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年以后，才以所谓“波动力学”的形式出现，这个理论根据新的
量子原理，修改了古典力学的整个基础。因此，尽管乍一看来，
波动力学的体系似乎比玻尔的旧理论还要古怪，但这种新的微观
力学却成为今天理论物理学中的一个最合乎逻辑、最容易为人们
所接受的组成部分。由于这种新力学的基本原理，特别是“测不
准性”和“弥散轨道”等概念，我已经在前几次演讲中谈过了，
这里我只想提醒大家再注意一下，然后就要回头讨论原子结构的
问题了。
在我现在挂出的这幅图上（请看下图），你们可以看到，波
动力学理论是怎样从“弥散轨道”的观点出发去设想电子在原子
中的运动的。这幅图所表示的正好是上一幅图用古典方法表示出
的那些运动类型（不过，由于技术上的原因，现在把每一种运动
类型分开画成一个小图），但是，我们现在所看到的不是玻尔理
论那种轮廓清楚的轨道，而是一些同基本的测不准原理相一致的
模模糊糊的图形。现在标注在这些不同运动状态旁边的记号和上
一幅图中的记号相同，把这两幅图比较一下，并且只要稍稍运用
你们的想象力，你们就会发现，我们这些云雾状的图案相当忠实
地摹写了旧的玻尔轨道的一般特点。
这些图十分清楚地表明，在量子起作用的场合下，古典力学
那些美妙的旧式轨道会发生什么样的变化，尽管有些门外汉会把
这种图景看做是荒唐的梦想，但那些研究原子的微观世界的科学
家，却能够毫无困难地采纳它。
我们这样简短地讨论了原子的电子大气的可能运动状态以后，
现在碰到了一个重要的问题，这就是：原子中的电子在各个不同
的可能运动状态中是怎样分布的？这里，我们又一次接触到一个
新的原理——一个我们在宏观世界中非常不熟悉的原理。这个原
理是泡利最先提出的，它规定：在任何一个原子的电子集体中，
不能够有两个电子同时具有相同的运动状态。在古典力学中，这
个限制是没有多大意义的，因为在古典力学中有无限多种可能的
运动状态。但是，既然量子规律已经大大缩减了“许可的”运动
状态的数目，泡利原理在微观世界中就起着非常重要的作用了：
它保证电子或多或少均匀地分布在原子核周围，不容许它们拥挤
在某个特定的点上。
不过，你们千万不要从上面所说的这个新原理出发作出结论
说，在图上表示出的每一个弥散的量子运动状态，只能够被一个
电子所“占据”。事实上，每一个电子除了沿着它的轨道围绕原
子核运动以外，还要绕着它自己的轴自转（自旋），就像地球除
了绕太阳作轨道运动外，还要绕着南北极轴自转那样。因此，如
果两个电子自旋的方向不同，那么，它们沿着同一个轨道围绕原
子核运动，就根本不会让泡利博士感到为难了。目前对电子自旋
的研究表明，电子围绕自己的轴旋转的速度永远是相同的，并且，
电子自旋轴的方向必定永远与轨道平面相垂直。这样，电子就只
能够有两个不同的自旋方向，我们可以用“顺时针方向”和“逆
时针方向”来代表它们。
这样一来，泡利原理在用于原子的量子态时，可以改变成下
面的说法：“占据”每一个量子运动状态的电子不能多于两个，
并且，这两个电子的自旋方向必须相反。因此，当我们沿着元素
的天然序列向电子数越来越多的原子推进时，我们就会发现，不
同的量子运动状态一个个被电子逐步充填，原子的直径也不断随
之增大。
在这方面还必须指出，从电子结合强度的角度来看，我们可
以把原子中电子的不同量子态归并成结合能大致相同的几组分立
的量子态（或者称为电子壳层）。当顺着元素的天然序列推进时，
这些量子态总是一组充填满以后，才接着充填另一组，并且，由
于电子顺序充填各个电子壳层的结果，各种原子的性质也周期性
地改变。这就解释了俄国化学家门捷列夫靠经验发现的元素周期
性，这种周期性现在是大家都已经非常熟悉的了。
１２ 在原子核内部
汤普金斯先生出席的下一个演讲会，是专门介绍原子核的内
部结构的。现在教授开始演讲了。
女士们，先生们：
我们在越来越深入地发掘物质的结构时，现在应该用我们智
力上的眼睛，试一试观察原子核的内部了。原子核的内部是只占
原子本身总体积几亿分之一的神秘区域；尽管这个新的研究领域
的尺寸小得难以置信，但我们将发现，它具有了非常巨大的活动
性。事实上，原子核毕竟是原子的心脏，虽然它的体积只占原子
总体积的10…15，但它却大约占有原子总质量的99。97％。
在从原子那个密度稀薄的电子云进入原子核区域时，我们马
上会因为其中粒子极端拥挤的状态而感到惊奇。平均说来，在原
子大气中，电子的活动范围比它自己的直径大几十万倍，而居住
在原子核内部的粒子，却确实是一个紧挨着一个地挤在一起，把
原子核挤得满满的，只能勉强地移动。从这个意义上说，原子核
内部的景象与一般液体很相似，不过我们现在所碰到的不是分子，
而是比分子小得多的粒子，即所谓质子和中子。在这里应该指出，
质子和中子尽管名称不一样，但人们现在却把它们看做是同一种
重基本粒子——即所谓“核子”——的两种不同的带电状态。质
子是带正电的核子，中子是电中性的核子。至于说到核子的几何
大小，那么，它们同电子并没有多大差别，直径约为10…12厘米。
不过，核子比电子重得多，要用1840个电子放在天平的一端，才
能同放在另一端的一个质子（或中子）相平衡。我已经说过，构
成原子核的粒子彼此挤得非常紧，这是由某种特殊的原子核内聚
力（强核力）的作用决定的。这种力同作用于液体分子之间的力
很相似，并且就像液体的情形那样，尽管这种力能够防止各个粒
子完全分离开，却并不妨碍各个粒子发生相对位移。这样一来，
原子核物质就具有某种程度的流体的性质，它在不受任何外力的
干扰时，总是像普通的水滴那样呈球形。在我现在拿出的这张示
意图上，你们可以看到由质子和中子构成的几种不同的原子核。
最简单的一种是氢的原子核，它只含有一个质子，而最复杂的铀
原子核却含有92个质子和142个中子。 当然，你们应该把这些图
形看做是真实情况的高度公式化的示意图，因为根据量子论那个
最基本的测不准原理，每一个核子的位置实际上都“弥散”到整
个原子核区域。
我已经说过，构成原子核的各个粒子是由很强的内聚力维持
在一起的，但是，除了这种引力以外，在原子核内还存在着另一
种作用方向与它相反的力。事实上，大约占原子核成员总数的一
半的质子是带正电的，它们会由于库仑静电力的作用而互相排斥。
对于比较轻的原子核来说，由于其中的电荷比较少，这种库仑斥
力是无足轻重的，但是，在原子核比较重、电荷很多的场合下，
库仑斥力就会同强核引力激烈地竞争。核力是短程力，只在相邻
的核子之间起作用，而静电力却是长程力。这就意味着，处在原
子核外围的质子只受到紧邻的核子的吸引，而却受到原子核内所
有其他质子的排斥。当原子核内的质子增多时，斥力会变得越来
越强，而引力并不随之增大。因此，当质子超过一定的数量时，
原子核就不再是稳定的，它倾向于把它的某些组成部分驱逐出去，
这就是许多处在周期表末尾的元素，即所谓“放射性元素”所发
生的情形。
你们可能会从上面的叙述得出结论说，这些不稳定的重原子
核会把质子发射出去，因为中子不带任何电荷，所以，它们不是
库仑斥力所要排斥的对象。但是，实验告诉我们，实际上被发射
出的粒子是所谓“α粒子”（氦的原子核），这是由两个质子和
两个中子构成的一种复合粒子。这个事实应该用原子核各个组成
部分特殊的结合方式来解释。原来，由两个质子和两个中子结合
成α粒子这样的组合特别稳定，因此，一下子把这整个粒子团抛
出，要比把它分裂成质子和中子容易得多。
你们大概已经知道，放射性衰变现象是法国物理学家贝克勒
尔最先发现的；而把它解释成原子核自发嬗变的结果的，则是著
名的英国物理学家卢瑟福。关于卢瑟福，我过去在谈到别的问题
时已经提到过了，由于他在原子核物理学中有过许多重要的发现，
他对科学所做的贡献是很大的。
α衰变过程的一个最重要的特点是：α粒子要找到离开原子
核的“门路”，往往需要极长的时间。在铀和钍的情况下，这个
时间大约是几十亿年，在镭的场合下，它大约是16个世纪。此外，
尽管有些元素只要几分之一秒就发生衰变，但是，它们的整个寿
命同原子核内部运动的速度比较起来、仍然可以认为是非常之长
的。
那么，是什么力量使α粒子有时在原子核内停留几十亿年之
久呢？再说，既然它已经停留这么久了，为什么它最后又会发射
出来呢？
为了回答这个问题，我们必须先简单地谈谈内聚引力和作用
于粒子、使它们脱离原子核的静电斥力的相对强度。卢瑟福曾经
利用所谓“轰击原子”的方法，对这两种力作了细致的实验研究。
卢瑟福在卡文迪许实验室做过一个著名的实验，他让一束从某种
放射性物质发射出的快速运动的α粒子射到物质上，并观察这些
原子炮弹由于同被轰击物质的原子核碰撞而发生的偏转（散射）。
这种实验证明了这样一个事实：当这些炮弹离原子核比较远时，
它们受到核电荷的长程静电斥力的强烈排斥，但是，如果它们能
够射到非常靠近原子核区域的外界，这种斥力就会被强烈的引力
所取代。可以说，原子核有点像一个四周有又高又陡的围墙的堡
垒，它的围墙既不让粒子从外部进入，也不让粒子从里面逸出。
但是，卢瑟福实验的最令人惊讶的结果也就在于：不管是在放射
性衰变过程中发射出的α粒子，还是从外部射入原子核的炮弹，
它们实际拥有的能量都太小了，不足以从围墙——即我们物理学
家常说的“势垒”——上面越过。这是一个同古典力学的全部概
念完全相矛盾的事实。真的，要是滚一个皮球所用的能量远远小
于它达到山顶所需要的能量，你怎能期望它越过山顶滚过去呢？
在这种情况下，古典物理学只好瞪大眼睛，假定卢瑟福的实验肯
定有某种错误了。
其实，这里并没有任何错误。如果说这里有什么错误的话，
那么，犯错误的决不是卢瑟福，而恰恰是古典力学自己。这种局
面已经由伽莫夫、格尼和康登同时澄清了，他们指出，只要从量
子论的观点来考虑这个问题，就不会产生任何疑难了。事实上，
我们已经知道，今天的量子物理学并不承认古典理论那种非常确
定的、呈曲线状的轨道，而用幽灵般模糊的径迹来代替它们。并
且，正像古老传说中的幽灵能够毫无困难地穿过古城堡厚厚的石
墙一样，这种幽灵般的轨道也能够穿透那种从古典观点看来完全
无法穿透的势垒。
请大家不要以为我是在开玩笑。势垒被能量不够大的粒子所
穿透的可能性，确实是新的量子力学的基本方程直接给出的数学
结果，它代表新、旧运动概念之间的一个最重大的差异。不过，
新的力学虽然容许出现这种不寻常的效应，但却是在加上严格限
制的条件下才容许这样做的：在绝大多数场合下，穿过势垒的机
会都极其微小，被禁闭的粒子肯定要往墙上撞许许多多次（次数
多到无法置信），才能够最后获得成功。量子论为我们提供了一
些计算这种逃逸概率的精确公式，现在事实已经证明。我们所观
察到的α衰变的周期是同这种理论预测完全相符的。即使是对于
那些从外部射入原子核的炮弹来说，量子力学的计算结果也同实
验非常一致。
在进一步深入讨论之前，我想先让大家看几张照片，它们显
示了几种被高能原子炮弹击中的原子核的衰变过程。
第一张是旧的云室照片。我应该说明一下，由于这些亚原子
粒子非常非常之小，人们是不能够直接看到它们的，即使是用倍
数最大的显微镜也不行。所以，你们一定想不到我�