【探索21-2】從傳說到傳奇,原子真的存在嗎?

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講師|中正大學化學暨生物化學系教授 胡維平
彙整撰文|賴加翌

原子的概念從哲學的觀點開始,一步一步變成人人確信的科學。但是到了今天,我們仍然要問:物質真的都是由原子構成的嗎?

我們可能在學生時代就學過原子,並且對此確信不移,但這個概念發展到現在這樣可是經歷了漫漫長路。古代的人沒念過化學,不過自從他們在石器時代知道用火以後,生活就跟化學密不可分。攤開我們熟知的週期表,把每一個元素標上發現年代,就會知道有些是從遠古時代就發現的。所以化學家不是近代才有,我們的祖先其實也算。只是他們那時候不會想太多,要等到生活水準到了一定程度,才會回頭想知道什麼是構成物質的基本粒子。

●科學進展和原子學說

西元前400多年前,德莫克利特提出最早的原子理論,認為物質是由無法再分割的粒子所組成。中世紀的希臘哲學家蘇格拉底、柏拉圖、亞里斯提出四元素理論;在另一邊的中國,則是用五行學說的金、木、水、火、土來解釋物質的組成,但這些理論都沒有非常強的事實根據。

當人們想知道為什麼有些物質會燃燒、有些不燃燒時,德國醫生貝歇爾和化學家斯塔爾就先後推動了燃素理論。他們認為容易燃燒的物質裡面,含有豐富的燃素,燃燒之後燃素被排到空氣當中,剩下的灰就是沒有燃素的物質,所以不燃燒。

隨著科學家對氣體的研究,燃素概念慢慢受到挑戰。凱文迪西在1766年發現氫氣,並且氫氣和氧氣混在一起會爆炸。氫氣和氧氣如果以2:1的比例混和可以產生水。所以從亞里斯多德以來,認為水是元素的概念就遭到了懷疑。後來,被稱為現代化學之父的法國化學家拉瓦節,做出了第一份現代元素表,徹底推翻四元素理論,並提出燃燒理論推翻燃素理論,說明燃燒反應就是跟氧的結合。

普魯斯特的定組成定律、給呂薩克的氣體壓力與溫度以及體積結合定律、道耳吞的倍比定律、亞佛加厥提出同溫同壓同體積同分子數,到1869年門德烈夫做週期表為止,都還在停留在元素的發現和原子的概念,沒有深入討論原子的結構。直到十九世紀末,德國物理學家倫琴在研究陰極射線管時發現X光。之後法國的貝克勒發現鈾礦就算沒有照射陽光,依然能讓底片感光。居禮夫婦發現鈾礦放射性的強度,只和鈾的量有關,和化學環境無關。他們認為這個放射性是來自於原子的內部,這也暗示著原子不是最基本的粒子。

發現X光的年代,湯木森發現了電子。他認為陰極射線是一種粒子,且比當時所知最輕的氫原子的質量還要小1000倍,所以原子是可以分割的。他建立梅子布丁模型,認為原子內部是正電和負電混雜在一起的狀態。拉賽福在1908到1913年,用α粒子撞擊金箔片的實驗推翻布丁模型,證明了原子的質量集中在一個非常小的、帶正電的核心,而電子在外面環繞,於是他提出行星模型。

當人們很清楚知道原子裡面還有質子、中子,就跟著衍伸出進一步問題:它們能不能再繼續分割?後來發現質子、中子也不是最基本的粒子,它們是由更基本的粒子夸克所構成。所以依現在最新的觀點來細看原子,可以看成電子在原子核外圍不斷的運動,原子核內含有質子與中子,而質子、中子又分別是由三個夸克所組成。

量子理論的發展也逐漸改變了人們對原子的觀點。1920年代,波恩、海森堡、迪拉克、薛丁格等物理學家以不同方式提出量子理論。我們本來認為電子是圍繞原子核在運動,但現代量子理論認為電子在原子內運動的「軌跡」是沒有意義的,只能知道電子在不同地方出現的機率分布。原子因為太小,無法藉由肉眼用光學儀器直接看到。所謂原子的影像,都是假設原子存在的情況下,對圖像做出的解釋。原子和分子本身沒有邊界,大小和形狀的意義完全來自於和其他物質或光線的交互作用。如果單獨一個原子擺在宇宙中,它的範圍可以說是無窮大。

●自然界的原子從何而來,物質真的都是由原子構成的嗎?

原子究竟是138億年前的大爆炸產生的?還是太陽製造出來的?或是地球裡面的元素慢慢衰變出來的?答案是都有。早期認為所有物質都是大爆炸那一瞬間形成,但宇宙生成30分鐘後,所有的核反應都停止了,那時的原子核僅包含75%的氫和25%的氦。大約到了40萬年以後,電子才開始與原子核形成中性的原子。兩三億年以後,才有恆星產生。

太陽內部進行核融合反應,將4個質子融合成氦原子核、3個氦融合成1個碳原子核、碳和氦融合成氧原子核。質量大的恆星,能形成鈉、鎂、矽、磷、硫、鈣,一直到鐵、鎳等原子核,而這些恆星生命末期的超新星爆炸才能產生許多比鐵重的元素。有些白矮星可以吸收伴星的物質,經過另一種超新星爆炸後產生3d過渡金屬;中子星之間的碰撞合併爆炸,則可以產生金、銀、鉑等等貴重元素。

1970年代以來有越來越多的證據顯示,宇宙中有看不見但帶有質量的黑暗物質。它們不跟光產生任何的作用。2013年普朗克太空船觀測結果顯示,黑暗物質比一般由原子構成的物質多五倍以上。雖然科學家目前並不知道這些黑暗物質究竟是什麼,但是可以肯定它並不是由原子所組成的。人類對於宇宙組成的研究似乎仍將有一段如同原子發現的過程一般精采的旅程等著我們去探索。

 

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本文整理自:108/3/23由胡維平老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「傳說到傳奇,原子真的存在嗎?」演講內容。

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