話說 2400 年來的原子研究歷史 - Theresa Doud

完整課程請見：http://ed.ted.com/lessons/the-2-400-year-search-for-the-atom-theresa-doud

我們怎麼知道物質由甚麼東西組成的呢？探究原子一直是漫長的歷程，開始於 2400 年前的希臘哲學家，後來繼續由一位貴格會員與一些獲得諾貝爾獎的科學家接續下去。Theresa Doud詳述原子理論的歷史。

課程設計：Theresa Doud，動畫：TED-Ed。

古希臘哲學家、

19世紀的貴格會成員，

與諾貝爾獎科學家的共同點是甚麼？

儘管他們相隔超過2400年，

他們的貢獻都為了這個永恆的問題：

物質是由甚麼所組成的？

德謨克利特在公元前440年首次提出：

這世界上的一切都由微小粒子所組成，

粒子的四周都是空的。

他甚至推測粒子依它們組成的物質不同，

而有不同的大小與形狀。

他稱這些粒子為「atomos」--
希臘語中的「不可分割」之意。

他的觀點不被當時
較受歡迎的哲學家接受，

例如亞里士多德就完全不同意，

他認為物質是由四個要素組成：

土、風、水、火，

其後大多數科學家紛紛遵從。

原子觀念被所有人遺忘，直至1808年，

一個名為約翰‧道耳頓的貴格會老師，
他試圖挑戰亞里士多德的理論。

不同於德謨克利特的原子論是純粹的理論，

道爾頓展現同種物質都可被分解成

相同的比例的數種元素。

他的結論是不同的化合物

是由不同原子的元素所組合

每種元素的原子都有
特定的大小與質量，

而且原子既不能被創造、也不能被消滅。

雖然他的研究得到許多讚譽，

作為貴格會員，道爾頓
一生一直保持謙虛低調。

現在原子論被科學界接受了，

但接下來的重大進展，

卻直至近一個世紀之後才發生：

1897年物理學家J•J湯木生發現電子。

在我們可以稱之為巧克力餅乾模型原子，

湯木生的原子是負電荷的電子，

均勻分布在球狀正電雲中。

湯木生因發現電子
而榮獲1906年諾貝爾物理獎。

但他的原子模型沒有維持很久，

這是因為他有一些非常聰明的學生，

而歐尼斯特•拉塞福必列名其中，

他被稱為原子核物理學之父。

當研究X射線對氣體的影響時，

拉塞福決定更進一步研究原子，

他用帶正電荷的α粒子轟擊金箔。

在湯木生的原子模式中，

原子中均勻分布的正電荷

並不足以使α粒子發生偏轉。

結果應像是以一堆網球

射向一張薄薄的紙屏。

結果是：雖然大多數的顆粒都穿過金箔，

但是一些被反彈回來，

表示所金箔片更像有大網眼的厚網，

拉塞福的結論是原子中除了幾個電子外，

大部分空的，

大部分的質量集中在中央，

他稱之為原子核。

多數α粒子由原子中空部位通過，

但撞到帶正電荷原子核的就被散射開。

但原子論尚未完備，

1913年，湯木生的另一個學生尼爾斯•波耳

對拉塞福的核模型進行擴展修正。

他延續早期馬克斯•普朗克和
愛因斯坦的研究成果，

他提出：電子繞核的軌道

有固定的半徑與能量，

電子能夠從一層跳到另一個，
但不能存在於各層間的空間。

玻爾的行星模型成為主流的學說，

但很快，它也遇到了一些困難。

實驗已經證明，
電子不僅僅是一顆顆的粒子，

同時也會表現出波的特性，

並非局限於空間中的特定位置。

因此海森堡並提出了
著名測不準(不確定性)原理，

表示當測量一個電子時，

不可能同時確定

電子的確切位置與速度

電子不能被精確定位，

但存在於可能位置的範圍內，

此觀念啟發了現今原子的量子模型，

那是一套迷人的理論，
具有全新的複雜性，

然而其意涵尚未被完全掌握。

雖然我們對原子的理解不斷的進化，

但原子的存在為基本事實，

讓我們放煙火慶祝原子學說的勝利！

電子在環繞原子能階之間轉移時，

它們以特定波長的光釋放或吸收能量，

導致所有我們看到奇妙的色光。

我們可以想像德謨克利特
從什麼地方看著煙火，

心滿意足於經過了兩千多年，

他的學說一直都是正確的。