粒子，中子內部有著正電和負電的一定分佈．19以年蓋爾曼提出“夸克”模型．他認為，所有的基本粒子都由三種更為基本的“夸克”粒子組成，分數電荷從此登上歷史的舞臺．“夸克”是模仿一首長詩中形容的海鳥叫聲，似乎有點怪異，或許是該模型的締造者對分數電荷尚存疑惑吧．20世紀70年代初，用高能量的電子轟擊質子的實驗為“夸克模型”找到了證據．

一般認為，對原子結構的探索是物理學的事。其實，真正起關鍵作用的是化學，而純靠物理實驗，只能出一大波難以證實的猜想。由此，誕生了量子化學。化學自身，也從只探索怎麼樣的時代進入到探索為什麼的時代。

建議大家先學量子化學。

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原子的概念最初是由英國化學家約翰.道爾頓提出的。1803年他發表“原子說”，提出所有物質都是由原子構成。 原子結構發展史 前400年，希臘哲學家德謨克列特提出原子的概念。 1803年，英國物理學家約翰.道爾頓提出原子說。 1833年，英國物理學家法拉第提出法拉第電解定律，表明原子帶電，且電可能以不連續的粒子存在。 1874年，司通內建議電解過程被交換的粒子叫做電子。 1879年，克魯克斯從放電管(高電壓低氣壓的真空管)中發現陰極射線。 1886年，哥德斯坦從放電管中發現陽極射線。 1897年，英國物理學家湯姆生證實陰極射線即陰極材料上釋放出的高速電子流,並測量出電子的荷質比。e/m=1.7588×108 庫侖/克 1909年，美國物理學家密立根的油滴實驗測出電子之帶電量,並強化了“電子是粒子”的概念。 1911年，英國物理學家盧瑟福的α粒子散射實驗，發現原子有核，且原子核帶正電、質量極大、體積很小。其條利用(粒子(即氦核)來撞擊金箔，發現大部分(99.9％)粒子直穿金箔，其中少數成大角度偏折，甚至極少數被反向折回(十萬分之一)。 1913年，英國物理學家莫塞萊分析了元素的X射線標識譜，建立原子序數的概念。 1913年，湯姆生之質譜儀測量質量數 , 並發現同位素。 1919年，拉塞爾發現質子。其利用α粒子撞擊氮原子核與發現質子，接著又用α粒子撞擊棚 (B) 、氟 (F) 、鋁 (A1) 、磷 (P) 核等也都能產生質子,故推論“質子”為元素之原子核共有成分。 1932年，英國物理學家查德威克利用α粒子撞擊鈹原子核，發現了中子。 1935年，日本物理學家湯川秀樹建立了介子理論。

在早期的放射性研究中，盧瑟福已經發現放射性物質所發出的射線實際屬於不同的種類，他把帶正電的命名為α射線，把帶負電的命名為β射線，把那些不受磁場影響的電磁波稱為γ射線。1910年，盧瑟福用α粒子轟擊原子，發現了原子核的存在。從而建立了原子的有核模型。 如果原子有核，那麼原子核是由什麼構成的呢？由於原子表現出電中性，它一定是帶正電的，其帶電量與核外電子所帶負電量一樣。1914年，盧瑟福用陰極射線轟擊氫，結果使氫原子的電子被打掉，變成了帶正電的陽離子，它實際上就是氫的原子核。盧瑟福推測，它就是人們從前所發現的與陰極射線相對的陽極射線，它的電荷量為一個單位，質量也為一個單位，盧瑟福將之命名為質子。 1919年，盧瑟福用加速了的高能α粒子轟擊氮原子，結果發現有質子從氮原子核中被打出，而氮原子也變成了氧原子。這可能是人類第一次真正將一種元素變成另一種元素，幾千年來鍊金術士的夢想第一次成為現實。但是，這種元素的嬗變暫時還沒有實用價值，因為幾十萬個粒子中才有一個被高能粒子打中。到1924年，盧瑟福已經從許多種輕元素的原子核中打出了質子，進一步證實了質子的存在。 發現了電子和質子之後，人們一開始猜測原子核由電子和質子組成，因為α粒子和β粒子都是從原子核裡放射出來的。但盧瑟福的學生莫塞萊（1887—1915年）注意到，原子核所帶正電數與原子序數相等，但原子量卻比原子序數大，這說明，如果原子核光由質子和電子組成，它的質量將是不夠的，因為電子的質量相比起來可以忽略不計。基於此，盧瑟福早在1920年就猜測可能還有一種電中性的粒子。 盧瑟福的另一位學生查德威克（1891—1974年）就在卡文迪許實驗室裡尋找這種電中性粒子，他一直在設計一種加速辦法使質子獲得高能，從而撞擊原子核，以發現有關中性粒子的證據。1929年，他準備對鈹原子進行轟擊，因為它在α粒子的撞擊下不發射質子，有可能分裂成兩個α粒子和一箇中子。 與此同時，德國物理學家波特及其學生貝克爾已經先走一步。從1928年開始，他們就在做對鈹原子核的轟擊實驗，結果發現，當用α粒子轟擊它時，它能發射出穿透力極強的射線，而且該射線呈電中性。但他們斷定這是一種特殊的γ射線。在法國，居里夫人的女婿和女兒約里奧—居里夫婦也正在做類似的實驗，波特的結果一發表，就被他們進一步證實了，但他們也誤認為新射線是一種γ射線。 這一年是1932年，見到德國和法國同行的實驗結果後，查德威剋意識到這種新射線很可能就是多年來苦苦尋找的中子。他立即著手實驗，花了不到一個月的時間，就發表了“中子可能存在”的論文。他指出，γ射線沒有質量，根本就不可能將質子從原子核裡撞出來，只有那些與質子質量大體相當的粒子才有這種可能。其次，查德威克用雲室方法測量了中子的質量，還確證了中子確實是電中性的。中子就這樣被發現了。約里奧—居里後來談到，如果他們去聽了盧瑟福於1932年在法國的一次演講，就不會坐失這次重大發現的良機，因為盧瑟福那次正好講到自己關於中子存在的猜想。查德威克由於發現中子而獲1935年度諾貝爾物理獎。