免费下载！
[!--downpath--]第七课
原子的故事——揭开原子的面纱
主持人
“云端物理”系列微课简介
大家好，在为接下来的几节课打好基础之后，我们终于来到了数学的核心内容之一，那就是我们的世界是由什么组成的。
01 原子：空世界中的存在
我想与大家分享的第一件事是，我们的世界似乎是空的。 你可能会觉得奇怪，我们身边有各种各样的东西，高的、低的、大的、小的、重的、轻的、五颜六色的、五颜六色的。 为什么说我们周围的世界是空的？
那我们就来看看吧。 从大范围来看，整个宇宙从一颗恒星到另一颗恒星，从一颗行星到另一颗行星都是如此遥远。 距离我们最近的恒星是太阳，距离太阳最近的恒星光的传播需要4年时间。 光传播太阳大小只需4秒。 我们想一想，我们在4秒内经过一个物体，却需要漫长的4年才能遇到下一个物体——这是多么空虚啊！
世界的起源
所以我们从小尺度上讲，原子的物理部分只有1飞米大小，也就是10^-15m。 两个原子的宽度一般为10^-10m，这意味着相差五个数量级。 我们想象一下，如果一个原子有一个人那么大，那么如果我们把一个原子放在上海，那么下一个原子应该在天津——这是多么遥远的距离。 所以我们的世界是如此空虚。 如此空旷的空间里仅有的东西是什么？ 这就是我们明天要讲的——原子。
著名化学家费曼曾做过这样的比喻：假设我们这一代人类被核战争或者其他灾难打败了，那么我们最想传递给下一代人类的知识可以概括为：句子是哪一个？ 他说，最重要的应该是“世界是由原子组成的”这句话。 如果我们知道世界是由原子组成的，那么我们迟早都会发展出现代技术、核能和现代智能社会。
费曼
毕竟，我们的世界，我们的一切，世界上的一切，都不仅仅是原子的组合原子发光现象有哪些，也就是说，一束原子和一束香蕉没有什么区别。 例如，迫使我们呆在家里的病毒只有3万个核苷酸（右），每个核苷酸有20到30个原子，也就是说，原子数不到30个。 就是这么一个小小的集体，却能形成如此可怕的力量。 而我们人体大约有10^28个原子，我们整个宇宙大约有10^80个原子——这个数字非常大，也是可以理解和有限的。 比如我们的太阳有10^60个原子，那么整个宇宙中像太阳一样的恒星大约有10^20个，也就是几十亿（万亿）个太阳，大约就是这个大小。
病毒
人体
宇宙
02 水是世界的本质
我们提到了原子的概念，想了解原子的概念从何而来。我们的父辈
我很长一段时间都在思考，我们的世界是由什么组成的，事物又是什么。 在这一点上，东方文化和西方文化惊人地一致，但却逐渐走向不同的方向。
我老太太说，他在思考宇宙万物时，提出“道生一，一生二，二生三，三生万”。 也就是说，宇宙间的一切都是由这个“道”产生的。 这个“道”是什么？ 也许是事实，但它不是一个实体，他没有强调来。 后来，早期中国人发展了这个概念，形成了金、木、水、火、土五行的概念。 金生水，水生木，木生火，火生土，土生金。 相互作用和约束形成了我们的宇宙。
五要素
西方也有一个非常相似的概念。 最早思考世界起源的哲学家是古埃及的泰勒斯。 他提出“水是世界的本源，万物都是由水组成的”。 明天我们看到这句话可能会觉得好笑。 世界怎么可能是水组成的？ 有很多东西不是水。 而我们需要正确理解这句话。 如果你知道泰雷兹语言里的水是什么意思，水是什么意思，从我们现代的科学概念去理解，你会发现它是非常深奥的。 他的深刻性体现在两个方面。 首先，他强调世界有其本源，也就是说，广阔的世界是丰富多彩的，是由一个统一的东西、一个不变的东西组成的，而那个东西仍然是一个实体。 这个思想是非常深刻的。
此外，他还强调，这个实体可能是水。 我们可能会为此责备他，为什么是水呢？ 而你仔细想一想，水的本质是什么？ 水底部的原子大部分是氢。 如今的宇宙，根据目前的了解，我们宇宙的大约70%是氢，剩下的20%-30%是氦和其他一些元素。 所以我们的宇宙要么是氢，要么是氢中与质子结合的其他元素。 因此，说世界是由氢或水组成的并没有什么错。 它非常简单而且非常有洞察力。 所以这个概念非常重要，启发了人们后来开展各种科学研究。
后来古埃及的其他哲学家发展了这个概念，提出了“四元素”理论。 水、气、火、土是构成世界的基本元素，一切事物都是这些基本元素的混合体。 这与我们的金、木、水、土非常相似。
四个要素
03 “四”生万物——四元素论
泰勒斯认为水是世界的起源，但这可能与现实生活有点矛盾。 例如，一块木头非常干燥，没有水，所以人们并不完全同意。 最先提出指控的是他的中学生阿那克西曼德。 他自己说，世界的本源不是水，而是别的东西，一种连续的、不可分割的、连续的物质。 他首先批评了水是世界本质的说法，即所谓“我爱我的老师，但我更爱真理”。
他（阿那克西曼德）不同意老师的观点，但他的学生却更进一步。 他的学生是阿那克西美尼。 他（阿那克西美尼斯）强调这个不是水的东西应该是什么，它应该是空气。 他说，气是世界的本源，是一切物质的组成部分。 因为水在自然条件下蒸发而变得看不见，看不见的东西就是气，它无处不在，到处充满。
紧接着，赫拉克利特提出了一个不同的概念。 他说，可能不是水或空气，但应该是火。 如今，我们对火的感觉可能不太好。 火到底是什么？ 火可能是一种特殊的气场，一种非常欢快的气场。 按照目前的科学观点，火是我们看到的一种发光的热物质，其本质是其上的一些二氧化碳原子相互反应，释放出热和光，形成了我们感受到的火焰。 所以火是最令人愉快的气体。 赫拉克利特提出火是世界的起源，其核心是他认为世界是运动的——因为火是运动的。 他想指出的是，原始世界的一部分是不断地、不断地运动着的东西。
然后是恩培多克勒。 他总结了你的意见。 他说，也许大家说的都对，也不一定都对，这类东西应该是世界的本源，它们都是构成我们丰富世界的成分或基本元素。 根据他的观察，他添加了另一种元素：土壤。 因为有一些东西，比如石头，他觉得主要是土组成的，没有别的。
经过这些哲学家的发展，柏拉图进一步形象化了原本对世界的认识。 他的主要贡献在于，除了这四个要素之外，这四个要素还可能存在。 它们都有特定的性质，所有物质的性质都可以用这四种元素来解释，甚至这些元素本身也有一定的组成、一定的形状和一定的性质。
例如，他觉得这四个元素直接对应于四个四面体。 正如你可以想象的，二十面体就像一个球体。 他说，这就是水的形象——因为水可以像球一样流动； 这个多面体可以想象成一团火——因为它非常灵活； 最稳定的六面体是地球。 的图像。 另一种是正八面体，他认为是气——因为不注意的话是无法感知到的，它应该代表气。
四面体
而实际上只有五个（正）四面体，还有一种四面体称为正十二面体。 那么这些东西是什么？ 四要素如何对应？ 柏拉图的中学生亚里士多德补充了这一点。 他觉得我们地球上的事物是由四种元素组成的，天体中的事物、宇宙中的事物应该是由第五种元素组成的。 第五个元素是以太，对应于十二面体。 所以他越来越多地想象并解决这个问题。
亚里士多德极大地总结了早期人们对世界起源的认识，固定了四要素，推动了中信。 这种观念至今仍然影响着我们人类两千多年的文明史。 直到300多年前，才有人真正批评这个概念。
04两千多年来的物质观点
我举两个反例。 例如，伟大的医学家希波克拉底就采用了四种元素的理论。 他把四种元素运用到人体上，他觉得四种元素对应着人体上的四种汗液。 例如，血液对应空气，粘液对应水，黄色胃液对应火，黑色胃液对应土。 这四种汗液对应于构成我们身体的四种基本元素，但又相互平衡。 如果一种元素多了一点，我们的身体就会感觉不舒服，生病。 例如，气血较多，则可能是胃热；气血较多，则可能是胃热；气血较多，则可能是胃热。 如果我们的粘液较多，则可能存在水肿。 因此，他认为人体的健康和人体的生理状况可以用四要素的或多或少来解释，疾病的治疗也是基于这个原理。
甚至人们也用这四个要素来解释人的性格。 你可以想象这四种性格分别是乐观、冷漠、暴躁、忧郁（忧郁）。 直到今天，人们仍然习惯用这些组合来解释一个人的性格。
另一个反例是现代科学创始人开普勒（其中之一）。 他一直想用这四种元素或者几个四面体来了解我们的宇宙。 他认为这些主要行星的轨道就是这些四面体的组合。 这些四面体所确定的圆就是这些行星的天轨。 也体现了四大元素的巨大影响力或者说这些世界的本源思想。
开普勒的宇宙模型
波义耳是第一个批评四元素理论的人。 波义耳于 1661 年出版了一本名为《持怀疑态度的物理学家》的书。 在这里，他提出，正如我们昨天众所周知的那样，四元素理论太粗糙，不足以成为我们世界的原则。 比如一块铁锭，它是水、火、空气还是土？ 它可能没有这个，或者混合了它。 他觉得这简单的四个要素应该被更精确的要素和更精确的理解所取代，从而引起我们现代科学的发展。 波义耳被认为是现代物理学的创始人。
05“闻”原子的味道——古代原子理论
我昨天提到，四元素论统治了人类大约2000年，是我们认识世界的主流观念。 尽管不是每个人都有这种感觉。 这里有一位著名人物，古埃及哲学家德谟克利特。 德谟克利特大约比泰勒斯晚一点，与孟子大约同龄。 德谟克利特在思考世界的起源时，提到了一个非常重要的概念。 他说世界应该是由原子和虚空组成的。 原子是不可分割的小单位，构成了世界上的一切。 ，这个空间——虚空——正是这些原子运动的舞台。 根据西班牙语或英语，所谓atom的意思是不可分割的，a的意思是不可分割的，tom的意思是分开的。 原子本身是不可分割的小粒子。
德谟克利特
那么德谟克利特是如何提出“世界由原子组成”这一重要概念的呢？ 传说德谟克利特在街上走了三天，突然闻到了糕点的香味。 抬头一看，街角有一家蛋糕店。 这一现象引起了他的深思：他怎么会知道上面有蛋糕呢？ 一定是有一些小蛋糕颗粒飘过来，进入了他的眼睛，被他闻到了，所以他知道有蛋糕。 他认为这个蛋糕的小颗粒是一个原子，蛋糕的原子。 这样看来，世界上所有的物体都应该是这样的，都是由非常小的粒子组成的。 我们之所以能够体验到这个世界，是因为这个物质的各种小颗粒——这些不可分割的小颗粒进入了我们的身体，比如进入了我们的眼睛，进入了我们的眼睛，走进了我们的身体。 进入我们的耳朵。
蛋糕
更有趣的是，德谟克利特认为人类灵魂也可能是由原子组成的。 我们的身体是由原子组成的，而我们的灵魂可能是由更精细、更精致的原子组成的。 所以他提到，如果一个人的身体消失了，所有的原子都飘浮起来，构成灵魂的更精细的原子也飘浮起来，所以灵魂就不存在了。 这是一个非常简单的理想主义观点。 德谟克利特提出了这些原始朴素的原子理论原子发光现象有哪些，认为世界是由原子组成的，被称为经典原子理论。
我们知道，在德谟克利特时代，这些思想还不是主流，没有被当时的人们，特别是柏拉图和亚里士多德普遍接受。 他们非常讨厌德谟克利特的这些思想。 柏拉图甚至提议烧毁德谟克利特的所有专着，以免这些错误的知识——在他看来是错误的知识——被传承下去。 以至于今天我们对德谟克利特知之甚少，他留下的专着也基本上没有了。 而显然德谟克利特创立了原子论，为那些想要追寻事物的本质、事物的起源以及正确的科学原理的人提供了很好的启发。
06 大胆的假设——道尔顿的现代原子理论
时间又来到了19世纪，刚才也提到了，四元素理论主宰了大部分人的认识，也很多时候主宰了他们对世界的认识。 在波义耳等人的努力下，人们逐渐认识到了更多的科学原理。 这时，德国科学家道尔顿提出了现代原子论。
道尔顿
道尔顿时代，人们的科学知识比较丰富，波义耳、拉瓦锡等人做了很多物理实验。 因此，与德谟克利特的原子论相比，道尔顿提出的原子论有着特别坚实的科学基础。 他的依据主要有两点：一是所谓的定比定理，二是倍数比定理。 定比倍数定理意味着化合物中的元素都成比例。 比如说你电解这个水，肯定会产生2体积的二氧化碳和1体积的二氧化碳，但绝对不会产生3体积的二氧化碳和1体积的二氧化碳，它们是绝对比例的。 由于这两个事实，道尔顿推测这些化合物（各种物质）必须由非常小的不可分割的粒子（当然称为原子）组成。 这种原子非常微小，既不能被创造，也不能被消灭，不能再被分割，在物理反应中保持不变。 这就是为什么我们现在有定比定理和倍比定理。 同一元素的原子应具有相同的性质、质量和大小，不同元素的形状、质量和性质应不同。 然后不同的原子以简单的比例组合，产生各种化合物——这就是道尔顿的原子理论。
因为它是基于科学实验的，所以很快就被你接受了。 人们非常愿意用道尔顿的原子理论来理解当时各种科学实验所发现的各种实验现象，从而使人们借助原子理论获得了很多新的知识。
一个非常重要的反例是玻尔兹曼接受了原子论的这些观点。 他基于“一切物质都是由原子组成”的思想，阐述了气体现象、热现象，甚至推导出热力学第二理论。 得到了定理，各种宏观现象的统计行为，建立了统计热的（基础）。 也就是说，一切物质都是由大量的原子组成的。 这些大量原子的集体运动行为构成了我们观察到的各种力学和其他现象。
玻尔兹曼
然而，尽管玻尔兹曼的统计热力学成功地解释了许多宏观现象，尽管它是建立在“原子存在”的假设之上的。 遗憾的是，这在当时只是一个假设，很多人并不接受甚至不认同这个假设。 主要以马赫等经验哲学家为代表的人物认为，原子是看不见的，所以它们不存在； 我们感觉不到它，所以它不应该存在：我们无法接受它。 这些观念在当时影响很大，以至于玻尔兹曼在推广他的理论时，基本上都是诱敌激战，所以他特别厌烦。 1906年，他甚至无法承受压力，选择上吊结束自己的生命。 这是非常荒谬的。 在科学史上，甚至比他早几年到十年，原子理论就取得了巨大的成功，得到了你们的认可。
07 谨防验证——原子≈西瓜
那么这就涉及到我们如何否定原子存在的概念，但是用科学的方式证明它。 在玻尔兹曼时代，人们已经进行了许多实验，牢固地奠定了原子存在的基础。
1897年，汤姆森进行了一项著名的汤姆森实验。 他用这种抽真空的玻璃管，在玻璃管上放上一些电极，当电极通电时，电极上会形成一股看不见的粒子流，撞击到荧光屏上形成闪光。 。 人们推测这些粒子流的存在。 这些看不见的粒子流在当时被称为阴极射线——因为它们基本上是由电极的负极形成的，即当电极放置在真空玻璃管上时，加入了大量的辐射。 施加电流后，在该电极上就会形成上述射线。 这种射线会在真空中运动并形成自己的轨迹，人们可以通过荧光屏的闪光推断出这种粒子——阴极射线的轨迹。 汤姆森的实验是在真空管中添加一个电容器。 可以调节电容器的电场，并且可以将阴极射线引入到电容器中。 只有调整电容器上的电量，才能减少阴极射线感受到的电场。 从而偏转阴极射线。
汤姆森
汤姆逊实验
于是汤姆逊推断，由于射线在电场作用下会发生偏转，因此射线一定是带电的，因此它是由一种带电的微小粒子组成的。 即使根据偏转的幅度，汤姆森也能轻松估计出电荷量，而粒子的电荷与质量之比约为氢原子的2000倍。 换句话说，这个小带电粒子的质量约为氢原子的千分之二。 他将这种小粒子命名为电子。 他认为电子来自原子并且是原子的一部分。 既然我们看到了原子的各个部分，那么原子也应该存在。 他第一次通过实验否认了这种原子的存在。
这种比较的讽刺之处在于，原子第一次被实验否定，同时宣告原子的原始概念被毁灭。 刚才我们提到了，原子原来的定义是不可分离的小粒子，现在我们可以通过检测原子内部这些可以分离的小粒子来得知原子的存在，（检测到这些）从原子中跑下来的小粒子。里面。 因为汤姆逊检测到了电子的存在，既然这些小粒子存在于原子上，那么它们就应该作为一个小粒子插入到整个原子中。 为了保持中性，需要在这个小颗粒周围均匀分布其他正电荷，从而产生我们所说的炒面模型，或者猕猴桃模型。 电子是菠萝种子，正电荷是猕猴桃果肉——他认为这就是原子的样子。 通过检查电子，他推断原子应该是这样的，应该是真实的。 而且我们知道这并不是真正意义上的原子。 在后来的一些实验中，人们发现原子具有一些截然不同的结构。
炒面模型
1909年卢瑟福进行了著名的卢瑟福实验。 他的实验是这样进行的：阿尔法粒子撞击一块金箔——阿尔法粒子实际上是氦核——然后它撞击金箔，试图（通过它）检测金箔的实际成分。 。 我们知道，根据汤姆逊的概念，如果金箔上的原子都是由极小、质量极低的电子组成，加上均匀分布的正电荷，而α粒子质量极大，比氢原子重，那么它应该运行当它击中金箔时，它会一直向前——因为电子太小，无法阻挡。 我们应该只会看到阿尔法粒子前进。 而且他的实验发现，不仅有α粒子向前移动，还有很多α粒子发生了大角度的偏转，甚至有的粒子完全偏转了180°的角度，完全被回调了回来。 这意味着金箔上一定有一个非常真实的小实体，这个实体会偏转甚至回调α粒子。 于是卢瑟福提出了一个新的原子模型：这种物质中原子的大部分质量都集中在一个叫做原子核的小部分； 而电子只是一些围绕原子核飞行的小粒子。 这种原子核的密度非常大，占用的空间很小，一旦遇到它，就会把α粒子召回家。 这称为有核原子模型，或卢瑟福原子模型。 他和汤姆森的原子模型有很大不同，而且经过实验和猜想，人们感觉这些原子模型越来越真实。
卢瑟福
卢瑟福实验
汤姆森的原子模型
卢瑟福的原子模型
虽然有一些间接证据可以否定原子，比如大家熟悉的布朗运动。 布朗是美国动物学家。 1827年，他偶然发现，如果将一小粒花粉放在水面上，用显微镜观察，发现小粒会永远移动在那里，它形成的轨迹就是图中的黑线，这是一种不规则但永无休止的运动状态。 后来人们对这些现象做了很多分析，其中具有代表性的定量推论是爱因斯坦在1905年所做的工作。人们了解到，花粉之所以不断地随机运动，是因为有大量的水原子，或者说，水分子，在海的表面。 颗粒，但影响不均匀。 有时向上运动的水分子较多，它会把小颗粒向上推； 有时，有更多的水分子向左移动，它会将小颗粒推向左侧。 因此，花粉小颗粒的运动轨迹反映了水分子存在的事实，间接推断水是由原子或分子组成的。
布朗运动
08“眼见为实”——“看到”整个原子
在1900年代，原子的存在是毫无疑问的。 那么明天我们有什么进展呢？ 俗话说，百闻不如一见。 能够证明原子存在的最重要的证据应该是直接看到原子。 事实上，我们无法用肉眼或可见光看到原子。 这方面的重要进展是电子显微镜的发明，它可以通过电子探测的方式观察原子的存在。
事实上，早在20世纪60年代，人们就通过场发射电子显微镜观察到大量的电子从铂针尖发射出来，而这些电子来自于针尖上的原子。 屏幕上电子的分布反映了针尖上原子的分布。 这里的一个小亮点是铂原子，所以可以说原子的存在只能直接“看到”。
铂尖
更直接的证据是八十年代。 20世纪80年代，两位科学家（）和（）发明了扫描隧道显微镜。 它利用电子隧道效应的量子效应来检测物质表面的信息。 电压的分布对空间特别敏感，可以反映原子的分布。 所以当人们看到硅的表面时，原子是这样排列的。 这是硅表面的原子图像。 亮点代表硅原子。
硅表面原子
人们甚至可以改变这种原子的分布，用这种针尖抚摸这种原子，使原子形成特殊的形状和特殊的图案。 例如，1989年，IBM科学家使用了原子。 一个原子组成了IBM这三个字母，可以用来存储一些信息或者形成一些高科技应用。
“IBM”模式
近年来，出现了更有趣的发展。 比如我们刚才说原子太小，肉眼无法看到，不可能用可见光直接成像，而人们可以做一些巧妙的事情。 例如，这是一个镱原子。 人们凭借其吸收光子的能力，可以用大量的光子来照射单个镱原子。 这样，原子存在的地方就会吸收一些光子，变得更暗，而其他地方就会变得更亮。 在这种情况下，阴影区域代表该原子的存在。 从某种意义上说，也可以直接“看到”原子的影子，单个原子的影子。
镱
那里有一个单独的锶原子，在非常高的温度下保存在真空中。 人们用激光照射锶原子，就会听到锶原子发出光，一个小蓝点。 如果你仔细看的话，这个小蓝点就代表了这个锶原子的存在。 而且我们要指出的是，蓝点的大小并不是原子的大小，它只是单个原子发光的光斑的大小。
锶
09《最小的艺人——世界就是我的舞台》
人们甚至可以用原子来拍摄电影：一个原子形成各种图案，这些图案串联起来就产生了电影的图像。 IBM用这种原子当艺人，拍了一段一分钟的短视频。 大家可以看一下，精彩地展现了原子世界有趣的一面。
这节课我们学习了原子这个重要的概念，但是我们学习了原子这个概念是如何被提出，一步步发展，最后被大家接受的。 In this we also about the (basic) of atoms and how atoms can be used to in our world.
In the next class, we will learn about some atoms, what are these atoms of, and what are their , as well as what are the atoms that we are with in , and what are their What - we can learn these in the next class. 上次见！
之前的通知：
Every and at 8pm
on time
where to look
for "Wuli " on the major media to watch the "Yunli · Wuli" of micro-:
power, 's News , CCTV, , China, , China Expo, of SELF Gezhi , , , News, , , Weibo, , Video, , Zhihu, Ape , Soti, and , , News, Youth Club, News, Mao and , 7kid, ( ...)
You can also click on the " name/logo" to enter the to watch
组织者
for , of , of and of China
of
由。。。生产
Wuli
支持单位
China of
and of
and Park
校对：