阿吉老師的課後閒聊 × 敗家開箱 × 旅遊隨記 × 育兒筆記: 【國二理化】淺談國中理化中的科學史-從早期科學到原子說與近代物理的脈絡（下）

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在前文中，我們提過了一堆的科學家，這些科學家奠定了古典科學的基礎。

也把元素與原子的概念確定好了！

但是科學家的好奇心是永無止境的！

漸漸的開始就有人想了，有沒有更小的？

湯木生(Joseph John Thomson，1856~1940)

１９世紀中後期，電磁學的應用逐漸發展成熟，各式電的應用開始出現，電報、發電機……的電力裝置開始被發明出來。雖然科學家們對於電流的特性已有相當程度的掌握，但是對於「電」的本質可說是沒有太多的了解。

這個時代科學界正流行起一個神奇的電力裝置——陰極射線管。１８５８年，德國物理學家普呂克在一根真空管（接近真空，大約１０^-３pa）兩端放上陰極以及陽極（就是兩塊金屬板），並給予強大的電位差（電壓），藉以觀察真空管中氣體的放電過程，這時有趣的現象發生了，當打開開關給予電壓後真空管開始發出光芒，並且出現明顯的光束軌跡，科學界對此一放電現象十分感興趣，這個光是怎麼來的？還有這道軌跡究竟是代表什麼呢？

「陰極射線究竟是波還是粒子」這個議題自陰極射線管被發明以來，已經吵了將近三十年，１８９６年，在英國科學會的請託下，正值４０歲的湯木生，正式加入了這場世紀論戰。在接受這個任務後，湯木生開始著眼於過去實驗的成果，物理系出身的他擁有電磁學方面的札實基礎，仔細回顧後他發現，

「如果這種射線帶磁又帶電，那我只要能證明他有質量，那不就可以證明陰極射線就是粒子了嗎？」

１８９７年，湯木生發表了一篇名為《陰極射線》的論文，其中寫道：

「陰極射線的電荷粒子比起電解的氫離子，ｅ/ｍ值大得多。ｅ/ｍ大的原因可能是ｍ小，也可能是ｅ大。我想，陰極射線的電荷粒子要比普通分子小。這可從射線穿過薄鋁片的實驗得知。」

註：ｅ/ｍ值：又稱荷質比，指電荷與質量之間的比值。

這份論文對科學界開了關鍵性的一槍，除了把爭論多年的陰極射線究竟是波還是粒子的問題解決完之外，更重要的是，湯木生發現了一種比原子還小的粒子，這種粒子十分微小，存在於原子之中。而這個結論也意味著——原子是能夠被切割的鐵則被打破了。在這篇論文被提出時，湯木生將這些負電粒子稱作「微粒」，直到１８９９年，他採用科學家斯坦尼所發明的「電子」一詞，來稱呼這種微粒，而「電子」的發現也讓湯木生得到了１９０６年的諾貝爾物理獎。

而後，湯木生也提出了他所構想的原子模型。葡萄乾布丁模型

延伸閱讀：https://lis.org.tw/post/00002046

拉塞福（Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson，1871年8月30日－1937年10月19日）

湯木生的學生。

當時正值湯木生發現電子之後，居里夫人發現「鐳」並對放射性做研究的階段，科學界正因為這一連串的發現開始注意到一個十分重要的課題，那就是「原子內部究竟是什麼樣子」。當時的科學研究成果不管是JJ湯木生發現了電子、居里夫人發現了放射性、侖琴發現的X光，這些發現都來自於原子的內部，但原子裡面究竟是什麼樣子，在此之前只有湯木生所提出的「西瓜模型」對原子內的世界做了簡單的預測。

而實驗上，拉賽福成功利用強大的磁場將具有強烈放射性的原素「鐳」分離出三種不同的射線，並將這三股射線的性質做紀錄加以命名，也就是我們現在所說的αβγ射線，當時只知道有其射線，但是射線的本質是什麼還不清楚。

拉賽福在放射性的研究上取得十分豐碩的成果，對當時實世界許多領域都造成轟動，他發現發現元素的半衰期，並由半衰期推斷出地球的年齡遠高於當時宗教所認為的6000年、發現同位素，藉此證明原子量並不是最適合做元素排序的指標(其學生莫色勒發現真正的規律來自於原子序)。

年僅三十五歲的拉賽福在進行α粒子的實驗時，觀察α粒子撞擊金箔的情形。他和來自德國的實驗夥伴蓋格發明蓋格計數器（Geiger counter），這對他的實驗有很大的幫助。拉塞福曾經半開玩笑地說：「蓋格數粒子的模樣就像守財奴數他的金子！」

拉塞福的實驗設計很有趣：首先，α粒子由一個裝有放射線物質的小鉛盒射出，通過真空的環境，朝著一塊僅 0.0000086 cm 厚的金箔撞擊。其實拉塞福為了驗證他的金箔實驗事後嘗試過許多不同的金屬，包括鋁箔、鐵箔和鉛箔，但還是以他的金箔實驗最出名。在金箔的後面他架設了一個可以觀察火花的觀察孔，拉塞福請瑪斯登特別注意是否有粒子向後散射的情形，向後散射的α粒子會撞擊在硫化鋅屏幕上，產生細小的火花，可以清楚地看到。拉塞福當時只是隱約覺得梅子布丁模型似乎沒有辦法解釋他作金箔實驗觀察到的某些情況，而瑪斯登則認為這是磨練實驗技巧的好機會，於是相當小心地操作實驗。他先讓自己身處於黑漆的房間裡至少一小時，讓雙眼習慣黑暗，然後耐心地看著屏幕…… 結果竟然看到好多小小的火花閃爍著，約每秒一次！

當時包括拉塞福的科學家都沒有預料到這個結果。如果電子的分布如他們所以為的，像好吃的梅子般均勻地分布在布丁之中，那麼帶正電荷的α粒子（α粒子其實是少兩個電子的氦離子）應該會若無其事地穿過金箔，然後從金箔的另一面散射開來，因為金箔裡帶正電荷和負電荷的粒子應該是均勻分布的。可是事實顯然並非如此，居然可以觀察到有 α 粒子被金箔反彈回來。「太不可思議了！」拉塞福說：「這就像你拿大砲朝著衛生紙射擊，砲彈卻彈了回來！」拉塞福從這個觀察推測―顯然砲彈（射擊出去的 α 粒子）撞到金原子中某個位於中心的微小粒子，這個粒子至少和 α 粒子質量相當，同樣帶有正電荷的「核」，才有可能讓 α 粒子往後散射回來。他推測原子的結構是由位於中心的「核」和環繞在外園的電子所組成的，這個「核」僅僅只有原子的十萬分之一大，卻占有原子絕大部分的質量，而原子大部分是空的，所有的電子都繞著這個「核」旋轉。拉塞福提出的模型一點也不像梅子布丁或任何好吃的布丁，反倒像地球所在的太陽系了。

拉塞福的發現推翻他的老師湯姆森所提出的梅子布丁模型，然而當時的科學家還是比較喜歡梅子布丁模型，比較不喜歡太陽系模型，因為太陽系模型沒有辦法解釋為什麼原子內部帶負電的電子不會繞呀繞的最終就被吸引到帶正電的原子核中心去了。這個問題拉塞福也沒有辦法答覆，直到數十年後量子力學的概念發展起來，波爾（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）才用量子力學代替拉塞福回答這個問題。

故事還沒結束，１９１９年，拉賽福回到卡文迪西實驗室從他的老師JJ湯木生手中接下了主任的棒子，而這裡也是他研究生涯的最後一個階段，就如同他前三個階段，剛進卡文迪西實驗室轉換跑道後便分離出αβγ射線，到加拿大之後因為核衰變研究拿下諾貝爾化學獎，回到英國曼徹斯特後發現了原子核提出行星模型，這回他回到卡文迪西實驗室當主任，他決定要再來玩一次打碎原子的實驗。

這次一樣是拿α射線當作砲彈，但這次要炮打的目標是「氣體」，拉賽福將α射線射入滿是氮氣的空間中，藉此來看看砲彈打中氮氣後是否會有特殊的現象發生。而實驗確實發生了意料之外的結果，他在感應器中發現，竟然出現了「氧氣」！只含有氮氣的空間中經α射線的撞擊後，出現了原本完全不存在的氧氣，這個過程中還伴隨著一顆氫原子核的出現，對此拉賽福的推論是原本的氮氣和α射線發生了原子核的反應，所以才生成原本不存在的氧氣，這就是人類第一次以人為方法來發生核反應。

拉賽福除了成功完成了人類有史以來第一次的核反應外，還將這次實驗中出現的氫原子核定名為質子，過去許多科學家認為所有的元素都是氫原子所組成的，因為所有元素的重量都會是氫原子的整數倍，所以有這樣的說法，但這並沒有確切的實驗足以證明這項假設。不過在拉賽福實驗後發現，在這些核反應的發生過程中總是會伴隨氫原子核的出現，再加上一顆氫原子核的帶電量與一顆電子相同但電性相反，所以他合理懷疑與湯木生所發現的電子相對應的就是氫原子核，定將氫原子核命為質子，也就是人類發現的第二種亞原子粒子，如此一來原子內電荷的來源就得到了合理的解釋，只是，拉賽福發現，當我們能測量到原
子內的質子與電子後，將質子的質量加起來卻遠遠不及原子量(電子質量比質子小了2000倍左右加了並不影響這個結果)，所以剩下的質量是從哪來的呢？拉賽福大膽假設原子內一定有不帶電的粒子存在，但另一個問題是，一個不帶電的粒子到底要怎麼去找到他呢？這成了科學界的一道新難題。

延伸閱讀：https://www.ntsec.edu.tw/LiveSupply-Content.aspx?cat=6838&a=6829&fld=&key=&isd=1&icop=10&p=1&lsid=7021

https://lis.org.tw/post/00002066

查兌克（James Chadwick，1891年10月20日－1974年7月24日）

拉賽福認為，原子核內部應該有一種特殊粒子，這種粒子帶中性電，可能是由一個電子與一個質子共同組成的，這種複合粒子因為不帶電所以十分難被量測到。雖然拉賽福猜中性粒子是由電子與質子的假設方向並不正確，但這個原子內質量的難題也如同拉賽福所預估的那樣，由於帶有電中性所以無法用電場或磁場加以區別，實在是難以量測其性質，所以解答遲遲沒有出現，這一遲便是十年的歲月，直到最後成功解答這項難題的是在１９１１年便追隨拉賽福到卡文狄席實驗室的查兌克。

自從拉賽福開始用α射線當作砲彈打出原子核、打出質子後，許多科學家也相繼使用各式射線對著原子開火，希望藉此能夠找到更多原子核內的資訊。而這樣的嘗試確實也得到了不少的成果，只是這些資訊仍不足以解答原子核內質量的秘密。

直到１９３０年，德國科學家波特發現，若是使用放射元素釙的α射線去撞金屬鈹等特定物質，會讓鈹發出一種具有高能與高穿透性的射線，所以他也將這種射線叫做「鈹射線」。波特發表的實驗引起了當時放射元素的大家居禮夫婦(這裡的居禮是居禮夫人的女兒)的注意，１９３１年，他們重複了波特的實驗，發現鈹射線的穿透性強的超乎他們的想像，於是乎夫妻兩人開始著手深入研究這個鈹射線到底是什麼東西。就在隔年１９３２年，他們有了新的進展，居禮夫婦用鈹射線拿去打石蠟(表面上很多氫的碳氫化合物)，發現打出許多高速質子(氫原子核)，居禮夫婦因為這種射線帶中性電又具有高穿透性，所以將鈹射線解釋為一種高能γ射線。

當居禮夫婦發表著他們對鈹射線的推論同時，曾經提出中性粒子假設的拉賽福與其學生查兌克馬上就發覺，這個鈹射線應該不是γ射線，正常γ射線根本沒辦法高能到把質子打下來，而這種射線很有可能就是他們正在找的中性粒子。對此已經找尋中性粒子十多年的查兌克馬上開始重複居禮夫婦的實驗並檢驗這種射線究竟有什麼樣的性質。查兌克發現，雖然鈹射線和γ射線一樣，中性不帶電、穿透性極強，但有一點和γ射線十分不同，那就是γ射線是以光速前進，但這個鈹射線卻只有光速的１／１０快而已，對γ射線來說這樣的速度真的太慢了，速度沒γ射線大能量卻相當高，這個鈹射線更有可能是他們所預測的中性粒子了。隨著研究的加深查兌克還發現，將鈹射線直接打進氮氣中，會發現少數射線打入氮原子中，但γ射線並不會發生這種現象，很明顯的，這個鈹射線根本就不是γ射線。

就在居禮夫婦發表鈹射線研究的後一個月，查兌克便發表了一篇名為《中子可能存在》的文章，其中闡述了他對這種中性粒子存在可能的論述，並在不久之後發表了另外一篇名為《中子存在》的文章，詳細的介紹了自己的實驗與論述，並推論居禮夫婦所研究的鈹射線就是原子核內的中性原子——中子。