​从原子结构、原子核结构、放射性、核反应一直到核能利用，一路过来都是物理的传奇。本文讲述这一路上带来关键基础突破的几个思想者的故事，重点在于努力补齐这幅宏大画卷中的物理逻辑。

撰文 | 曹则贤（中国科学院物理研究所）

1 原子 (核) 的结构

原子是个古老的概念，约在公元前六世纪的古印度就有，甚至有二原子 (dvyanuka)、三原子 (tryanuka) 的说法。古希腊时期即有德谟克里特、留基伯等人提出的原子学说。提起原子，当代人们很容易读到的关于原子结构的描述大约是这样的：“原子由带正电荷的原子核和绕其运动的电子组成，而原子核是由与电子数量相等的带正电荷的质子以及一定数量的电中性的中子所组成。电子质量约为 0.91×10^（-30）kg ，中子和质子的质量约为 1.67×10^（-27）kg，中子略大一点点儿。在给定元素的原子核中，中子数目分布在质子数目附近的一个小范围内。质子、中子合称核子 (nucleon)。原子核是1911年由卢瑟福 (Ernest Rutherford，1871-1937) 发现的，质子 (proton) 是1920年由卢瑟福命名的，而中子则是1932年由查德威克 (James Chadwick, 1891-1974) 发现的。”

读到这样的介绍，别人怎么理解的我不知道，笔者的理解是原子核的发现在核子 (中子、质子) 之前，而电荷是可以取值为 q=( 1, 0, -1) 的那种物理量。这个认识对不对，太值得讨论了。

释是，原子可能是不同的，但原子可能是由不同数目的组成单元构成的，原子的构成单元具有相同的质量 (我怎么想不起来是在哪里读到的？罗素的《西方哲学史》？)。后来果然发现原子是由同样的单元构成的。当然了，事情比较复杂，构成单元不是一种而是有三种，一种的质量可以忽略不计，另外两种是原子质量的主要构成，但它们之间也有细微的差别。最麻烦的是，原子里面除了有质量的故事，还有电荷的故事。然而，这才是一长串故事的开始，后来还有同位旋、色荷的故事。不过，你显然注意到了，核子的概念未必出现在原子核之后。

质子和电子的电荷被称为基本电荷，分别表示为 1 和 -1 个基本电荷单位。如果类似宇称算符，PP=1 ，故本征值只有 P=1 和 P=-1 两种可能的话，则世界是只有正负两种电荷的世界，q=( 1, -1) ，这是一种极性的世界（polar world）。只有质子和电子的集合，一样能够解释原子的质量、电中性甚至发光谱等问题。但是原子中还存在中子，这名字就是强调中子是电中性的。我的问题或者疑惑是，中子到底是电荷为零，即原子世界的电荷极性应为q=( 1, 0, -1) ，还是中子就不该谈论电荷，原子世界的电荷极性就是 q=( 1, -1) ？当然我们知道，当前的理论是质子和中子具有同位旋对称性，它们都是由带电

再说原子的图像问题。气体可以在电场下被离化、发光，但在气体非常稀薄时整个放电管是黑的但阳极却被照亮了，这引出了阴极射线的概念。阴极射线有动量，在电场磁场下偏转，最后导致了电子这个概念的提出。1897年，汤姆孙 (J. J. Thomson，1856-1940) 发现了电子。有阴极射线，就有阳极射线，带正电荷，关键是有好多种不同的荷质比，不象阴极射线那么单纯。这使得这个方面的研究有点拖沓。原子里有电子和带正电的粒子，那么它们是怎么构成原子的呢？于是有了李子布丁模型，带正电的布丁上均匀分布着带负电荷的电子。1911年，基于1909年Geiger-Marsden的 α 粒子轰击金箔实验, 卢瑟福提出了原子核加核外电子的原子模型。1920年，卢瑟福通过 α 粒子与原子的碰撞发现从氮原子(核) 里跑出了荷质比最小的那个，即从气体放电得到的第一 (primitium) 阳极射线，其对应纯净氢气情境中得到的阳极射线，故把这个荷质比最小的带正电荷粒子称为质子（第一子），认为其是原子核的基本构成单元。但是，与电子等量的质子，其质量之和却凑不齐原子 (核) 的质量，几乎差一半。