原子这个名字，大家也许都很熟悉。我们原子极其微小，仅为亿分之几至千万分之几毫米。自从十八世纪末，十九世纪初化学家们将我们拥入人间，两个多世纪以来，从未有人直接“看到”我们。

　　我们是中国科学院福建物质结构研究所（简称物构所）的科技工作者们日夜思索，并在他们的想象中排列组合成各种美妙新物质的小精灵。当您步入这个座落于福州闽江之滨的研究所大门，迎面屹立着一尊该研究所的创始人，著名的结构化学家卢嘉锡先生的全身铜像。卢先生手持一个物质的结构模型，模型中用一个个小圆球来表示我们原子。从形象上讲，这是人类对微观世界的我们最简约、最智慧的表达。

　　实际上，我们的模样和踪迹真可以说“像雨，像雾又像风”。而揭开这个奥秘应该归功于物理学家。第一盏照亮我们“原子云团”的宝灯是1900年德国物理学家普朗克所创立的“量子力学”。其时，他逆叛了经典力学中“物体辐射能量是连续”的清规戒律，提出了原子、分子辐射能量的释放和获得是不连续的，一小份一小份的，只能发射或吸收频率为n，数值为hn的整数倍的电磁能。他称之为“量子”（h称为普朗克常数）。虽然他的发现在那个年代被斥为“胡说八道”，但在1905年爱因斯坦却应用普朗克的“量子理论”成功地解释了“光电效应”，就是金属由于光照而产生电流的现象。爱因斯坦提出每一种频率的光，其能量都有最小的单位，称为光子，光子的能量就是hv，光是一束光子流。结合在此前已被公认光是电磁波的学说，爱因斯坦已经断言光同时具有微粒和波的特性。几年后，当将量子概念用于研究“原子的名片”，即表征各种原子特征的“光谱”之后，1911年，英国物理学家卢瑟福提出了原子的“行星模型”，把原子的中心称为“核”，电子围绕着核旋转，如同人类生活的行星系统。1913年他的学生丹麦物理学家玻尔进一步提出了不同能量的电子在不同轨道上运动而引入能量的“定态”和“能级”的概念。第二盏照亮我们“原子云团”的宝灯是1924年法国物理学家德布罗意提出的“物质波”的假设。这个假设告诉人类，一切运动的实物粒子，小至电子大至巨大星球都兼具微粒和波动二象性，也就是说原子、电子、中子、质子等运动粒子即是一个微粒，也具有波动特性。何等离经叛道的理论在几年后还是被“电子衍射”等实验所证实。这些实验也表明，物质波不同于机械波（水波、声波），也不同于电磁波。机械波是介质质点的振动；电磁波是电场和磁场的振动在空间的传播，而物质波没有直接的物理意义，它的波强度反映了微粒出现几率的大小，故亦称为几率波。紧接着在1927年年轻的德国物理学家海森堡和薛定谔巧妙地用波动方程描述微观粒子的运动状态，海森堡还提出由于波动性使“粒子的位置和速度；能量和测量时间不可能同时准确测定”这样一个著名的“测不准关系”。同时由于电子的波动性，还发现当电子处于如同小山的势垒中时，穿过势垒出现在另一边的几率不为零的现象，即隧道效应。当今堪称先进的“扫描隧道显微镜”就是利用这个原理发明的。它的分辨率达到纳米级（千万分之一公分），但通过它所观察到的也只是我们的“电子云”形态。

　　至此，人类的科学天才们已经展现出了一幅和谐但多重的原子结构蓝图，即：原子是由原子核和包围它的（但不是围绕它旋转的）电子组成的，把原子核和电子结合在一起的是“核”对“电子”的引力；原子核包含有带正电荷的“质子”和不带电的“中子”，它们通过“核力”结合；原子核的质量几乎等于原子的总质量，而它的半径只有原子大小的万分之一；全部电子所带的负电荷和核的正电荷相等，它的数目也就是“原子的序数”。在原子结构中，以“波函数”描述电子的能量状态，以“几率波”即“电子云”代替“轨道”。不同轨道造成不同的电子云层，物理学家称之为“壳层”，并依照它们与核的接近程度由内向外命名，每一个壳层都有它所能容纳的最大电子数目。这些电子再分配给“壳层”中的若干“房间”，称之为“辅壳层”，它们所具有的各种电子云模型如同附图（一）所展示。就这样，各个原子的核外电子由里向外装填各个壳层成为我们原子的电子组态。人类迄今已经发现了我们共112个“种群”——人类称之为“元素”。而早在1869年俄国化学家门捷列夫就发表了最早的“元素周期表”，断言：元素的性质及元素化合物的形式与原子量的大小有周期性的依赖关系。在原子结构被进一步认识后，上述的“原子量大小”，更确切的说应该是“原子序数”。

　　现在您已经知道了我们原子独特的身份标记，我们还有独特的脾性，这就是我们不愿意独身存在。这个秘密早在1811年就被意大利的物理学家，化学家阿伏加德罗发现了。阿伏加德罗在他的著作“分子说”中，首次引入了“分子”的概念。他认为“分子”是由“原子”组成的。他说：原子是参加化学反应的最小粒子，而“分子”则是能独立存在的最小单元；单质分子是由相同元素的原子组成，而化合物分子是由不同元素的原子组成。不幸的是这一思想在当时遭到了非议。直到他去世后的1860年，他的同胞，另一位意大利化学家坎尼扎罗在一次国际化学会议上为阿伏加德罗的学说慷慨陈词，这个学说才被接受。事情真是这样，我们原子是多情的，我们或者是以外壳层电子的“奉献”和“接受”与另一种或另几种原子结合形成稳定的家庭，奉献者为“负离子”，接受者为“正离子”，这叫做离子分子；或者我们以共用电子的“婚姻”使彼此拥有共同的家，即共价分子。这种结合的力量人类称之为“化学键”，不论哪一种形式，分子的结构已经不再像它的成员——原子的构造，它的电子配置已经改变，因而，分子的物理化学特性与构成它的原子也已迥然相异了。分子在物质中的三维排布就构成物质的立体结构，而它的电子配置就是物质的电子结构。

　　虽然，“世界的一切物质都是由原子、分子聚集而成”的设想人类在世纪前已经认识到，但关于我们的“立体结构和电子结构决定了物质宏观性能”的真理则是在二十世纪大量物质结构被测定后才得以确立的。百年来，这一真理为人类不断创造了丰富多彩的成就。物构所在上世纪八十年代开发的中国牌的非线性光学晶体低温相偏硼酸钡（简称为BBO）。它的原子，分子组成和其高温相完全一样，仅仅因为组成中的钡（Ba）原子和硼氧环（B₃O₆）在结构中的三维排布不同（如附图二），产生不同的电子结构。其结果，高温相不具有非线性光学性质，而低温相则具有极为优秀的倍频性能。这种性质能使入射于晶体的光频率改变，例如使不可见红外光变为可见的绿光。这是结构决定性能之一例。反之，物质的性能必然反映它的某种结构特性。例如人们所熟知的云母的解理性，就表明云母具有层状的立体结构。物构所的科学工作者们就是为在原子、分子水平上研究由我们所组成的新的功能材料，催化材料及某些蛋白质分子的微观结构以及结构和上述材料宏观性能的关系而乐此不疲。

　　关于我们的核心内部还发现了许多新奇的粒子、反粒子，甚至由此引出对世界和反世界的探索，至今还在继续之中。

　　　

　　　

　　　

　　图一 原子中的各种电子云的形状模型图

　　图二 低温和高温相BBO的原子排布示意图

　　　　　　　　　　　　　　　　（本文经修改后发表在《科学与文化》2009年第12期）