五、粒子与原子物理

光是什么

撰文 欧内斯特•O•劳伦斯(Ernest O. Lawrence)， J•W•毕姆斯(J. W. Beams)

劳伦斯是1939年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1928年4月《科学美国人》

光是最人们熟知的物理存在。我们都了解它的许多特性，而对于物理学家来说，光显示出的不可思议的性质还要多得多。虽然，我们对光学效应的了解已经很多，但光究竟是什么，还没有令人满意的解答。

两个多世纪前，牛顿认为光的本质是粒子，是由飞行于空气中的小“飞镖”组成。其他一些人将光归于波动，就像波浪在水中传播那样，光波也在遍布宇宙的一种介质中传播，这种介质叫作“以太”。随即，在关于光到底是什么这个问题上，持不同观点的科学家展开了一场激烈的争论。当一些新实验揭示出光的更多特性后，人们发现波动理论能解释许多粒子假说无法解释的现象。

随着时间的推移，更多关于光与物质相互作用的现象被接连发现。在这些现象中，很多都无法用波动理论来解释，这就迫使科学家将注意力转向牛顿提出的“光的粒子假说”。近期的观测结果表明，光束所包含的能量值是一个最小单位(一个光量子)的精确整数倍，正如物质看起来像是由物质粒子的精确整数倍组成，电量是电子的整数倍一样。因此，光也是粒子化的，正如物质和电量是粒子化的一样。

在现代光量子理论中，有一个看起来非常奇特的事实，即该理论的研究对象自身——光量子——恰恰是完全不清楚的。

量子自身的物理特性也是一个问题：它们的长度是一米，一千米还是一厘米?或者说，它们的尺度无限小?许多实验似乎都说明，光量子的长度至少在一米左右，但根据过去的观测，很难推导出确定的结论。光量子的空间尺度仍旧是个谜。

至少有一种途径可以用来测量光量子的长度，只要该设想可以付诸实践的话。从本质上来说，可以这样做：假设你有一个遮光板，能够以任意速度阻挡或放行光线。这样的器件应该能将一束光切成一段一段，就像用刀切香肠一样。显然，如果切出的一段光线比光量子短，那么经过遮光板的短暂闪光就只含有一个光量子的一部分。实际上，该装置会将光量子掐头或去尾。部分光量子的能量不足以将电子从金属表面轰击出来，需要整个光量子才行。所以，我们可以通过观察在短到什么程度，就不能产生光电效应，从而给出光量子的长度上限。

即使对机械知识不熟悉的人也能想到，任何一种机械遮光板都不可能以这种速度工作。然而令人高兴的是，自然赐予物质的不仅仅有纯机械的性质。利用某些液体的特殊光电性质，科学家构想了一种类似遮光板的设备，能在百亿分之一秒内打开或关闭。通过这种设备，科学家制造出极为短暂的闪光，轰击在灵敏的光电池上，结果发现电池对设备制造的最短闪光也能作出反应，长度只有几英尺(1英尺约合0.3米)。

这个简单的观测实验的重要性怎么评价都不过分，因为它明确显示了光量子要比数英尺短，或许光量子的空间尺度只有极微小的一点点。

六、原子核的结构

撰文 玛丽亚•G•迈耶(Maria G. Mayer)

1963年诺贝尔物理学奖得主，本文刊登于1951年3月《科学美国人》

将原子作为一个整体，并以我们的行星系统为参考——近代物理学家提出了一个描述原子的模型：原子由一个位于中心的、相当于太阳的原子核，以及在特定轨道上围绕原子核运行的卫星电子构成，就像行星一样。虽然还有很多问题有待解决，但该模型已能解释许多我们观测到的电子行为。然而，人们对原子核本身却知之甚少。甚至对于原子核中的粒子是如何结合在一起的这个问题，都还没有一个令人满意的答案。

最近，一些物理学家(包括作者本人)，提出了一个非常简单的原子核模型，将原子核描绘成壳层结构——就像整个原子的结构那样，核里的质子和中子以特定的轨道(或称为壳层)聚集，正如原子里面，电子束缚在原子核周围一样。对于原子核的构成及其核内粒子的行为，我们所知的很多现象都能用这个简单的模型来解释。

质子和中子的一些特定组合，在性质上具有非常明显的模式，而我们有可能弄清这些模式。正是因为这些模式，我们才提出了原子核的壳层模型。一个惊人的巧合是，原子核内的粒子也像电子一样，偏好某些特定的“神秘幻数”。

每一种原子核(除了氢原子，它就是一个单独的质子)都能用两个数字来描述：质子数和中子数。这两者之和就是该原子核的原子量。质子数决定原子的性质，所以拥有两个质子的原子核必定是氦，拥有三个质子的是锂，以此类推。然而，一定数量的质子可以与不同数量的中子结合，形成同一种元素的多种同位素。这里，有一个非常有意思的事实，即质子和中子喜欢以偶数的方式结合;换句话说，和电子一样，质子和中子都显示出强烈的配对趋势。已知所有元素的全部约1 000种同位素里，只有不超过6种稳定原子核是由奇数个质子和奇数个中子构成的。

除此之外，以特定偶数聚集的质子或中子尤其稳定。“神秘幻数”之一是2。由两个质子和两个中子构成的氦原子核是已知最稳定的原子核之一。另一个“神秘幻数”是8，代表着氧原子核，它的一个常见同位素具有8个质子和8个中子，十分稳定。还有一个“神秘幻数”是20，对应着钙。

“神秘幻数”包括：2、8、20、28、50、82以及126。具有这些数目的质子或中子的原子核都具有非同寻常的稳定性。这强烈暗示着，“神秘幻数”代表着原子核里的壳层都是满的，就像原子外层的电子壳层结构一样。

这个壳层模型还可以解释原子的其他特征行为，比如“同质异能”(isomerism)现象，即原子核长期处于激发态。或许，该模型最重要的应用是对β衰变(即原子核辐射出电子)的研究。原子核会不断释放出电子，导致原子核内粒子的自旋发生变化。目前，还没有一个理论能很好地描述β衰变，因为自然界只有少量的放射性原子核，因此想检验这些理论正确与否并不容易。壳层模型能够帮助解决这个问题，因为它能在不做测量的情况下预测自旋。当然，这个简单模型无法给出关于原子核结构的完整而准确的描述。即便如此，该模型还是成功地描述了原子核的众多性质，说明它是描述真实世界的一个不错的理论。