原子有多大？

德谟克利特和恩培多克勒在讲到原子的存在时，已经模模糊糊地意识到，从哲学观点来看，物质是不可能无限制地分割下去的。它们早晚总要达到一个不能再分的基本单位。

现代化学家谈论原子时就明确多了，要了解化学的基本规律，一定要了解基本原子以及它们在复杂分子中的组合情况。基于化学基本规律，不同化学元素是完全依照精确的质量比例结合起来的，而这一比例显然反映了物质中不同原子的质量关系。由此，化学家得出了一些结论，比如，氧、铝和铁原子一定分别是氢原子质量的16、27和56倍。不过，虽然不同元素的相对原子质量是最重要的基本化学知识，但原子的实际重量（以克表示）在化学中则完全无关紧要，即便知道这些准确的重量也不会对其他化学事实或化学规律的适用性以及化学研究方法产生任何影响。

但当物理学家研究原子时，最先考虑的问题必然是：“原子的实际大小有几厘米，重多少克，以及指定量的材料中含有多少个原子或分子？有没有什么方法能对原子和分子进行单独观察和计数？”

估算原子和分子大小的方法有很多，其中一种最简单的方法，如果德谟克利特和恩培多克勒当年能想得到，即便没有现代实验设备，也能付诸实践。以一根铜丝为例，既然一切物质的最小组成单位都是原子，我们显然不可能把铜丝弄得比单个铜原子的直径还薄。我们可以试着拉伸铜丝，直到它变成单原子组成的链条，或试着将之锤打成单原子厚的铜箔。但对于铜丝或其他任何固体材料来说，这样的任务都是不可能的，因为它们一定会在任务完成前断裂。但是，诸如水面上的油膜之类的液体材料则很容易拉成一张单分子的毯子：“个体”分子在水平面上相互衔接，没有一个分子堆在其他分子上方。读者只要足够耐心细致，自己就能做这项实验，并通过简单的方法测出油分子的大小。

取一只长方形的浅容器（图6-1），放在桌面或地板上，使其处于绝对的水平状态，然后往其中倒满水，并在容器上放一根金属丝，让它与水面相接。现在在金属丝的一侧滴一小滴纯油，油会在那一侧的水面完全铺开。然后将金属丝向没油的那侧拉动，油层会跟着金属丝一起扩散，其厚度也会逐渐变薄，最终，厚度会等于单个油分子的直径。此时，若继续拉动金属丝，连续的油膜就会破裂，形成水洞。你只要知道滴在水上的油的体积，以及油在不破裂的情况下能铺开的最大面积，便可轻松计算出单个油分子的直径。

图6-1　拉伸太多时，水面上的油膜就会破裂

做这项实验时，你可能会观察到另一个有趣现象。当你在水面上滴油时，会首先注意到油面上出现彩虹的颜色，你大概曾多次在繁忙的港口水面上看到类似情形。这种彩虹色源于一种众所周知的现象，即油膜上下层边界的反射光线产生干涉，而不同位置的颜色差异是油层扩散中的厚度差别造成的。如果稍等片刻，让油膜铺匀，它就会只剩下统一的色调了。随着油膜变薄，光的波长会越来越短，颜色也会逐渐由红转黄，由黄转绿，由绿转蓝，再由蓝转紫。如果继续拉大油膜面积，颜色将完全消失。这不意味着油层消失了，只意味着其厚度已经小于最短的可见波长，相应的颜色也超出了我们的视觉范围。但油面和干净的水面还是能分得出来，因为从非常薄的油膜的上下表面反射的两束光也会以某种方式发生干涉，导致光线的总强度降低。因此，即便油膜上的颜色消失了，我们还是能分出油面和干净的水面，因为前者会因反射光的存在略显“黯淡”。

实际做一下这项实验，你会发现1立方毫米的油大约能覆盖1平方米的水面，再进一步拉伸，油膜就会裂开，露出清水区域了。^[4]