（第一节 ）探索微观世界
“原子”这个词，出自希腊语ατομα，它的原意就是“不可分割的东西”，也就是指用来构成世界万物的最终单元。但是，在现代社会，已经没有人认为原子是不可再分割的了。科学的进展使人们不得不背离它的原义，把它看作是可分的东西了。
在我们的日常生活中有许多的问题。其中有一些问题很容易就被解决了，另一些问题却使好几代科学家费尽了心血。望着茫茫大海，巍巍山峦，自古到今，有多少人在思索：世界万物是由什么构成的？它有最小结构吗？如果有，那是什么呢？初看起来，这是一个很幼稚的问题。但是两千多年来，人们却一直在寻求着问题的答案，为此而奋斗。
早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物是由金、木、水、火、土五种物质原料构成。《周易》有“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦”的哲学思想。太极即世界的本源，两仪是天地，四象是春、夏、秋、冬四季，八卦是天、地、雷、风、水、火、山、泽，它们演出世界万物。战国时的老子说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”二指的是阴和阳，阴阳统一为“冲气”，三者产生万物。在汉代出现了天地万物由“元气”组成的哲学观。公元前六世纪古希腊思想家、科学奠基人之一的泰勒斯也提出了“世界是由什么物质构成的？”问题，他和依奥宁学派的其他学者一样，感到必然存在某种物质微粒，存在某种完全可以触知的基元，而由它们组成了其他一切东西。一个世纪以后，希腊的哲学家德谟克利特把构成物质的最小单元叫做“原子”。他认为，世界是由两种基元构成的：一种是肉眼看不见的、极细小的。不能分割的原子微粒；另一种是虚空。在他看来，自然界是“原子朝着四面八方的无规则的运动”。大约500年后，在一次有关伊壁鸠鲁哲学的长诗《物性论》中，古罗马唯物主义哲学家、诗人卢克莱修用优美的诗句进一步表述了原子假设“……自然界是依靠不可见的物体来统治万物的。”与德谟克利特同时代、中国战国时期的墨子也提出了类似原子说的观点。他认为“端，体之无厚，而最前者也。”端是物的起始（不能再分割的微小粒子），把物体分割到德谟克利特的“无厚”，便达到最前的质点。就是说，物体可以“一分为二”地一直分下去，如果剖到“无”，就不能再剖下去了。这就是原子说的思想。
但是在古代，无论思想家还是哲学家对物质结构的认识，只能是凭借思辨和猜想，真正对物质的构成进行科学的研究和解释，是近二三百年来的事情。
大约在三百年以前（1661年），英国的科学家R·玻义耳经过大量的实验，提出了化学元素的概念，认为元素是用化学方法不能再分解的最简单的物质。而后的一百多年里，人们通过实验相继发现了氢（1766年）、氮（1772年）、氧（1774年）等元素，而且化学实验的技术也从“定性”发展到“定量”的水平。一系列重要的实验结果——如化学反应所遵从的质量守恒定律、元素形成化合物时所遵从的定比定律、倍比定律等，启示人们推想物质是由一些不可毁灭的微粒构成的，而且各种不同的元素微粒按照一定的比例形成化合物。在19世纪初期，就形成了分子——原子论。人们认识到，在物质的结构中存在着分子、原子这样的层次。宏观物质的化学性质决定于分子，而分子则由原子构成。原子被认为是构成物质的不可再分割的最小颗粒，它既不能创生，也不能消灭。
在这之后的几十年里，人们用实验方法发现的元素总数扶摇直上，其性质也相差各异。有的闪闪发光，有的乌黑透亮，有的能燃烧，有的会爆炸，有的却不怕火炼……在这些表观现象的巨大差异背后，会不会有更为本质的规律存在呢？1869年，俄国的门捷列夫在前人研究的基础上，把各种元素按照原子量递增的次序排列起来，发现元素的化合价展现出一种极有趣的周期变化规律。在经过反复研究并校正了实验资料上的一些错误之后，门捷列夫终于发现了元素周期律，并从周期表上的空缺之处成功地预言了一些当时尚未发现的化学元素。幸运的是，门捷列夫所预言的三种元素在他还活着的时候就被发现了，因此，他亲眼看到了自己的胜利。而后，周期表上那些空格的主人纷至沓来，门捷列夫的预言逐一地被实验所证实，门捷列夫的化学元素周期律得到了世界的公认。关于周期律的发现还有一段趣闻，1868年，门捷列夫在讲授无机化学时，自己动手编写了一本《化学原理》。在编写中遇到的问题是以什么元素为起点？按什么顺序来排列元素？在当时的元素不全、原子量不准的条件下，门捷列夫反复思考着元素的排列问题。几番折腾以后，门捷列夫悟出，元素在元素表中的排列位置同时取决于两个因素——属性和原子量。他制作了一幅幅元素卡片，上面写着各元素的符号、原子量和化学属性，利用纸牌灵活多变的形式研究元素之间的内在规律性。由于避免了重抄表格，又增加了形象直观性，门捷列夫的工作效率提高了。可是不管怎么排，总有元素进不去，又总有位置空出来。极度困倦的门捷列夫在沙发上打起盹来。此时理性的戒备放松了，潜意识活跃起来，门捷列夫在梦幻中看到了居然被理顺的周期表。原来原子量可以被修改——个别元素的原子量测错了，空位可以代表未发现的元素。门捷列夫一下子跳起来，紧紧抓住这一重要的启示，很快便按照原子量由小到大的顺序列出了第一张元素周期表。
一直到了科学已经很发达的今天，元素周期律对于化学和物理学的研究，仍然具有指导性的意义，它在人类认识物质结构的征途上，是一项意义重大的成就。从门捷列夫发现元素周期律起，人们开始认识到：我们周围的一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有其化学性质相同的原子，即由相应的原子所组成。原子是化学元素的最小单位。但是从发现元素周期律到真正弄懂元素为什么会展现出这样的周期性，人们其后又花费了好几十年的时间。把原子视为不可再分割的最小物质单元的观点一直保持到19世纪的末期。这时，在一系列重大发现的面前，这种陈旧的、形而上学的观点受到了猛烈的冲击，也就在这时，人们对原子的认识取得了重大的突破。
（第二节 ）向原子世界靠拢
在19世纪末，汤姆孙发现了电子，这是人类认识的第一个基本粒子。
发现了电子是原子论发展史上的一件惊天动地的大事，它不但标志着人们结识了一个新的微观伙伴，而且明确地揭示了原子不是什么“不可分割的最小单元”。可以说，电子的发现是人们认识原子世界的开端。
在19世纪末的时候，物理学已经有了相当的发展，牛顿力学、热力学和统计力学、电磁理论，都已经建立了完整的理论体系，在推广应用上也取得了巨大的成就。这时，物理学家普遍认为，物理学已经发展到顶，物理学的伟大发现都已完成，以后的任务只是在细节上作些补充和修改，使公式里的常数测得更精确而已。
也就是在这个时候，通过实验科学界陆续出现了一系列重大发现，打破了物理学界沉闷的空气，把人们的注意力引向微观世界，揭开了现代物理学的序幕。从伦琴发现X射线的1895年开始，在以后不到十年的时间里，重大的发现不下十余项，而电子的发现是其中意义最大的一项。
19世纪50年代至60年代，气体放电实验所需要的仪器及零件已经日臻完备。1855年，德国的一名吹玻璃的工人盖勒斯发明了水银空气泵，从而可获得比较高的真空，并制成了一个能够以前所未有的真空度把金属电极封闭在里面的玻璃管。这是一个长约几十厘米，里面焊有相隔一定距离的电极的玻璃管。将管内空气抽出，使管内空气稀薄，当高压电加在两块电极板上时，管内将出现放电现象，此装置又叫放电管。1858年，人们在用放电管研究低压气体中的放电现象时，发现在管内气体足够稀薄的情况下，阴极会发出一种辐射，它与正对阴极的管壁相撞，就会在阳极附近的玻璃上产生绿色的荧光。若在管中放上一个物体，我们还可以直接看到这个物体的影子。由此人们推测，从阴极发射出来的，肉眼看不见的辐射（射线）是沿着直线飞行的，这种射线就称为“阴极射线”。
不过，这种射线究竟是什么东西，人们却并不了解。根据所观察到的现象，有人推测这恐怕是“光波”（即电磁辐射），因为在抽成真空的玻璃管里空气已不存在了，除了光线之外，还会有什么东西横贯其中呢？包括诸如戈尔兹坦，赫兹在内的一批德国学者这样认为。也有人认为这大概是一种带负电的“微粒”（即一种带电的“原子”）所组成，持这种观点的人有瓦利，克鲁克斯等一批英国物理学家。在长达二十多年的时间里，这两派各有所据，争论不休。促使人们进行了许多有重大意义的实验来研究阴极射线的性质。直到1897年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰．汤姆孙教授用实验发现电子，才把这一问题弄清楚。
汤姆孙是英国曼彻斯特一个书商的儿子，他自小就与书籍为友，1884年28岁时就担任了卡文迪许实验室的第三任主任。有关阴极射线究竟是光波还是带电微粒的争论，引起了他的注意。他倾向于克鲁克斯等人的观点，为了证明这一点，他决定通过实验来弄清放电管里所出现的未知粒子的性质，用精确的方法来测量阴极射线中那些粒子的质量。汤姆孙这位优秀的物理学家凭借他那丰富的科研经验和熟练的实验技巧，安排了一系列精密巧妙的实验。他叫助手特制了一只放电管，管子的中间添加了一对金属电极D和E（D在上，E在下），在和阴极相对的管壁上贴了一张纸做的标尺。他把放电管接通电源后，从阴极C发出的射线正好投在标尺的中心，并发出荧光。然后他使中间的那对电极D和E分别带上正、负电，这时，奇妙的现象出现了：阴极射线被电场推向一旁，不能到达标尺的中间。如D带正电，阴极射线就偏离中心朝上弯；反之，如果E带正电，阴极射线就往下弯。
这个实验证实了克鲁克斯等人的观点：阴极射线是带负电的微粒子流，因为光线通过电场后是不会发生偏折的。接着，汤姆孙再把一个线圈所产生的磁场加到D、E之间，结果也能使阴极射线发生偏折。
那时，人们已知道带电微粒在电场或磁场中运动时，微粒越重，它们就越不容易被偏折；粒子所带电荷越多，或外界的电场或磁场越强，它们就越容易被偏折。由此看来，粒子偏折的程度和它所带的电荷e成正比，而和它的质量m成反比。至于粒子偏折的程度则可以从标尺上量出来。汤姆孙利用这样的原理测定了阴极射线的“微粒”所带电荷e与它的质量m的比值e/m，这个比值称为“荷质比”，即电荷对质量之比的意思。有趣的是，汤姆孙发现不管怎样改变放电管中的气体（空气、氢气、二氧化碳等等），也不管怎样改变电极的材料（铝、铁、铂等等），阴极射线粒子的荷质比总是保持不变。而后，汤姆孙又把实验所得的荷质比与在电解过程中测定的氢离子的荷质比相比较，结果大吃一惊，前者比后者大得多，它们相差上千倍。氢离子是带负电的氢原子，汤姆孙用其他方法测定，阴极射线粒子所带的负电量和氢离子所带负电量是相等的。根据荷质比来看，既然e相等，那么两种带电粒子荷质比数值相差如此之大的原因，只能归结到两者质量不等。由此推算出阴极射线粒子的质量只有氢原子质量的1/1800。当时人们已知道氢原子是组成物质最轻、最小的单元，可是在放电管中出现了比氢原子还要轻将近2000倍的东西，真是不可思议。显然，在自然界中存在着一种非常轻的，带负电的粒子，它是基本电荷的负载者，即我们今天所说的“电子”。当汤姆孙发表他的实验结果时，已经是1897年四月份了。
就这样，汤姆孙实验不但肯定了阴极射线是一种带负电的粒子（电子），而且还揭示出原子里面含有带负电的部分及带正电的部分。至此，“原子不可分割”的观念彻底瓦解，看来宇宙的最基本砖块至少是由电子拼起来的，人们又面临着一场新的战斗。
汤姆孙由于发现电子的重大贡献而获得1906年诺贝尔物理学奖。后来，密立根又以实验的方法确定了基本电荷——电子所带电荷的值e。
（第三节 ）原子世界探秘
电子的发现打开了神秘的原子世界的大门，但这只是事情的开始，伤脑筋的问题——原子是如何组成的仍然没有解决。人们在确认电子是原子的一个组成部分之后自然就想到，既然原子可分，那么它就存在着内部结构的问题，电子是怎样“安置”在原子里面的呢？原子的外部表现为呈电中性，它的一个组成部分既然是带负电的电子，那么它的内部必定还有带正电的部分，其电荷的数值与其中所有的负电相等。这些带正电的东西是什么呢？电子与这些带正电的东西在原子内部又是如何分布的呢？这些，要想用肉眼看一看，根本不可能，要凭借放大镜、望远镜去观察一番，在20世纪初也根本做不到。
事实上，即使用上今天放大本领高达80万倍的电子显微镜，人们也无法看到电子在原子世界里翱翔的形象。好在人类观察自然的本领与手段，并不只限于一个“看”字。我们有一个极为得力的办法是：根据各种已知的事实，提出一定的模型（即假说）去模拟我们所研究的客体。如果这种模型不但能够解释各种已知的事实，而且由它推得的结论（预言）还能经受得住实验的检验，那么这种模型（假说）就是客观事物的真实写照（至少在一定程度上是这样），就可以上升为公认的理论。如果由此推得的结果与实验事实有矛盾，那么这种模型就是错误的，我们应当在它的基础上，吸收它的合理部分，提出新的假设，进行新的模拟，去探索自然界的构成。在20世纪的初期，人们对原子结构的探讨就是用这种办法进行的。因此，在历史上出现过多种原子结构模型不足为怪，我们看到的是它们一个比一个更加符合实际。