原子彈的威力1903―1999(2)

然而，直到19世紀早期才出現接近現代理論的原子論，約翰·道爾頓(1776—1844)首先做出了貢獻。他是一個氣象學家和色盲現象的發現者。1803年，道爾頓觀察到氧氣和碳會形成兩種化合物，其中一種化合物（二氧化碳）中的氧與碳的重量比正好是另一種（一氧化碳）化合物中該比例的兩倍。由於不同元素可以以一個固定的重量比組合，道爾頓推斷出所有既定元素的原子一定是相同的，因為它們有相同的質量，而微粒的質量不同，元素也就不同。化合物是由不同元素以固定比例組成的原子構成的，而在這個有序的重組過程中會發生化學反應。19世紀末，德國的威廉·倫琴（1845—1923）從試驗中發現了一種新的奇怪的帶負電荷的放射物。它被命名為X射線。X射線的發現使倫琴獲得1901年的諾貝爾獎。1年之後，即1896年，法國科學家亨利·貝克勒爾（1852—1908）發現了放射性物質。他觀察到鈾能夠使一張封在黑色紙中的底片變黑，但剛開始，他還認為是由太陽光線的刺激造成的。第二年，J·J·湯普森（1856—1940）在劍橋的卡文迪許實驗室取得重大的研究突破。它在用負極電流做的實驗中發現了電子，並用波義耳創造的詞「負的粒子」稱呼它。兩年後，歐內斯特·盧瑟福（1871—1937），一個後來成了英國「核物理實驗之父」的直率、友好的紐西蘭人證實了鈾中含有兩種不同的發射物。一種由正的帶電粒子組成，他稱之為α粒子；第二種穿透力更強也較易解釋，即β射線。在世紀之交，英國的弗里德里克·索迪（1877—1965）觀察到了放射性物質自發分裂成不同形態的物質的過程。他將之命名為「同位素」。來年，即1902年，他和盧瑟福共同發表了放射性元素蛻變理論。1903年和1904年，諾貝爾獎項中第一個物理獎共同頒發給了發現放射現象的貝克勒爾、皮埃爾·居里（1859—1906）和瑪麗·居里（1867—1934）。後來諾貝爾化學獎頒給了α射線的發現者盧瑟福。1905年，阿爾伯特·愛因斯坦發表了他獨特的相對論。這個新的方程式使物理學的理論發生革命性變革，並最終改變了人類對自然界的思考方式。但兩年後，盧瑟福在曼徹斯特又做了一個新實驗，直接研究物質的內核。他與蓋格爾計數器的發明者漢斯·蓋格爾（1882—1945）和一個18歲的大學生歐內斯特·馬斯頓（1888—1970）一起合作，用α粒子轟擊一片極薄的金箔。從微粒少量合成物中推斷出「原子最偉大部分」一定集中在一個微小的原子核上。後來，他說：「這是一生中發生過的最難以置信的事……幾乎就如同你用手槍將子彈射向一張15英寸大小的稿紙，而子彈竟然反彈回來，射中了你自己一樣令人難以置信！」即使有了這次偉大的發現，要理解原子結構的內在秘密還有一段很長的路要走。另一位重要的貢獻者是聰明、直覺敏銳的丹麥物理學家玻爾（1885—1962）。他進入了量子研究的新領域，為量子物理學的發展奠定了基礎。他觀察到放射性物質來自原子核，而它們的化學特徵取決於電子。1923年，他爭論說電子以一種「固定的狀態」存在——這種穩定的軌道使它們不至於以螺旋式轉向比它們大的原子和或者旋轉到其他地方。後來，他又發現原子一加熱，吸收到更多的能量，在軌道運轉的電子會間斷地躍遷到新的固定狀態。在原子核周圍找到新的循環路線，離中心更遠，冷卻後會跳回原來位置。玻爾1922年獲諾貝爾獎，比愛因斯坦晚1年。1919年，盧瑟福成了報紙上的頭條新聞。興奮的記者稱這個紐西蘭人已經「分裂了原子」。嚴格地講，他所做的是以高速α粒子撞擊氮原子，於是取出氫核，得到一個新原子——氧元素的同位素。這意味著一項新的提取新元素的技術的誕生，而不是簡單地釋放原子中的放射線或者測量放射性元素蛻變產生的物質。但是盧瑟福的一個很大不足是他拒絕承認原子核是可用能量的來源。大約20年之後，另一個新的不同的試驗得出了世界核物理界聞名的「二元裂變」這一結論。該實驗由德國人奧托·哈恩（1879—1968）和弗朗茨·施特勞斯曼(1902—1980)進行，並由他們的澳大利亞猶太人同事利茨·邁特納（1878—1968）和奧托·弗里希(1904—1979)解釋。一戰後，有了更多的試驗和推斷，包括歐文·薛定諤(1887—1961)在1926年提出的物質在原子能級像波一樣運動的理論。次年，沃納·海森伯（1901—1976）做出一個更讓人吃驚的論斷：要精確界定基元事件是有限制的。他主張微粒的準確位置和動量是不能同時做出詳細說明的。這就把不確定性帶入了原子的世界，也就是海森伯聞名至今的「測不準定理」。形狀變得模糊。它的作用如同炸彈一樣，摧毀了整座精心構造的后牛頓科學決定論的大廈。在此十年間，實驗者們如弗蘭西斯·阿斯頓（1877—1945）使用大量攝譜儀研究放射性核素。C·威爾遜（1869—1959）和阿瑟·H·康普頓(1892—1962)成立研究所繪製放射物電離化的可見軌道。1931年，美國人歐內斯特·O·勞倫斯（1901—1958）設計發明了回旋加速器，用重達成千上萬噸的磁鐵加快微粒的運轉速度。他們都贏得了諾貝爾獎。但直到1932年，人類在原子結構上的研究才有重大突破。盧瑟福的助手詹姆斯·查德威克把法國夫妻組弗雷德里克·約里奧(1900—1958)和巴黎瑪麗·居里研究所的約里奧·居里的實驗繼續進行下去，並從盧瑟福1930年的實驗中得到靈感，發現了繼電子和質子之後的第三種微粒：中子。