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“原子物理”课程读书报告 量子理论之前的原子结构探索简史及启示 乔宽 （请选择 —— 作演讲报告：不愿意。） 院系：物理学院 学号：1200011407 Email 地址：qiaokuan@pku.edu.cn 引言 费曼曾说，“如果，在某次大灾难里，所有的科学知识都要被毁灭，只有一句话可以留存 i 给新世代的生物，哪句话可以用最少的字包含最多的讯息呢？我相信那会是原子假说。” 由 此可见原子的发现对于人类科学进程起到了多大的推动作用，我们可以说它是人类认识物质 基本结构的历程中最关键的一步。最近读了一些物理学史的书籍，在本文中我希望通过回顾 自古以来人类对原子的认识过程总结科学研究的基本思想并同时阐述自己的看法。 古代朴素的原子思想及最初的探索 从原始社会，人类开始使用石头、野兽的皮毛、骨骼作为工具的时候开始，人类便开始 了对于自身所处环境更深一步的探索与思索。很自然地，他们之中的一些懂得了种种工具是 用什么做的之后便会开始思考身边的其他事物，包括自己，是用什么做的。他们发现事物都 是可以分割的，一棵树可以分成枝干和叶片，一片叶同样可以分出叶肉与叶脉，而再其中还 会有流动的液体……因此，人们逐渐意识到，物质是否可以就这样不断分割下去直至无法再 分为止。那么在分割最后得到的最小单位就是组成物质的基本单位了。于是给这个小东西起 个名字，叫ατομος，意为“不可分割的”。 直到1803 年，英国化学家约翰 ·道尔顿首次系统提出了原子论，认为所有物质由不可再 分的原子组成；某一原子具有特定质量和其他性质；原子具有三种存在形式：简单元素、复 合分子、复杂分子。并用这样的原子概念解释了为什么不同元素总是呈整数倍反应——倍比 定律。 其实，许多科学、哲学问题的起源都只不过是人对于身边事物最朴素、最简单的发问。 所谓的终极关怀也不过如此。而我们进行科学研究的目的大概也仅仅就是回答这些最简朴但 却最不简单的问题。所以科学的态度远不只是逻辑、演绎、计算，而更为本质的应当是善于 发问、善于怀疑的头脑。 “原子物理”课程读书报告 物理学家对原子结构的深入研究 十九世纪末，科学家开始了对新发现的阴极射线现象的思考，有人认为此射线类似紫外 线，是一种“以太波”；有人认为它由带负电的物质微粒组成。然而由于当时的实验做得不够 ii 精确，难以判断，两种观点相持不下 。直到1897 年，J. J. Thomson 利用放电管测量了“阴 极射线”（电子）的荷质比，才认识到，阴极射线里的这微粒竟小于氢离子质量的千分之一！ 可想而知这在那个原子不可分观念深入人心的时代里会带给人多么大的震撼。同时这也为解 释当时按照经典理论无法理解的原子线光谱发射和吸收特征提供了新的可能。随后 Thomson 提出了将带负电的电子镶嵌在带正电的背景介质上的“布丁模型”。 然而，值得注意的是，J. J. Thomson 并非测得 实验现象的第一人，在他之前先后还有 Schuster、Kaufman 等人同样得到过相同的结论，然而他们要么不敢相信其如此小的质量，要 么仅仅不愿承认阴极射线是电子。似乎在物理研究的过程当中，人们往往更容易在理论与实 验产生有规律的细微差别时找到其中的联系以做出改进，如对于估计声子对固体的热容，爱 因斯坦模型在T→0 时其实与实验结论产生了细微的偏差，后来彼得·徳拜注意到了这一天并 在 1912 年提出了新的方法正确地预言了低温时的固体热容，与T3 成正比。可是当理论与实 验产生很大偏差时，人们的第一反应却容易是否定。然而，很多革命性的成果却恰恰蕴藏在 出乎意料的结果当中。物理是一门以实验为基础的科学，对于实验现象及其结论应当给予百 分之百的尊重，如果与当前的认识相去甚远，不应立即予以否定。很多时候，做科学研究需 要敢于革新敢于跳出既有框架的勇气。