2.2.1 原子的核心
有一种炸弹是全世界都惧怕的，以至到了谈弹色变的地步。这就是原子弹。迄今为止，虽然只真正使用过一次，也就是1945年美国投往日本广岛和长崎的两颗原子弹，但所产生的影响至今都没有消失。不但没有消失，比那两颗原子弹威力更大、更多的原子弹已经制造了出来。现在还有一些国家更是千方百计地想要制造或拥有原子弹。这当然是全世界爱好和平的国家和人民所坚决反对的。由于原子弹已经制造出来了，并且成为有核国家重要的武器装备，这样世界的安全就存在着极大的危险。全面禁止和销毁原子武器是全世界人民努力争取的重要目标。我国为了打破帝国主义国家单独拥有核武器对世界和平的威胁，也研制了我们自己的原子弹，并于1964年10月16日试爆成功。全面禁止和销毁核武器是我国一直坚持的原则立场。
我们之所以要在这里提及原子弹，是因为这最容易让我们理解认识原子结构的重要性。原子虽然微小到根本看不到，但它的原子核中所蕴藏的能量却是惊人的，而且已经由原子弹和原子发电等原子能装置所证明。人们正是在认识了原子的精细结构以后，才可以从这种结构所具有的特性来加以利用。
对原子核的认识与对电子的认识一样，也经历了曲折的探索之路，同样曲径通幽，引人入胜。
让我们再回头看19世纪。
当电子被汤姆逊发现时，虽然形成了比较接近原子真相的模型，但还不是原子真正的状态。
这时，另一个实验事实很快就否定了汤姆逊的原子模型。
这就是当科学家用粒子流去撞击原子时，发现这些粒子流有时能毫无阻碍地通过，有时则又发生猛烈的碰撞，表明原子内部也有很大的空间，而用汤姆逊的原子模型不能解释这些现象。因为汤姆逊的原子模型好比是一个煮熟了的鸡蛋，是致密无缝的，粒子流应不会穿过去。
进行这项研究的科学家是卢瑟福。正是他的发现，导致了现代原子结构模型的建立。而他的研究，源于对原子放射性的研究。因此，我们先来和另一位重要的科学家一起探索放射性发现的过程。
2.2.2 由原子核中发出的信息
第一个发现放射性现象的是德国科学家仑琴，他也因此成为第一个获得诺贝尔物理学奖的人。他的发现比组成阴极射线的电子的发现还要早两年。只是在他之后更多放射性现象的研究，包括前面提到的卢瑟福的研究，才导致汤姆逊原子模型的改变。
仑琴出生于一个古老的德国中产阶级家庭，外婆原是意大利人的后裔，住在荷兰。仑琴因此在那儿完成了早期教育，虽然当时年纪不大，但因为学习成绩优异，人们在那时就已经发现到他是个很出色的理科天才。之后，仑琴又到瑞士的苏黎世接受更高程度的教育，并在苏黎世的一所工业学校获得了机械设计学位。但在此时，他的兴趣却转到科学研究上了，在苏黎世大学毕业时，他发表了关于《气体研究》的论文，并得到了博士学位。紧接着，仑琴以助教的身份跟随老师到维尔兹堡大学进行学术研究与教学工作。在那里，因为他没有中学文凭，因而维尔兹堡大学拒绝给这位年轻助教一个正式的名分。而在当时，没有经过中学教育阶段的人依例是不能纳入学术正统的。但是仑琴却根本不理会这些，他开始发表自己在物理学上一连串的重要研究结果，这使他很快就有了名气，不久后，终于在哥依森大学取得了教授头衔。
1895年，仑琴着手研究空气被抽光的灯泡内通电的情形。在当时，已经有一些科学家在这个领域进行研究。仑琴在他的探索研究过程中，发现了奇特的X光。这个发现具有极为重要的意义。
1895年11月8日，和往常一样，仑琴正在实验室的煤气灯下，准备进行测验阴极射线能否穿透管罩的实验。他插上电极管的电源，然后隔绝室外任何光线的进入。虽然电极管内冒着火花，放着微光，但电极管的黑纸罩却密封得很好，把火花跟微光全隔绝。突然，他清晰地看见距离电极管略远的地方有一张涂有含钡的氰化铂的纸屏发着荧光。于是他走过去，点燃煤气灯，静静地站在那里，观察这种奇特的现象。他意识到这是一种以前没有发现过的奇特现象，他觉得他的发现简直就像是一场梦。但是，他如同每一位真正的科学家一样只相信事实，而不相信没有实证的理论和预测。他发现再用厚厚的黑布将电极管盖起来，依旧无法使那纸屏停止发光，后来他又尝试着在电极管和纸屏之间加上隔纸板、书籍或其他障碍物，荧光依然存在。他将纸屏反转过来，使涂有含钡氰化铂的那一面背着电极管，但是荧光依然有光。直到他把电极管的电源关掉，那张纸屏所发的荧光才消失；而当他再插上电极管的电源时，同一情形又重现出来。因此，可以肯定，电极管的确产生了一种新光，它甚至可以穿过纸罩而使荧光屏发光。
而当仑琴看到荧光屏上自己手骨的影像显现在周围较浅的肌肉影像中间时，他确定这种光线也能透过完全不透光的身体。这是完全不可想像的经验，简直太奇妙了！以至于他不得不一再地重复这个试验，以确定这到底是不是真的。仑琴后来告诉人们他自己在这天晚上的感受时，引用了德国19世纪电机工程师维纳·冯·西蒙斯自传里的一段话，“精神生活所赋予我们的快乐，恐怕算是所有人类所能感受的快乐中最纯美、最伟大的了。当一些被隐藏了很久的现象突然被发现了，或在思考中，某个困扰许久的重要关键突然很幸运地被打通了的时候，这位发现者就会享受到这种升华式的感受。这代表一种胜利，而仅仅这些就足以补偿以往所有的奋斗和辛劳，而把他带到一个更高的境界上。”
仑琴为了不断深入地研究这种新光线的性质，他不但在实验室吃饭，同时也在实验室里睡觉。他无意对外宣布他的伟大发现，而只是悄悄地告诉他的太太和他最要好的朋友，说自己发现了一些有趣的东西，只是目前还不知道到底观察得对不对。
因为这个发现太不寻常了，他必须反复实验和论证，直到确定发出射线的是放电管，并且取得了多种在黑暗中用射线拍摄的底片后，才于7个星期后，公布了他的研究报告，论文手稿的题目是“关于一种新射线”。由于采用当时科学上的方法，许多有关这种新射线的性质尚不能测定，因而仑琴在他的论文里提议将这种射线命名为“X光”，意思是“一种未知的光”。这个名称后来在很多非德语国家所采用，我国就是其中之一，而在德国则依照以往科学上的惯例称这种光为“仑琴射线”，借以纪念这位曾经对世界有过巨大贡献的人。
仑琴在论文手稿中强调指出，X光可以用来照相。为了证实其功用，他自己首先使用X光拍了几张“仑琴照”，其中最重要也最有名的一张是一只手骨骼的底片。这是仑琴在进行实验时以他太太的手拍成的，后来他将这张照片送给一位在维也纳行医的朋友。自此以后，人们才渐渐知道了这个医药科学上的新方法，而且很快地就实际应用了起来。另外，仑琴最初所拍的那些X光照片里面，有一部分是有关于金属片的照片。从那些照片上，我们可以很清楚地看到金属结构的缺点，其中极为重要的一张是他那支上了膛的猎枪照片，枪膛内子弹的位置和一些小破损都十分清晰地显示在照片上了。
正如许多重要的发现在最初往往不为人们所认同一样，仑琴在发表他的发现之初也受到了一些人的嘲笑和误解，甚至有人怀疑是否真正存在这种具有穿透力的射线，使人们将无隐私可言。当时一份报纸曾这样写着：“如果所有的一切都能通过导线到达我们身旁，那么我们的房间里将不再有隐私，而且任何人只要有电子管便能透过厚厚的墙看清楚屋内的一切。”还有人写诗讽刺，说“我感觉它们，透过我们的斗篷和睡衣一直在注视我们，它们就是，淘气的仑琴射线。”
就连受人尊敬的《科学美国人》杂志（1896年2月22日）也未正确地宣传这一发现，而是引用伦敦某杂志的讽刺诗来表示其态度。幸运的是，这种愚蠢的行为没有持续多久，并且X光很快就应用于了医学诊断中，从而造福于人类健康事业。
1901年，56岁的仑琴因为他的这一伟大发现，得到首届诺贝尔物理学奖。而他将全数奖金捐给了维尔兹堡大学，而且还怀着十分平静的心情告诉记者说，“和成功地解决了一个问题后内心所得的满足比较起来，任何的奖励都无所谓了。”
由此可见，仑琴是一个品格非常高尚的科学家，他相当重视自己职业上的尊严，而不在乎寻求一般物质上的享受。就像仑琴常说的名言，“发明者的快乐和他所得知识，加上看到人类能对它做更进一步的利用，就是他辛劳的最好代价了。”
在仑琴的58篇科学著作中，其中有3篇是论述X光的，然而就是在这3篇论文里，他却完成了许多的基础工作，指出了一些重要观念和关键性的问题，以致日后的20多年里，没有任何一位物理学家能够再在其上添加任何东西。直至第二次世界大战爆发前不久，英国的巴克莱、德国的劳埃·弗列德与克尼平才有了一些关于X光旋光性质的研究成果，其中包括X光的波长大约只有可见光的万分之一的论断。
仑琴是位非常著名的科学家，就他个人而言，兴趣却是相当广泛，他喜欢文学，并且热爱艺术。他读的书很多并且相当深入，尤其对传记、游记、名人书信和写实派的文学作品兴趣浓厚。另外，在仑琴的私人生活里，我们也能很容易地寻找到这种多面性的真性情。他虽然在外表上和一般教授没有两样，让人感觉是个书生气相当重的人，但是，每逢到了学校放假的时候，不论是长假或短休，他就会变身为一个登山打猎的能手，而且他也喜欢徒步旅行。几乎每一个假期他都和要好的朋友们去意大利、瑞士或是巴伐利亚。在巴伐利亚，他拥有一间相当不错的打猎别墅，常常招待一些喜好打猎的朋友们住在那里。仑琴就是这样一个非常懂得生活的人，将近50年的研究生涯中，使他常常感到内心十分的充实。然而，人毕竟逃不过人生过程里的种种悲剧，即使是伟人也不例外。在仑琴的晚年，他的太太长年卧病在床，最后每天都要注射5针才能止痛，他亲自为太太注射，动作熟练得就像一位大夫一样。太太死后，每逢她的生日时，仑琴仍不忘在她的照片前为她庆祝，而且常和往日她活着时一样，在她的面前朗诵一些重要的书信。这些感人至深的细腻情怀，常常令他的学生与朋友感动。有些人总以为科学家比较冷静，缺乏热情，其实并不尽然。1923年，年迈的仑琴去世了，享年88岁。
此后，物质的放射性获得了进一步研究，从而一步一步地揭开了蒙在原子表面的神秘面纱。其中一个重要的成果，就是发现了放射性物质，掌握了这种放射性源于某些原子的原子核的特殊性质，直到原子能的开发。
2.2.3 铀和镭
最先发现铀盐具有放射性的是法国科学家贝克勒尔。他于1852年生于法国，1872年就读巴黎理工大学，后在公路桥梁学校毕业，获工程师职位。1878年，他在巴黎自然博物馆任物理学教授，1895年任理工大学教授。由于研究荧光现象而发现铀的放射性，他并因此获得1903年诺贝尔物理学奖，1908年逝世。
1896年，贝克勒尔偶然在一张用黑色皮纸包裹起来的未使用过的照相底片上留下了一小块沥青铀矿的样品。这是一种泥煤似的褐色天然矿石，铀就是从这种矿石中提炼出来的。他在使用这些底片照相时，发现底片已经被曝光并留下了影像，并且这种影像正是那天放有铀矿石的盘子。贝克勒尔又重复了这一意外发现的实验，结果证实，沥青铀矿石可以释放出一种看不见的射线。于是他发表了他的这一发现。
贝克勒尔的发现引起了居里夫妇的注意，他们当时正在巴黎大学工作。居里夫人对这一现象进行了系统的研究，并指出沥青铀矿释放的射线量与矿石中所含的铀量成正比。
玛丽亚·居里，1867年出生于波兰的华沙。由于沙俄侵略，使得玛丽亚·居里从小就对压迫式的教育感到十分厌倦，高中毕业后，曾患了一年的精神疾病。由于是女性，她不能在任何俄罗斯或波兰的大学继续进修，这样她做了几年的家庭教师。玛丽亚和姐姐都有去法国留学的梦想，姐姐为了留学已经存了一部分钱，但这些钱只够在法国学习一年。玛丽亚为实现自己和姐姐的梦想，向姐姐提议，自己先去当家庭教师为她提供上学的资金，而等到姐姐毕业找到工作后，再为她筹备留学的资金。玛丽亚为了实现留学的梦想，整整做了8年的家庭教师。8年未曾眠灭的梦想最终实现了，在姐姐的经济支持下，她来到巴黎，并在索邦大学（Sorbonne，旧巴黎大学的组成部分之一）学习数学和物理学。经过4年的努力，玛丽亚于索邦大学取得物理和数学两个硕士学位。在那里，她成为了该校第一名女性讲师。
玛丽亚在索邦大学结识了另一名讲师——皮埃尔·居里（Pierre Curie），就是她后来的丈夫。1895年，她与任教于巴黎市工业物理和化学学院的皮埃尔·居里结婚，1897年秋，长女伊伦（Irène）出生。居里夫妇经常在一起进行放射性物质的研究，以沥青铀矿石为主要材料，因为这种矿石的总放射性比其所含铀物质的放射性还要强。1898年，居里夫妇对这种现象提出了一个逻辑的推断：沥青铀矿石中必定含有某种未知的放射成分，其放射性远远大于铀的放射性。12月26日，居里夫人公布了这种新物质存在的设想。
1898年，法国物理学家亨利·贝可勒尔（Antoine Henri Becquerel）发现含铀矿物能放射出一种神秘射线，但未能揭示出这种射线的奥秘。玛丽亚和她的丈夫共同承担了研究这种射线的工作。他们在极其困难的条件下，对沥青铀矿石进行分离和分析。他们用一种简单的金箔验电器来检测放射性，验电器带电时，两片金箔因同带同种电荷而张开。当在断开回路的托盘中放入被测物有放射性时，将使托盘上方的金属板接受辐射而使断开的回路导通，验电器中张开的金箔因为放电而下垂。
经过艰苦的努力，居里夫妇终于在1898年的7月和12月先后发现两种新元素。为了纪念她的祖国波兰，她将一种元素命名为钋（Polonium），另一种元素命名为镭（Radium），意思是“赋予放射性的物质”。为了制得纯净的镭化合物，居里夫人又历时四载，从数以吨计的沥青铀矿石的矿渣中提炼出100毫克氯化镭，并初步测量出镭的相对原子质量是225.这个数字凝聚着居里夫妇的心血和汗水。可惜的是，皮埃尔·居里因为一次车祸而英年早逝。
1903年6月，居里夫人以《放射性物质的研究》作为博士答辩论文，获得巴黎大学物理学博士学位。同年11月，居里夫妇被英国皇家学会授予戴维金质奖章。12月，他们又与亨利·贝克勒尔（Antoine Henri Becquerel，1852—1908年）一起获1903年诺贝尔物理学奖。居里夫人也因此成为了历史上第一个获得诺贝尔奖的女性。8年之后的1911年，居里夫人又因为成功分离了镭元素而获得诺贝尔化学奖。出乎意外的是，在居里夫人获得诺贝尔奖之后，她并没有为提炼纯净镭的方法申请专利，而将之公布于众。这种做法有效地推动了放射学的发展。
居里夫人是历史上第一个获得两项诺贝尔奖的女性，而且是仅有的两个在不同的领域获得诺贝尔奖的人之一。在第一次世界大战时期，居里夫人倡导用放射学救护伤员，推动了放射学在医学领域里的运用。之后，她曾在1921年赴美国旅游并为放射学的研究筹款。居里夫人由于过度接触放射性物质于1934年7月4日在法国上萨瓦省逝世。在此之后，她的大女儿伊雷娜·约里奥·居里（Irène JoliotCurie）获1935年诺贝尔化学奖。她的小女儿艾芙·居里（Eve Curie）在她母亲去世之后写了《居里夫人传》。在20世纪90年代的通货膨胀时期，居里夫人的头像曾出现在波兰和法国的货币和邮票上。化学元素锔（Cm）就是为了纪念居里夫妇所命名的。居里夫人发表的著名的《我的信念》已经收入我国初中语文课本。她的核心思想是认为科学家努力探索科学奥秘不是为了追求物质利益。
当放射性现象由射线管产生转变到发现有放射性物质后，人们对原子的认识开始有了实质性的进步。
放射性物质就是可放出“某些粒子”的原子。这些粒子后来被称为α、β粒子。这些放射性粒子飞行速度很快，可穿透物质。这种穿透能力很快应用于探索原子内部构造的工具，实验结果出现的现象很有趣，也促使人们进一步思考物质的微观结构。
1909年，在物理学家欧内斯特·卢瑟福的指导下，菲利普·伦纳德用氦离子轰击金箔。发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于汤姆逊所预测的值。卢瑟福根据这个金铂实验的结果指出，原子中大部分质量和正电荷都集中在位于原子中心的原子核当中，电子则像行星围绕太阳一样围绕着原子核。带正电的氦离子在穿越原子核附近时，就会被大角度地反射。这就是原子核的核式结构。
1911年，卢瑟福为了解释这一实验结果，提出一个新的原子模型。他证明，原子中带正电的部分必须集中于一个非常小而重的原子核里，而电子则如行星绕日般围着原子核运动，原子核与电子间有很大空隙。用这一模型算出的数值，与实验结果是相符合的。这一原子模型基本奠定了现代物理学中关于原子的基本结构模式。
欧内斯特·卢瑟福被公认为是20世纪最伟大的实验物理学家，在放射性和原子结构等方面都做出了重大贡献。他还是最先研究核物理的人。除了理论上非常重要以外，他的发现还在很大范围内有重要的应用，如核电站、放射标志物及运用放射性测定年代。
卢瑟福，1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，并在新西兰长大，后进入新西兰的坎特伯雷学院学习，23岁时，获得了3个学位，即文学学士、文学硕士、理学学士。1895年，在新西兰大学毕业后，卢瑟福获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆逊的研究生，他提出了原子结构的行星模型，为原子结构的研究做出很大的贡献。1898年，在汤姆逊的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授，他在那儿呆了9年，于1907年返回英国，出任曼彻斯特大学的物理系主任。1919年，接替退休的汤姆逊担任卡文迪许实验室主任，1925年，当选为英国皇家学会主席。1931年，受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁。
当然，在这方面取得进展并做出贡献的，还有一批极其优秀的科学家，正是他们开创了核物理的量子时代。
1911年，美国物理学家密立根等人通过精确的实验测出了单个电子的电荷质量。除了卢瑟福，当时丹麦的物理学家波尔和奥地利物理学家泡利也相继提出了原子结构模型。
1913年，在进行有关对放射性衰变产物的实验中，放射化学家弗雷德里克·索迪发现对于元素周期表中的每个位置，往往存在不只一种质量数的原子。玛格丽特·陶德创造了同位素一词，来表示同一种元素中不同种类的原子。在关于离子气体的研究过程中，汤姆逊发明了一种新技术，可以用来分离不同的同位素，最终导致了稳定同位素的发现。
同年，物理学家尼尔斯·玻尔重新研究了卢瑟福的模型，并将其与普朗克及爱因斯坦的量子化思想联系起来。他认为电子应位于原子内确定的轨道之中，并且能够在不同轨道之间跃迁，而不是像先前认为的那样可以自由地向内或向外移动。电子在这些固定轨道间跃迁时，必须吸收或者释放特定的能量。这种电子跃迁的理论能够很好地解释氢原子光谱中存在固定位置的线条，并将普朗克常数与氢原子光谱的里德伯常量建立起了联系。玻尔的原子结构模型比卢瑟福的原子模型又进了一步，很快为当时科学界所普遍接受。
1916年，德国化学家柯塞尔在考察大量事实后得出结论，任何元素的原子都要使最外层满足8电子稳定结构。
1919年，物理学家卢瑟福在α粒子（氦原子核）轰击氮原子的实验中发现了质子。弗朗西斯·威廉·阿斯顿使用质谱证实了同位素有着不同的质量，并且同位素间的质量差都为一个整数。这被称为整数规则。
1923年，美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯发展了柯赛尔的理论，提出共价键的电子对理论。路易斯假设，在分子中来自于一个原子的一个电子与另一个原子的一个电子以“电子对”的形式形成原子间的化学键。这在当时是一个有悖于正统理论的假设，因为库仑定律表明，两个电子间是相互排斥的。但路易斯的这种设想很快就为化学界所接受，并导致原子间电子自旋相反假设的提出。
1926年，薛定谔使用路易斯·德布罗意于1924年提出的波粒二象性的假说，建立了一个原子的数学模型，用来将电子描述为一个三维波形，但是在数学上不能够同时得到位置和动量的精确值。
1926年，沃纳·海森堡提出了著名的测不准原理。这个概念描述的是对于测量的某个位置，只能得到一个不确定的动量范围，反之亦然。尽管这个模型很难想像，但它能够解释一些以前观测到却不能解释的原子的性质，如比氢更大的原子的谱线。因此，人们不再使用玻尔的原子模型，而是将原子轨道视为电子高概率出现的区域（电子云），从而确立了现代原子论的原子基本结构特征。
对于核外电子数是基本固定的原子，如何能形成云状外壳，可以借助杂技中的火流星来理解。杂技火流星的表演是将一条两端有火篮的绳子转动起来，使火光在高速转动中因视觉暂留现象而形成光的圆形图案。当这种转动的速度极高时，光可以形成一个圆形球体，但实际上只有两个光点（火篮）。同时，根据质量与动量在高速下可以转换的原理，这时的圆形外壳已经具有实体的性质，如水泼不进。同理，即使只有一条轮辐的轮子，在高速旋转或静止时，轮圈内的任何部位都不可以伸手进去基本是空间的，这证明高速运动的物体，即使是一个点，它的轨迹已经具有实体性质。对于电子这样极高速运动的粒子，就等同于在核外有了圆球状外壳一样。事实正是如此。
2.2.4 原子分子论
在电子、质子、中子和放射性元素被发现和认识以后，原子的面貌终于完全暴露了出来。我们由此可对原子分子论有一个本质上的认识。但是在历史上，不要说社会大众，科学家们开始也难以在原子分子学说上取得一致意见。
早期的每个化学家都按自己的理解，分析出一套元素符号和化学式的写法，以至于在著名化学家凯库勒编写教科书时，发现可以表示醋酸的化学式竟然达19个之多。这种混乱的情况使许多著名的化学家怀疑原子量是否能测定，原子量究竟是否存在。这实际上是对原子论提出怀疑。如此混乱的情况显然不利于科学的发展。
为了结束这一混乱局面，统一大家对元素符号、原子量、化合价、化学式的认识，由凯库勒等人发起并召开了一次国际化学家大会。会议于1860年9月3日～5日在德国的卡尔斯鲁厄举行，来自欧洲各国的140名化学家出席了会议。会议经过激烈的争论，没有取得统一的意见，只好不了了之，但在会议就要结束时，会下散发了一本名叫《化学哲学教程提要》的小册子。就是这本小册子使情况豁然明朗，很快统一了大家的认识。化学家们终于明白，承认阿伏伽德罗的分子假说是扭转这一混乱局面的唯一方法。
2.2.5 阿伏伽德罗常数
阿伏伽德罗（Ameldeo Avogadro，1776—1856年），是意大利物理学家、化学家，1776年8月9日生于都灵的一个贵族家庭，1792年8月9日进入都灵大学学习法学，1796年获法学博士，以后从事律师工作，1800～1805年又专门攻读数学和物理学，之后主要从事物理学、化学研究。1803年，他发表了第一篇科学论文。1809年，他任韦尔切利学院自然哲学教授。1811年，他被选为都灵科学院院士。正是在这一年，他提出了分子由原子构成，同体积气体在同温同压下含有同数目的分子，被称为阿伏伽德罗定律。
因此，阿伏伽德罗是第一个认识到物质由分子组成、分子由原子组成的科学家。
1811年，他发表了题为《原子相对质量的测定方法及原子进入化合物时数目之比的测定》的论文，以盖·吕萨克气体化合体积比实验为基础，进行了合理的假设和推理，首先引入了“分子”的概念，并把它与原子概念相区别，指出原子是参加化学反应的最小粒子，分子是能够独立存在的最小粒子。单质的分子是由相同元素的原子组成的，化合物的分子则由不同元素的原子所组成。该文明确指出，“必须承认，气态物质的体积和组成气态物质的简单分子或复合分子的数目之间也存在着非常简单的关系。把它们联系起来的一个、甚至是唯一容许的假设，是相同体积中所有气体的分子数目相等”。这样就可以使气体的原子量、分子量以及分子组成的测定与物理上、化学上已获得的定律完全一致。阿伏加德罗的这一假说后来被称为阿伏加德罗定律。此后的实验证实他的这种推测是正确的。进一步研究表明，1摩尔（mol）微粒（分子、原子、离子、电子等）都有相同微粒数，即6.02310×23个。这个数就是阿伏加德罗常数。
阿伏伽德罗还根据他的这条定律详细研究了测定分子量和原子量的方法，但他的方法长期不为人们所接受。这是由于当时科学界还不能区别分子和原子，分子假说很难被人理解，再加上当时的化学权威们拒绝接受分子假说的观点，致使他的假说默默无闻地被搁置了半个世纪之久。这无疑是科学史上的一大遗憾。直到1860年，意大利化学家康尼查罗在前面提到的国际化学会议上慷慨陈词，声言他们国家的阿伏伽德罗在半个世纪以前已经解决了确定原子量的问题，并散发了他撰写的小册子《化学哲学教程提要》。康尼扎罗以充分的论据、清晰的条理、易懂的方法，很快使大多数化学家相信阿伏伽德罗的学说是普遍正确的。但这时，阿伏伽德罗已经在几年前默默地去逝了，未能亲眼看到自己学说获得科学界的公认。
阿伏伽德罗生前非常谦逊，对名誉和地位从不计较。他没有到过国外，也没有获得任何荣誉称号，但是在他死后却赢得了人们的崇敬，1911年，为了纪念阿伏伽德罗定律提出100周年，在纪念日颁发了纪念章，出版了阿伏伽德罗选集，在都灵建成了阿伏伽德罗的纪念像并举行了隆重的揭幕仪式。1956年，意大利科学院召开了纪念阿伏伽德罗逝世100周年纪念大会。在会上，意大利总统将首次颁发的阿伏伽德罗大金质奖章授予两名著名的诺贝尔化学奖获得者：英国化学家邢歇伍德、美国化学家鲍林。他们在致词中一致赞颂了阿伏伽德罗，指出“为人类科学发展做出突出贡献的阿伏伽德罗永远为人们所崇敬”。
2.2.6 革命者化学家康尼查罗
康尼查罗1826年7月26日出生在意大利西西里岛一个行政官员的家庭，在中学时代学习就很努力，其中算术曾获得过金质奖章，15岁时结束了中学教育，根据他当时的志愿，进入了巴勒摩大学医学系。开始时他对各门功课都有兴趣，后来，由于巴黎科学院院士、生物学教授弗德拉的影响，他迷上了生理学。在弗德拉的指导下，他研究的第一个课题是输入神经与输出神经间的区分。在1845年那不勒斯科学家代表大会上，他关于神经系统研究的论文受到了代表们的好评。当时研究生物学，必须进行化学实验。然而医学系的实验条件极差。康尼查罗只好时常到老师家做实验，还在自己的家里开设了一个简陋的实验室。实验不仅培养了他对化学的兴趣，更重要的是使他发现了自己化学知识的不足，从此他的兴趣又从生理学转到化学。
正在这时，巴勒摩大学闹学潮，康尼查罗是个积极分子，因而被迫离校，弗德拉对此很惋惜，于是介绍康尼查罗到比萨大学继续深造。在比萨大学，化学教授皮立亚是个很有学问和威望的教授。康尼查罗到校后不久，在实验中就被皮立亚发现是个有才华的青年，任命他为自己实验室的助手。为了掌握更多更系统的化学知识，康尼查罗一方面为皮立亚教授准备课堂实验，一方面坚持听皮立亚开设的无机化学和有机化学课程。实验和听课相得益彰，仅仅3年有计划、有系统的训练，已经使康尼查罗成为一个基础知识扎实、实验技术精湛、学术思想活跃的化学家。
思乡之情使康尼查罗告别了他敬爱的老师皮立亚，于1847年夏天回到了巴勒摩。此时，西西里的革命运动正在蓬勃地发展。康尼罗查一回到巴勒摩就奋不顾身地投入革命运动，和他的老师弗德拉一样成为革命运动的中坚分子。1848年2月，西西里反对那不勒斯国王斐迪南二世的武装起义正式爆发，这是波澜壮阔的1848年欧洲革命的一部分。起义者们经过激战，把斐迪南二世赶出了西西里岛，建立了临时革命政府。在战斗中，康尼查罗担任炮兵指挥员，赢得了群众的信任，被推选为西西里议会的众议员，并被任命为众议院的秘书。好景不长，那不勒斯国王纠集了周围几个封建王国的军队进行反扑，1849年4月攻占了西西里全岛，起义遭到失败。康尼查罗参加了最后的抵抗后，不得不流亡到法国。复辟的王朝宣布判处包括康尼查罗在内的12名起义领导人死刑，康尼查罗暂时无法返回家乡。
在法国流浪的半年中，他仍然抓紧时间考察了里昂等地的化工企业，学习了在课堂上学不到的许多知识。后经皮立亚和法国化学家卡胡尔介绍，他来到法国化学教授谢福瑞的实验室工作。在这里，他认真地开展有机化学的实验研究，对当时有机化学发展的新进展有了充分的认识。
当时的意大利分裂成八九个小国，康尼查罗虽然暂时不能回到家乡西西里岛，但是他还是想回到意大利，回到离家乡近一点的地方。这时，位于意大利北部有个叫皮埃蒙特的国家，在1848年曾支持西西里的起义，对康尼查罗等革命者十分尊重。1851年，皮埃蒙特政府聘请康尼查罗到当地技术学院任物理、化学和数学教授。他到学院后的第一件事是建立化学实验室。因为他已充分认识到，没有化学实验室是不能创造科学成果的，也不能培养科学人才。就在这个学院，他取得了有机化学的一个重要发现：芳香醛类和碱液作用可转变为相应的酸和醇。这在教科书上称为康尼查罗反应，这无论在理论上还是在实际上都有重大意义。1855年，皮埃蒙特最著名的大学——热那亚大学聘请他为化学教授。在繁忙的教学之余，他系统、深入地考察了理论化学的发展等问题。《化学哲学教程提要》就是他这一时期的科研成果。
1860年4月，西西里农民再度起义，包括康尼查罗在内的革命战士纷纷返回西西里，斐迪南二世再次被赶出了西西里，康尼查罗回到阔别11年的故乡，成为西西里国家的非常委员会成员。但是，此时的康尼查罗没有忘记他的科学事业，在革命工作十分繁忙的9月，仍然赶赴德国卡尔斯鲁厄尔参加了第一次国际化学家代表大会。由于宣传了他的《化学哲学教程提要》，多数化学家从此理解并接受了阿伏伽德罗的分子假说，34岁的康尼查罗也被公认为理论化学的权威。
康尼查罗从德国回来后不久，西西里的那不勒斯王国与皮埃蒙特王国合并成立了意大利王国，到1870年，意大利王国又统一了意大利全境。在这场完成国家统一的革命中，康尼查罗在科研和教学之外，以极大的热情从事社会政治活动。这位伟大的科学家也是当时一位杰出的政治活动家。
统一后的意大利王国设首都于罗马。新政权在罗马建立了一所全国最高级的学府——罗马大学。这里云集了意大利一批最优秀的学者。康尼查罗当然是第一批被推举的学者，1871年，他来到了罗马大学任化学教授。在罗马，他一方面从事教学，为意大利培养了一批优秀的化学家，一方面从事有机化学的研究，取得了突出的成就。此外，他也是意大利王国的议员、副议长，国家教育委员会、国家财政委员会的成员，为建设统一后的意大利做出了杰出的贡献。
康尼查罗是通过研究化学史来论证原子分子论的。他的方法充分体现了逻辑与历史的统一。康尼查罗在热那亚讲授理论化学时，发现了由于不承认阿伏伽德罗分子假说所造成的混乱。面对这一困境，他首先研究了道尔顿的原子论、阿伏伽德罗的分子假说及其实验依据。通过这一历史的考察，他认识到争论的症结是对分子概念的认识不清。但是要解开这一症结，还必须掌握更多的化学事实。为此，他又考察了贝采里乌斯的电化二元论及杜马对它的批判，总结了杜马等许多化学家所做的与分子论相关的工作，沿着历史的线索对化学理论和一些测定方法进行分析和总结，强调阿伏伽德罗的分子假说是盖·吕萨克气体化合定律的自然结论，从而说明了分子假说是有根据的，并指出一些化学家不接受阿伏伽德罗分子假说的一个重要原因是过分地信赖了贝采里乌斯的电化二元论。有机化学中的卤素取代氢的实验事实恰好证明电化二元论是不全面的。他不但从理论上加以说明，而且具体实验了如何根据分子假说，运用蒸气密度法来求分子量，并且他运用气体密度法测定了氢、氧、硫、氯、砷、汞、溴等单质和水、氯化氢、醋酸等化合物的分子量。同时，他在测定分子量的基础上，结合分析化学的资料，进而提出了一个确定原子量的合理方法，论证了阿伏伽德罗假说与杜隆珀替定律的关系。这一定律是法国物理学家杜隆和珀替在1818年由实验推导出来的关于固态单质的物质热容量与原子量的关系。
康尼查罗还指出了当量与原子量不同，是原子参加化学反应的数量单位，当量和原子价的乘积就是原子量。他根据大量的实验资料证明无论在无机化学还是在有机化学中，原子量只有一套，化学定律对无机化学、有机化学同样适用，并确定了写化学式的原则。
康尼查罗所解决的上述问题澄清了许多模糊乃至错误的认识，为原子分子论的确立扫除了障碍。他的上述观点正是《化学哲学教程提要》这一小册子所论述的主要内容。
康尼查罗的工作和他的论著一样受到了同行们很高的评价。和门捷列夫一道发现化学元素周期律的德国化学家迈尔在结束卡尔斯鲁厄会议的回家途中就阅读了这本论著，他感慨地说：“这本篇幅不大的论文对于大家争论中最重要的各点阐述得如此清楚，使我感到惊奇。眼前的难题得到了解决，许多疑团烟消云散……这应归功于康尼查罗的论著。”康尼查罗的合理阐述，把原子论和分子假说构成一个协调的系统，原子分子论因此才为广大化学家们接受。原子分子论的确立直接导致化学元素周期律的发现和有机化学系统的建立。
康尼查罗对化学发展的巨大贡献使他在全世界享有很高的声望。1862年，英国皇家学会选他为会员。1872年，英国皇家学会又授予他第一枚特制的法拉第奖章。1906年，为庆祝他80岁寿辰，在罗马举行了国际应用化学代表大会，在会上，授予康尼查罗一座象征着传递真理的比立特的座像。1910年5月10日，84岁的康尼查罗因年高而去世。
原子分子论的确立使物理和化学的研究进入了一个沿着科学道路迅速发展的时期，从而开创了现代物理与化学的新篇章。特别促进了原子研究的进一步深入，使物理和化学都进入了量子化时代，进而使宏观世界与微观世界有了统一的描述系统，将浩瀚宇宙与微小原子有机地结合起来，找到了它们的共同起源。
同时，原子分子论的确立不但没有终结人类对物质微观结构的探索，而且增强了人们进一步探索物质奥秘的信心，也为深入探寻原子家族的新成员提供了理论基础和创新的动力。
2.2.7 中子的发现
1930年，科学家发现α射线轰击铍9时，会产生一种电中性且拥有极强穿透力的射线，最初这被认为是γ射线。1932年，约里奥·居里夫妇发现，这种射线能从石蜡中打出质子。同年，卢瑟福的学生詹姆斯·查得威克认定这就是中子，而同位素则被重新定义为有着相同质子数与不同中子数的元素。
早在1920年，卢瑟福就在著名的贝克尔演讲中做出了中子存在的理论预言。为了检验卢瑟福的假说，卡文迪许实验室从1921年就开始了实验工作。
卢瑟福曾经请格拉森在氢气中放电时寻找中子。不久，罗伯兹也做了类似的实验。
1923年，查德威克得到卢瑟福的赞同，用游离室和点计数器作为检测手段，尝试在大质量的氢化材料中检测γ射线的发射。
在初步做了这些尝试之后，查德威克考虑到中子只有在强电场中才可能形成，但没有合适的变压器可用。正当查德威克着手进一步开展探讨中子的研究时，柏林的玻特和巴黎的约里奥·居里夫妇相继发表了他们的实验结果。
玻特是德国著名物理学家，曾在盖革的研究所里工作。从1928年起，玻特和他的学生贝克尔用钋发射的α粒子轰击一系列轻元素，发现α粒子轰击铍时，会使铍发射穿透力极强的中性射线，强度比其他元素要大10倍。用铅吸收屏研究其吸收率时，证明这种中性射线比γ射线还要硬。1930年，玻特和贝克尔率先发表了这一结果，并断定这种贯穿辐射是一种特殊的γ射线。
在巴黎，居里实验室的约里奥·居里夫妇也正在进行类似实验。他们把石蜡板放在放射源和游离室之间，发现静电计急速偏转。石蜡含氢，会不会是氢核被铍辐射撞击形成新的射线。于是他们施加磁场进行检验，磁场果然对这一射线有作用。遗憾的是他们在肯定石蜡发出的是质子流之后，也和玻特一样，把铍辐射看成是γ射线。
1932年1月18日，约里奥·居里夫妇发现，铍辐射的能量是如此之大，竟能把氢核（质子）从石蜡板中撞击出来。随后，他们还用云室拍到了质子流的照片，但他们没有摆脱玻特的错误解释。
约里奥·居里夫妇的实验对查德威克有极大的启发。查德威克读到约里奥·居里在《法国科学院通报》上的文章，文中报告了铍辐射极其惊人的特性，他立即告诉了卢瑟福。卢瑟福表示不相信，建议尽快做实验进行检验。这时，查德威克正好准备开始实验，因为他已制备好了钋源。他以客观的态度工作，几天紧张的实验，就证明了这些奇异效应是某种中性粒子的作用。他还测出了这种粒子的质量。1920年，卢瑟福假设的中子终于出现了。
1932年2月17日，查德威克写信给《自然》杂志，发表了他的结果。这篇通信的题目是“中子可能存在”，离约里奥·居里的文章不到一个月。接着，在《英国皇家学会通报》上，他又发表了题为“中子的存在”一文，详细报告了实验结果及理论分析。
查德威克还进一步根据质谱仪测得的数据推算出了中子的精确质量为1.0067（原子质量单位），并对中子的性质进行了详尽的分析，以确凿的事实证明中子的存在。
查德威克，1891年10月20日生于英国的曼彻斯特，1911年，在曼彻斯特大学毕业后，留校在卢瑟福实验室研究放射性，1913年获硕士学位，随即获得奖学金赴柏林向卢瑟福的合作者盖革学习，在那里，正遇上第一次世界大战爆发，他被作为战争囚犯关押起来，但在监禁期间，他仍设法建起一个小的实验室。1914年，当他还是学生时，就发现β射线能谱是连续的。1919年，查德威克回到英国，随卢瑟福来到卡文迪许实验室，协助卢瑟福完成人工核转变的实验研究。1920年，他通过铂、银和铜核研究α粒子的散射，直接测出了原子核的电荷，从而完全证实了卢瑟福的原子理论和关于元素的核结构，以及核电荷数与元素的原子序数相等的结论。1923年，他任卡文迪许实验室助理主任。1935～1948年，他任利物浦大学教授。1948年起，任剑桥大学戈维尔和凯尔斯学院院长，1927年，当选为英国皇家学会会员，剑桥、牛津等许多大学都授予他荣誉学位，1945年被封为爵士，1974年7月24日，在英国剑桥逝世，享年83岁。
2.2.8 发现中子的意义
在原子物理学的发展中，发现中子是又一件划时代的大事。中子的发现带来了一系列后果：第一是为核模型理论提供了重要依据，苏联物理学家伊万宁科据此首先提出原子核是由质子和中子组成的理论；第二是激发了一系列新课题的研究，引起一连串的新发现；第三是找到了核能实际应用的途径。用中子作为炮弹轰击原子核，比α粒子的威力大得多。因此，可以说，中子的发现打开了原子核的大门。
无奈的是原子核研究的进展往往被用于军事而威胁全人类的安全。
原子弹和氢弹我们大家都很熟悉了。原子弹、氢弹、中子弹是核武器家族中的3个重要成员。中子是构成物质原子核的基本粒子之一，它的质量与质子相同。中子不带电，从原子核分裂出来的中子很容易进入原子核。人们利用中子的这个特性，用它轰击原子核来引起核反应。这就是中子弹。中子弹在爆炸时释放大量的高能中子，是以高能中子辐射为主要杀伤的小型氢弹。
我们知道，每一种核武器都具有核辐射、冲击波、光辐射等杀伤力，中子弹也有核武器的这些特性，但是中子弹的杀伤特性主要不是在这些方面。中子弹主要是靠中子的辐射起到杀伤作用，可以在有效的范围内杀伤坦克、装甲车辆或建筑内的人员。如果有一个100吨TNT（即黄色炸药，三硝基甲苯）当量的中子弹，在距离爆炸中心800米时，其核辐射剂量是同等当量的裂变核武器的几十倍，但是它爆炸时产生的冲击波对建筑物的破坏半径只有300～400米。也就是说，如果有一枚千吨级当量的中子弹在战场上爆炸，那么，800米范围内的人员会被杀伤，被杀伤的人员并不是马上死，而是慢慢地非常痛苦地死去，受伤者最长可以拖过7天的时间。中子弹爆炸的300米范围之外的建筑和设施将毫发无损，但是建筑物中的人员却不能幸免。中子弹的这种特性令战争狂人认为是适合在战场上作为战术核武器使用的。
中子弹是什么时候诞生的呢？它诞生于20世纪50年代，是由美国加州大学的一个实验室开发而成的。随后，掌握了核武器的国家纷纷开始研制中子弹。1981年，卡特总统批准了中子弹的生产计划。里根总统上台后，下令生产“长矛”导弹的中子弹头和可以用榴弹炮发射的中子弹头。美军现在已经有了203毫米榴弹炮的中子弹头和155毫米中子弹的弹头。这两种用炮弹发射的中子弹是目前世界上当量最小的中子弹。目前中子弹并没有在战场上投入使用。中子弹可以用飞机、导弹、榴弹炮来发射。美、英、法、俄的许多战斗机经过改装都可以发射带有中子弹头的对地导弹。目前，世界上有哪些国家具备了生产中子弹的能力呢？可以毫不夸张地说，凡是拥有氢弹的国家，都具备了生产中子弹的能力。但是，全世界爱好和平的人们都不会允许生产和使用任何核弹，包括中子弹。因为核战争意味着整个人类的自我毁灭。
2.2.9 中子星
1932年，发现中子后不久，科学家就提出可能有由中子组成的致密星。1934年，巴德和兹威基两位天文学家分别提出了中子星的概念，而且指出中子星可能产生于超新星爆发。1939年，奥本海默和沃尔科夫通过计算建立了第一个中子星的模型，从而揭开了人类探寻和研究中子星的序幕。
研究表明，中子星是处于演化后期的恒星，也是在老年恒星的中心形成的。只不过能够形成中子星的恒星，质量更大罢了。根据科学家的计算，当老年恒星的质量大于10个太阳的质量时，它就有可能最后变为一颗中子星，而质量小于10个太阳的恒星往往只能变化为一颗白矮星。
中子星又称脉冲星。脉冲星是变星的一种，是在1967年首次被发现的。当时，还是一名女研究生的贝尔发现狐狸星座有一颗星发出一种周期性的电波。经过仔细分析，科学家认为这是一种未知的天体。因为这种星体不断发出电磁脉冲信号，人们就把它命名为脉冲星。脉冲星发射的射电脉冲的周期性非常有规律。一开始，人们对此很困惑，甚至曾想到这可能是外星人在向我们发电报联系。据说，第一颗脉冲星就曾被叫做“小绿人一号”。经过几位天文学家一年的努力，终于证实，脉冲星就是正在快速自转的中子星。而且，正是由于它的快速自转而发出射电脉冲。
由于脉冲星发出的电磁波的周期极短而又有规律，像人眨眼一样，因此，又名波霎（拼音）。脉冲星都是中子星，但中子星不一定是脉冲星，我们必须能收到它的脉冲才算是。中子星是恒星演化到末期，经由重力崩溃发生超新星爆炸之后，可能成为的少数终点之一。恒星核心的氢于核聚变反应中耗尽，完全转变成铁时，便无法从核聚变中获得能量。失去热辐射压力支撑的外围物质受重力牵引会急速向核心坠落，有可能导致外壳的动能转化为热能向外爆发产生超新星爆炸，或者根据恒星质量的不同，整个恒星被压缩成白矮星、中子星以至黑洞。白矮星被压缩成中子星的过程中，恒星受到剧烈的压缩使其组成物质中的电子并入质子转化成中子，直径大约只有十余千米，却集聚了惊人的质量。中子星的密度为1011千克/立方厘米，也就是每立方厘米的质量为一亿吨。中子星是除黑洞外密度最大的星体，同黑洞一样，也是20世纪60年代最重大的发现之一。
微观世界中的中子在宇宙中竟然扮演着这么重要的角色，这是非常令人吃惊的。人类通过认识物质的微观结构而进一步认识了浩瀚无际的宇宙，认识了人类在宇宙中的位置。这对人类在地球上的生存和发展具有重大意义。
