增進知識力 1
原子與電子，
大象與跳蚤
科學是感官的……
—愛默生（Ralph Waldo Emerson, 1803-1882），約1830年
在上述引言中，愛默生可不是在暗示咱們，科學很性感喔！他的意思是說，科學原理奠基於各種感官的知覺：觸覺、味覺、聽覺、視覺與嗅覺。但若提到原子的理論，感官可就行不通了。我們看不到個別原子的身影、嚐不到單一個原子的滋味、感受不到單一個原子的振動、聽不到單一個原子的聲音，也聞不到單一個原子的氣味。如果有人用一個鎢原子砸在我們頭上（鎢原子在眾原子中算是很重的了），我們還是傻乎乎的完全沒感覺。
我們無法用感官察覺單一個原子的存在，是因為原子實在太小了。幾千萬個原子排成一列，才差不多等於一粒米的長度而已。構成原子的粒子又比原子還小，原子中心的原子核是由質子和中子組成的，質子的半徑大約只有數飛米而已，1飛米等於10－15 公尺，也就是一千兆分之一公尺，實在超小！質子和中子的質量大約都只有10－24公克，也就是一兆兆分之一公克，對誰來說都夠小了。
但是電子的質量大約只有質子或中子質量的兩千分之一而已！拿電子與質子相比，好像拿跳蚤與大象相比—在這裡質子就像大象一樣。當我們計算大象的質量時，不用把大象身上跳蚤的質量也算進去；我們計算原子的質量時，也不用把電子的質量算進去。
問題來了：如果構成原子的粒子小到我們無法用感官察覺，我們怎麼知道它們確實存在？當然是經由推論得知囉。人類很早就知道，感官的知覺有其極限。視覺、聽覺與觸覺常有錯覺，因此我們對於世上無法嗅聞、觸摸與目視的物質，已經學會要觀察間接的效應，來推論成因。當查兌克（Sir J. Chadwick, 1891-1974）尋找中子存在的證據時，拉塞福（E. Rutherford, 1871-1937）對他的忠告，就把這個觀念闡釋得很好。拉塞福說：
在倫敦最熱鬧的皮卡迪里圓環，你要怎麼找到隱形人？……看看哪裡有人被推開就知道啦！
湯木生（J. J. Thomson, 1856-1940）用類似的方法，在1897年利用自己與他人的實驗結果，推論出電子的存在。根據共識，電子帶負電。湯木生利用電子束在磁場中的曲率半徑，測定出電子電荷／質量的比值。
磁鐵會使傳統電視的畫面扭曲，是電子與磁場的交互作用造成的。電視顯現畫面的原理是，陰極射線管（又稱CRT或映像管）中的電子束打在螢幕上造成磷光，而電子束會受磁場影響而偏折。當然，除非你想把電視報廢，否則可別動不動就把磁鐵放到電視機旁，因為磁鐵的作用可能會造成電子零件的損壞。不過如果你家恰巧要換新電視，那麼把舊的映像管電視拿來觀察上述現象，是很有趣的。
然而，湯木生的實驗仍未能百分之百確立物質是由粒子組成的。直到1909年皮蘭（Jean Perrin, 1870-1942）用顯微鏡觀測水中花粉粒子的不規則運動，才提出原子存在的具體證據。他對布朗運動〔為紀念植物學家布朗（Robert Brown, 1773-1858）而命名〕仔細觀察，並解釋花粉的運動是由周圍移動的原子撞擊造成，他的發現使科學界確認原子確實存在。當然，在皮蘭之前，科學界早就用原子的理論解釋了許多現象，但能獲得如此有力的支持真是太棒了！
在1910年，拉塞福由實驗發現，原子中心必定有一個很重的原子核，核外則是很空的區域。他用一些比原子還小的粒子撞擊超薄的金箔，發現大多數粒子都穿透了金箔，但有少數粒子會反彈。拉塞福總是會用一些有趣的句子來描述科學現象，這次他說：「這就像……你用15英寸的砲彈轟擊一張衛生紙，而砲彈竟然被彈回來，並打到你。」
拉塞福認為原子中心必定有一個原子核，而且是由密度很大的正電粒子所組成的。不久，莫斯利（Henry G. J. Moseley, 1887-1915）以實驗證實，原子核中確實存在正電粒子—質子，可惜莫斯利很年輕就在第一次世界大戰時，戰死於加利波利。原子核中的另一種粒子—中子，則比較難辨識，因為它不帶電荷。不過，查兌克聽從拉塞福的建議，終於在1932年確認了中子的存在。查兌克由氦原子和氮原子反彈的輻射中，測量出有一種質量與質子相差不多的電中性粒子。
構成原子的粒子直到1930年才全部都發現，可見要找到這些小粒子有多困難！即使你把構成原子的所有粒子全攤開，還是無法解開原子的謎題。原子除了大小的問題外，還有超乎想像的面向。舉例來說，原子核的密度就是個謎。一個物質的密度就是它的質量相對於體積的比值。例如一袋羽毛與一袋石頭的體積相同，但質量絕對不同。一袋石頭比較重，所以石頭的密度比較大。
我們曾提過，拉塞福發現原子有一個密度很大的原子核，但我們沒說它的密度究竟有多大。因為原子核的體積實在太小，經過換算，它每立方公分的質量竟然高達數百萬兆公克！鉛每立方公分的質量也不過約11公克而已！為什麼差這麼多？因為原子核是由緊密堆積的粒子組成的，而原子大部分的區域是空的。
我們可以拿地球與太陽間的關係來打比方，如果鉛的原子核是地球，最接近它的電子，所在位置就差不多就像太陽那麼遠。所以說，原子大部分區域都空無一物。如果你在容器內裝入鉛原子核，就像裝入實心彈珠；如果你在容器內裝入鉛原子，其實比較像裝入空心的肥皂泡。
談到這裡，我們馬上想到一個問題：如果物質（包含你、我）是由小肥皂泡組成的，我們怎麼不會崩塌成一灘肥皂水？有個不怎麼令人滿意的答案說，電子在環繞原子核的軌道上運轉，所以不會掉下來。但是反對的人說，電子帶負電而質子帶正電，帶異性電的粒子不是應該互相吸引嗎？所以電子不是應該會撞向質子嗎？
事實證明，這可不是個小問題。
在二十世紀初，著名的物理學家波耳（Niels Bohr, 1885-1962）幫忙回答了這個問題，他證明只要電子不斷的運動，就可以與質子保持一定的距離。我們可以再度用地球和太陽的關係做為類比。萬有引力確實把這兩個天體拉在一起，但地球在繞日的軌道上運轉，雖然一直受太陽吸引，但不會向太陽墜落。電子的情況也很類似，可以把電子想成繞著原子核運轉，因此電子會受原子核吸引，但不會墜落到原子核上。
你們一定會注意到上一段有些特殊的修飾詞，例如說「……波耳幫忙回答了……」而不說「……波耳回答了……」；說「可以把電子想成……」而不說「電子是……」。這種表達方式是必要的，因為類比畢竟只是類比，而且只有在很粗糙的條件下，才能類比。當要求的精密度提高時，這些類比很快就行不通了。我們在這裡找不到恰當的類比，是因為原子等級的物理，與我們日常經驗中相對龐大而巨觀的世界，大為不同。
所以我們要牢記，我們只能依目前所了解的知識來描述原子結構，以下我們先陳述眾所周知的主要概念。原子核在原子中心，由帶正電的質子與不帶電的中子組成；電子依一般人的認知，是帶負電且在繞原子核的「軌道」上運轉。
在這裡軌道一詞只是比喻，而不是正確的用詞。雖然一般的原子結構圖都把電子畫成像是繞著原子核旋轉的衛星，不過電子占據的空間實在無法正確的描繪，最好的辦法是以雲霧狀的模糊方式，表達我們相信電子在該處出現的機率。為了強調這個不同點，我們把電子在核外占據的空間叫做軌域，而不叫軌道。這些軌域有些是球形的，有些是啞鈴形的，有些是複雜的環形、甜甜圈形、花瓣形。我要再一次強調，無論如何，日常生活中找不到真正和這些軌域相似的東西，所以這個類比是不完美的。
當我們討論的電子數不只一個時（除了氫以外的原子，都含有兩個以上的電子），問題會變得更複雜。電子帶電，所有帶電的粒子都有異性電相吸、同性電相斥的性質。磁鐵也有類似性質：同名極相斥，異名極相吸。在原子中，情況比磁鐵複雜太多，這可不是一個電子對一個電子，或一個電子對一個質子這麼簡單，而是一大群負電與一大群正電，而且它們全部發生交互作用。
諾貝爾物理獎得主費米（Enrico Fermi, 1901-1954），曾把上述這種情況比喻為許多小船緊密停靠在港口。我們憑直覺就知道，某一艘小船的移動會影響到其他所有的小船，其他小船的移動也會影響到這一艘小船，在如此相互糾纏干擾之下，我們無法準確預測單一小船的移動情形。
研究這個問題的人（量子力學的理論物理學家）把它稱為三體問題。要描述正在運動且互相吸引的兩個粒子，用一個方程式就夠了。但是如果面對三個粒子，而且粒子相互之間會吸引也會排斥，三個粒子又都在運動，一個簡單的方程式實在不夠用。這個問題就像許多雲中的一朵：我們可以指出這朵雲、測量這朵雲，但若要進一步精確預測這朵雲會往何處去、會變成什麼形狀，實在不可能。因為有太多因素和變因要考慮了，而且其中很多是我們根本不知道或不可能知道的。這使我們必須用機率來描述原子結構。
幸好我們不用知道每一朵雲的位置，就可以預測氣象。利用機率，量子力學的理論能夠精確解釋、預測原子與分子的許多性質，以及它們之間的交互作用。科學家現在已經能夠了解並研究另一個有趣的小傢伙：離子。離子是失去或得到電子的原子或分子，就如同在〈加強實驗力1：水女巫〉中得到電子的塑膠湯匙。電子太少或太多，表示質子的正電無法均衡，以致於離子帶淨正電或淨負電。在塑膠湯匙的例子中，湯匙靠摩擦得到電子，所以帶淨負電荷。其他帶電的物質也可以表演一些很棒的把戲，影印機表演的奇蹟就是一例。（摘自本書第1章）
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