原子核的秘密：一段前往物质核心的旅程

版权信息

书名：原子核的秘密：一段前往物质核心的旅程

ISBN：978-7-115-60381-4

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版　　权

著    [英]雷·麦金托什（Ray Mackintosh）　[英]吉姆·艾尔-哈利利（Jim Al-khalili）
       [瑞典]比约恩·琼森（Björn Jonson）　[葡]特雷莎·佩尼亚（Teresa Peña）

译    赵茹怡

责任编辑 王朝辉

人民邮电出版社出版发行　　北京市丰台区成寿寺路11号

邮编　100164 　电子邮件　315@ptpress.com.cn

网址　http://www.ptpress.com.cn

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内 容 提 要

本书将向你科普奇妙的原子核内部，这是一场人类对物质核心的探索之旅。“世上所有物质都是由相同的几种基本成分组成的”这个想法可以追溯到很久以前，然而人们却花了几个世纪才弄清楚这些基本成分到底是什么。本书将带你梳理人类探究原子核的历程，从宇宙的尺度讲起，内容涵盖了原子核的发现过程、物质核心里的奇怪规律、原子核的测量、奇怪的核物质、元素多样性、核物理、原子核的结构、恒星与元素的诞生及宇宙的起源等。

本书适合广大的科普爱好者，尤其适合对元素、原子核及亚原子世界感兴趣的读者阅读。

致

玛乔丽和伊桑

朱莉、大卫和凯特

安-索菲、安娜、桑德拉和琳恩

阿尔弗雷德和若昂

推 荐 序

在19世纪的最后几年里，亨利·贝克勒耳在法国巴黎发现铀盐晶体可以雾化照相底版（也称底片），哪怕用好几层不透明纸把照相底版包裹起来后保存在黑漆漆的抽屉里也无济于事。这种雾化是一种新型的高能射线造成的，它由铀元素持续地自发放射出来。这些射线提供了一种微小粒子存在的第一个线索，即位于每个原子中心深处的原子核。在过去的上百年中，科学家们付出了巨大的努力去研究和理解原子核中令人着迷的物质的存在形式。掌握这些知识我们才能把核过程应用在大量的实际场景中，核物理学对其他学科（化学、天文学、宇宙学、生物学、医学、地质学等）的发展和解决工业实际问题都起到了不可磨灭的作用。

核物理学本身有着诸多值得研究的有趣东西，同时它有着重要的社会作用。在本书中，一个工作在核物理学发展前沿的杰出科学家团队将用通俗易懂的语言和内容丰富的图片向大众解释核物理学与它的实际应用，这当然是受欢迎的事情。

本·莫特森教授

书于丹麦哥本哈根

自  序

自2001年《原子核的秘密：一段前往物质核心的旅程》的第1版出版以来，人们在理解原子核、核过程，以及核过程的应用方面有了长足的进展，其中最重要的是在医学上的应用。本书的第1版被翻译成好几种语言，这些进展和第1版收获的美誉，促使我们着手新版的写作。新版的总体结构和第1版是一样的，我们讲述的故事也是一样的。不过新版增加了很多新内容，它们反映了现在科研取得的新进展，每一页的内容和表述也都有改进，尤其是在必要的地方，插图都有更新。在新版里，我们把插图与文字更紧密地联系在一起，希望会对读者有所帮助。我们想在此感谢协助我们的大卫·詹金斯（来自英国约克郡）和彼得·琼斯（来自英国伯明翰）。最后，我们要真挚地感谢罗宾·里斯为本书的出版所做的巨大努力。

雷·麦金托什

米尔顿·凯恩斯

于2011年6月

《原子核的秘密：一段前往物质核心的旅程》瑞典语版

从左至右分别是雷·麦金托什教授、吉姆·艾尔-哈利利教授、特雷莎·佩尼亚教授和比约恩·琼森教授，在2004年的国际核物理峰会上给第1版瑞典语的《原子核的秘密：一段前往物质核心的旅程》签名，峰会由比约恩·琼森教授组织，在瑞典的哥德堡举办。瑞典语版的书名是《原子核》（Atomkärnan）。

前  言

我们的世界和它无穷的多样性

我们生活在一个美丽的世界，这里有阳光、天空、树木、鸣虫和飞鸟，它的多样性令人惊叹。然而，这个世界也有另一种美：在这万花筒般的多样性背后有一个非凡的“统一性”。这个“统一性”是非常直接的，不过人类经过几千年的努力才发现了它。

本书写的是人类对物质核心的探索之旅。世界上所有的东西都是由相同的几个基本成分构成的，虽然这个想法由来已久，但是我们花了几个世纪才搞清楚这些基本成分是什么。现在我们知道了，我们周围的所有事物：你读的这本书、我们呼吸的空气、夜空中的繁星，都是由区区100多种不同原子组成的。这100多种原子之所以能产生如此的多样性，是因为原子组合的方式远比我们能够计算，甚至能想象的要多。

古希腊哲学家留基伯和德谟克利特首先想到了原子这个概念。水可以冻成冰，也可以变成蒸汽，还可以再变回液体状态，这些现象让他们深思：在这些变化过程中保持不变的是什么呢？他们灵机一动，猜想到：一切物质都是由一些微小的、不可分割的原子组成的，而这些原子在物质融化和沸腾等过程中保持着自身的特性。虽然我们现在知道原子可以被“分割”，但这个过程是在极端条件下才能实现的，可不仅仅是用化学品混合或加热就可以完成的。留基伯和德谟克利特的想法的确是在正确的方向上。

和古希腊时期的人们相比，我们对原子的认识已经有了变化——它们的性质早就不是什么关于颜色、形状的问题了。我们不会觉得组成酸的原子是尖锐的，也不会觉得组成铜的原子是淡红色的。我们知道原子类型是和物质类型相关的，例如我们知道世界上有金原子、碳原子和铁原子，但不会有冰激凌原子。因为有些物质纯粹由一种特定的原子组成，而其他物质，像冰激凌之类的则复杂得多，它们是由不同种类的原子构成的。

一位生活在公元前495—前435年的古希腊人恩培多克勒提出了万物是由土、气、火和水4种元素组成的。这个基础观点在当时很不错，显然比他的一位前辈泰勒斯的假说更先进。泰勒斯提出，万物都是由水中产生的。虽然这个想法太朴素，可泰勒斯也是在寻找一切肉眼可见事物的基本成分的道路上走对了方向。经过几千年的努力，我们所确定的元素数量越来越多，现在已经接近120个了。虽然恩培多克勒提出的土、气、火和水并不在其中，但他已经沿着正确的道路迈出了一步。我们现在认识到，世间万物都是由化学元素组合而成的：有些是我们熟悉的元素，比如碳、铁、氢、氧；有些是比较少见的，甚至是极其罕见的，比如镥。

世上还有许多问题需要探索：这些元素从哪里来？为什么它们存在的比例是这样的？比如，为什么碳比金多得多？如果金是普存于世的元素，也许世界会更漂亮，可这样就没有人能欣赏黄金的光芒，因为碳才是生命的基础。

许多热衷于寻找外星生命的人都承认，宇宙中不太可能存在非碳基的生物。此外，碳还不是唯一对生命而言至关重要的元素，地球上的大多数生物还需要氢、氧、氮和其他十几种元素。我们的存在依赖于这些元素的充足供应。那么，所有这些重要的元素是如何来到我们身边的呢？这个问题的答案是贯穿本书的线索之一。

本书涉及的另一个难题是：为什么原子有它们所具有的这些特殊性质？如果碳原子和铅原子一样重，我们可能就不会存在，那么它们为什么会那么轻？这样的问题将会和为什么地球上只有100多种元素，而不是100万种，或是像恩培多克勒所说的只有4种“元素”一起解答。

除了探索地球上事物的组成外，本书还向外观察宇宙。离我们最近的恒星——太阳，对地球上的生命来说是不可或缺的。通常地球上的所有能量最终都来自太阳：促使植物生长的能量，驱使大气运动的能量（偶尔也会释放成颇为壮观的闪电），全面驱动“科技时代”到来的能量。

大约在20世纪初，人们发现太阳系已有数十亿年的历史。于是太阳的能量来源成了一个更大的谜团。什么能量来源可以让太阳保持数十亿年的光亮？没有任何当时已知的热源可以回答这个问题。现在，100多年过去了，这个问题得到了解答。太阳和其他星星为什么发光、如何发光是本书探讨的另一个主题。

太阳的能量来源

太阳的能量来自太阳中心的核聚变，核聚变产生的巨大能量一直逃逸到太阳的外冕，当它在太阳的令人难以置信的强大磁场中扭曲和转动时，它在电离层中绘出了非凡的画面。这张图片是由天基太阳和日球层探测器上的极紫外成像望远镜观测到的。（太阳和日球层探测器/极紫外成像望远镜联盟、欧洲空间局、美国航天局）

要回答上述的所有问题，我们首先需要了解原子核，即每个原子中心的迷你核心。有了这个知识储备，我们才能体会到原子核是如何，又是在哪里诞生的。认识到这些，这个世界的许多现象也就有了解释。除此之外我们还能理解，当原子核发生转化时，能量是如何得以释放的。正是这个转化过程让太阳带给我们温暖，这也是恒星整个生命周期和宇宙历史的关键所在。

也许原子核最广为人知的只是这些：它是一种可怕炸弹的组成部分，它是一种糟糕的发电方式。关于这些，本书自然也会涉及。除此以外，我们还试着解释放射性真正的性质，放射是一个自然的核过程。核过程，包括放射性的应用，早已深入我们生活的方方面面，从医学到地质学，从喷气式发动机的测试到烟雾探测器。举个例子吧，几年前，当加拿大一家核电站的员工罢工时，美国每天约有47 000个医疗程序因受到威胁而被取消。

最后，我们怎么能如此确信我们知道太阳系的年龄呢？对放射性的了解帮我们解开了完全不同领域的谜题，太阳系年龄之谜就是一个例子。100多年前，欧内斯特·卢瑟福在岩石中发生的自然核过程里，发现了测定太阳系年龄的关键。时至今日，在我们探究地球历史的过程中，同样的思路也发挥着关键作用。

很久以前泰勒斯试着用单一物质去解释一切，而这一尝试现在已经取得了成果。如今，我们可以用数量更少的基本粒子来描述所有原子核的结构。

核聚变是太阳的能量来源，在地球上利用它来满足人类的能源需求是全世界许多科学家的目标，他们正在为实现这一目标而共同努力（见图“在地球上实现核聚变”）。核聚变的内容将在第9章介绍，我们解释了核聚变是如何既温暖了我们，又创造了构成我们生命的元素。有时这些核过程能产生壮观的结果，比如产生蟹状星云的超新星爆发。超新星爆发的确很壮观，但与宇宙诞生时的大爆炸相比不值一提。图“模拟宇宙大爆炸”是实验室成果的一个模型。最后一章的主题就是在回答，在大爆炸后的百万分之一秒内，整个宇宙是由哪些东西组成的。

在地球上实现核聚变

许多国家都在致力于研究发展核聚变能源。图中发光的等离子体（电离气体）是向在地球上创造太阳能迈出的一大步。

蟹状星云

蟹状星云是一个超新星爆发后的遗迹。我们今天知道的大多数元素都是在大规模恒星爆发中产生的。（欧洲南方天文台）

模拟宇宙大爆炸

本图是一位艺术家所描绘的夸克和胶子释放时的景象。当两个金原子核在美国布鲁克黑文国家实验室的相对论性重离子对撞机中以巨大的能量迎面相撞时，夸克和胶子从原子核中逃逸。构成所有原子核的质子和中子都是在大爆炸后不到1微秒的时间内从这样的夸克胶子等离子体中凝结而成的。（布鲁克黑文国家实验室）

第1章　万物之尺

从浩瀚无垠的宇宙到看不见的原子核

往前数几代，我们的祖先很可能会把东西比喻成一粒在阳光下飘浮的尘埃来表示它的渺小；如果要表示庞大，也许会用一座山来比喻；如果他们稍微见多识广些，甚至会用地球本身来比喻；如果他们很有学问，也许可以想象出更大的东西——星星依附的天空。

今天，我们对大和小的感知已经远远超出了我们的祖先所能理解的范围。至少在一定程度上，这要归功于我们对弧形玻璃片富有想象力的使用：显微镜和望远镜的发明。

我们对宇宙的理解，既涉及难以想象的大，也涉及不可思议的小。原子核是微乎其微的，但了解它的性质能帮我们认识世界上最庞大的东西：宇宙本身。在图“微观遇上宏观”中，不可思议的小和难以想象的大在顶端相遇。等看到本书的结尾，我们就会知道，我们对最大尺度的宇宙的理解是如何建立在我们对最小尺度的事物的理解之上的，反之亦然。

微观遇上宏观

人类的尺度处于浩瀚的宇宙与渺小的原子核及其构件之间。在很久以前，难以想象的小物体之间发生的摩擦催生了整个广袤宇宙。如今，我们只有理解这极小的尺度上的自然，才能理解整个宇宙。这就是图中微观与宏观相遇的原因。

展望无限

我们都很熟悉大小接近人体尺寸的物体，但要实在地去感受一个比地球直径长得多的长度是很困难的。比如地球与太阳之间的距离就已经相当令人难以理解了，它大约是150 000 000 000米。如果乘坐喷气式客机到太阳，飞行时间会超过20年，这对你的腿部血液循环绝不是什么好事。

处理这样大的数字会很麻烦，150 000 000 000通常被写成1.5×10¹¹，推荐看看“聊聊尺寸”的表格。展望更大的宇宙空间，我们就需要引入更大的单位。天文学家习惯使用一个比米大得多的单位来描述长度，它基于真空中的光速，即299 792 458米/秒。光在一定时间内所走过的距离是一个很好用的长度单位。比如，光从太阳走到我们这里需要约8分钟，我们可以说太阳距离我们有8光分远。离太阳较远的矮行星冥王星距离我们有6光时。但要表示太阳系以外的遥远天体到我们的距离时，“光年”才是好用的单位。太阳系外距离我们最近的恒星是半人马座的比邻星，它发出的光需要大约4年才能到达我们这里，我们就说它离我们有4光年远。4光年大约是38 000 000 000 000 000米，即3.8×10¹⁶米。

聊聊尺寸

我们熟悉的单位“千米”只是1 000米，“毫米”只是千分之一米，这对讨论宇宙尺寸的大或原子尺寸的小没有任何帮助。这张表列出了几乎所有的单位词头，它们不仅适用于长度等尺寸，也适用于质量等其他物理量。

让我们看得更远些，在一个自转的巨大圆盘——银河系里，有着大约2 000亿（2×10¹¹）颗恒星，太阳也只不过是其中之一。银河系的直径约有10万光年，这意味着自恐龙灭绝以来，光可能穿过它大约650次。

再看得更远些，宇宙里遍布着像“M81旋涡星系”这样的星系。它们组成了星系群，由巨大的空旷区域隔开。离我们的银河系最近的大星系是仙女星系。在一个晴朗的黑夜，肉眼可以看到它发出的一团微弱光芒，大小如月球。仙女星系距离我们约220万光年，是本星系群的一员。本星系群是一个包括银河系在内的小型星系群。一个功能强大的望远镜可以观测到宇宙里绝大部分的星系。当我们的观察深入如此程度，从宇宙边缘射来的光要想到达我们所在之处，需要在宇宙诞生之初就开始“旅行”。宇宙诞生和开始膨胀大约是138亿年前的事，因此宇宙边缘距离我们有大约138亿光年。我们所能观察到的宇宙最远点就是可观测宇宙的极限（见图“宇宙距离阶梯”）。

M81旋涡星系

M81旋涡星系距离地球约1 200万光年，包含约2.5亿颗恒星。当然也有些星系不是旋涡状的，比如在图“微观遇上宏观”中左边的星系。（图片由斯皮策空间望远镜拍摄，美国航天局提供）

宇宙距离阶梯

与太阳到和它最近的另一颗恒星的距离相比，地球离太阳非常近。而在银河系这个巨大范围内，太阳和这颗恒星也算是邻居。再向外看我们所在的本星系团，又几乎看不见银河系存在。与可观测宇宙的广袤相比，所有的这些似乎都是微不足道的。

我们只能用肉眼观察到宇宙距离阶梯上的一两级。伽利略是第一个用望远镜探索天空的人，他看到了太阳黑子。半个世纪后，罗伯特·胡克（见图“微观世界的第一眼”）迈出了探索微观世界的第一步。现在我们也将踏上前往微观世界的旅途。

太阳黑子

在1610年前后，伽利略使用他的望远镜，看到了我们单凭肉眼不可见的事物。这是他画的太阳黑子草图。（英国皇家天文学会）

微观世界的第一眼

在17世纪中后期，罗伯特·胡克和安东尼·范·列文虎克探索了微观世界。他们的发现，例如罗伯特·胡克画的这只跳蚤，震惊了那一代人。

显微镜下

大多数人熟悉的最小长度单位是毫米（千分之一米），但对于许多只能通过显微镜观察的物体而言，长度单位用微米更为合理。1微米是百万分之一米，或千分之一毫米。在血液里流动的红细胞直径约7微米，典型的细菌大小只有1微米左右，而病毒——引起感冒等许多疾病的罪魁祸首，其大小可以从百分之几到十分之几微米不等。

尽管病毒很小，但它们并不是世上最小的物质，它们和其他东西一样都是由原子组成的。所有的东西都是只由几类原子通过不同的排列组合而成，组合方式种类繁多，数不胜数。原子只有几万分之一微米大，在一个普通的病毒中就大约有10亿个原子，如果我们用杯子去量整个地表上有多少水，那么水的杯数还没有一杯水里的原子数多。

本书讨论的实体比原子还小得多。每个原子的中心都有一个原子核。典型原子核的大小不到原子的万分之一——它是一束集中的质量与能量（见图“宇宙距离阶梯续”），至于我们是否已经找到了原子核的极限这个问题，我们将在后续讨论。

我们能对原子核这样微小的事物了解很多，这似乎很令人惊讶。显微镜确实已尽可能地拓宽了人类的视野，帮我们看到了细菌，但没有任何光学显微镜能让我们看到病毒，当然也不能指望通过它看到原子或是原子核，这一局限是光的性质造成的。

可见光是一种电磁辐射，其他电磁辐射有无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和γ射线。电磁辐射以波的形式传播：不同电磁辐射的波长不同，而波长取决于电磁辐射所拥有的能量大小。电磁辐射在真空中都能以光速传播。直到19世纪初，托马斯·杨才证明了可见光也能以波的形式传播，可它是什么波呢？直到19世纪末，人们才证明可见光是由电场和磁场产生的波，因此它是电磁辐射。

电磁辐射

可见光的波长在紫外线的波长和红外线的波长之间。可见光只是一种电磁辐射。所有电磁辐射在本质上是相同的，只是波长（单位为米）和频率（即周期的倒数，单位为赫）不同。

可见光的波长为0.38～0.78微米。任何比可见光的波长更小的物体，以及物体上任何比可见光波长小的特征，都无法用这种电磁辐射来辨别；也就是说，当被观测物体比照在它身上的光的波长还要小的时候，要靠这个光看见它就不可能了。这就是为什么没有光学显微镜能帮我们看到极微小的物体。也是因为波长的局限，病毒直到20世纪40年代才被观测到。观测病毒不得不等到一种全新显微镜的发明，它不能使用可见光作为观测波。

宇宙距离阶梯续

（a）在原子内，电子以概率云的形式存在，这里用模糊的环表示。原子核位于原子的中心，其半径不及整个原子半径的万分之一。

（b）原子核由质子（图中用红色表示）和中子（图中用蓝色表示）组成。

（c）质子和中子由3个夸克组成（质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由一个上夸克和两个下夸克组成），一个夸克不能单独存在。

（d）更具有猜测性的是“超弦”或“膜”。夸克、电子和其他所谓的点粒子可能是由这种难以想象的小“弦”或“膜”组成的。

电子显微镜

中间是一台现代电子显微镜，左侧是人类发丝，右侧是直径约为发丝的万分之一的乙型肝炎病毒外部的脂蛋白囊膜，脂蛋白囊膜既保护了病毒本身，又是让我们了解肝细胞免疫系统的钥匙。（图像用 LEO显微镜观测，约翰·贝里曼、英国剑桥大学分子生物学实验室提供）

这种革命性的发明是电子显微镜，它使用波长比可见光小得多的成束的电子作为观测波。电子是存在于每个原子中的带电粒子，它携带负电荷，它也可以表现出波的性质。电子拥有波的性质是法国物理学家路易·德布罗意的伟大发现。这一发现是朝着理解亚原子世界的结构和特性迈出的关键一步。

路易·德布罗意，1892—1987，第一位发现物质波的人。（诺贝尔基金会版权所有）

电子既是粒子，又有波一样的表现，这听起来很矛盾。可这是量子力学的基础，在量子力学中，电子有时像波，有时像粒子。量子力学是用来解释原子、原子核这种微观世界物质的理论。大部分情况下，聚在一起的许多电子可以看作一个具有明确波长的波，其波长随着电子动量的增加而变短。电子束作为波，也带电，我们可以通过磁透镜来利用电子束，这就是制造电子显微镜的基础。电子束的波长越短，我们就能获得越多被观测对象的细节。这就是电子发挥作用的地方，而且我们可以很方便地获得波长比可见光波长短得多的电子束。唯一的挑战在于如何产生波长尽可能短的电子束。

增加电子束的动量可以缩短其波长，我们可以在电场中让电子加速，从而让它获得高动量。电场会对身在其中的带电粒子（当然也包括电子）产生作用力。当电子被释放在带电压的真空中，电子就会加速运动。这就是电子在阴极射线管中被加速的原理，以前的电视机和计算机显示器都使用这种电子管。在阴极射线管中，电子束（也称“阴极射线”）被聚焦到一个“点”上，射到屏幕上描摹出画面。为了使电子束的波长小到足以分辨出病毒的细节，电子显微镜给电子束的能量会是电视机上的阴极射线管给的10倍甚至更多。

原子比病毒还要小得多。如今我们已经知道原子在大多数材料中是如何排列的，但在20世纪的前10年，许多科学家还在怀疑原子是否存在。

我们现在有基于量子力学的全面理论，其解释了原子如何排列形成固体和液体。但是我们怎么去证实这些理论呢？我们能否亲眼看到原子在固体中排列的形式呢？

当然，可见光不可能帮我们确定原子在物质中的排列，但如今我们已经能记录下晶体表面原子的影像，这些影像是用一种特殊的电子显微镜拍摄的，它叫扫描隧道显微镜，图“原子层的成像”是它拍摄到的图像之一。之后我们会了解到，高能电子束对于测量原子核也很有帮助。但后来的事实证明，一种不可见的电磁辐射——X射线，才是测量物质结构最重要的工具。

原子层的成像

这是通过扫描隧道显微镜看到的硅化铁晶体表面。最小的一层就是一个原子的厚度。（剑桥大学纳米科学实验室提供图片）

X射线的波长约为可见光的千分之一。不幸的是，制造X射线显微镜是不可能的，因为没有合适的透镜系统可以使X射线在仪器内聚焦。尽管如此，在X射线被发现后不久，人们还是拿它来研究物质结构。使用它的秘诀是利用波的一种性质：干涉。

19世纪初，托马斯·杨展示了当可见光穿过一对狭缝后，形成明暗间隔的条纹，即干涉图，见图“光的双缝干涉图”。

光的双缝干涉图

光穿过两个狭缝形成的干涉图证明了光的波动性。

在图“波如何发生干涉”中，我们用水波解释了这种干涉图的形成原理。知道了光的波长和狭缝的间距，我们就能推算出干涉图的细节。更复杂的孔洞组合形成所谓的“光栅”，可以让穿过它的光形成更为复杂的明暗间隔条纹。反过来，从特定的复杂干涉图推算，我们也能得出形成这种干涉图的“光栅”。

波如何发生干涉

当光通过一个小孔或缝隙时，投射在远处的屏幕上后会呈现明暗相间的条纹。同样的情况会发生在所有的波上，包括水波，从水波观察这个现象更容易看清楚波发生干涉的时候到底发生了什么。

波在遇到有小孔或缝隙的障碍物时会散开，当波长与障碍物的小孔或缝隙的大小相当时，最容易观察到这个现象。这种散开的现象被称为衍射。来自不同小孔或缝隙的波相互干扰，一个波的波谷与另一个波的波峰相遇时，它们会相互抵消，波就消失了。对于光波来说，这意味着在两个波的波峰波谷相遇的地方会出现暗纹，正如托马斯·杨发现的那样。

托马斯·杨，1773—1829，科学多面手。托马斯·杨首先为光的波动性找到了铁证。（美国物理研究所埃米利奥·塞格雷视觉档案馆提供图片）

在冯·劳厄、威廉·亨利·布拉格及他的儿子威廉·劳伦斯·布拉格发现晶体中有序排列的原子可以看作光栅后，我们对原子的探究得到了突破性的进展。是这样的：X射线通过食盐（主要为氯化钠）晶体后可以得到干涉图，通过这张干涉图我们可以反推出食盐晶体中钠原子和氯原子之间的距离（见图“食盐晶体”）。我们还用X射线研究了许多比食盐晶体更有趣的晶体结构，比如在1953年的剑桥大学实验室里，正是通过研究X射线穿过脱氧核糖核酸（Deoxyribonucleic Acid，DNA）结构后产生的干涉图，弗朗西斯·克里克和詹姆斯·沃森找到了生命组成中的关键分子的结构：双螺旋结构。

食盐晶体

食盐晶体由交叉排列的钠原子和氯原子组成，呈规则的立方体阵列。原子之间的距离可以根据X射线穿过它产生的干涉图推算出来。

我们还可以更深入地了解物质的结构，辨别出比晶体结构更微小的东西。要做到这一点，我们必须找到比X射线波长更短的波，这就要考虑德布罗意找到的高能电子束了。这样的电子束不仅能用于电子显微镜帮我们研究病毒，要让它拥有更高的能量和更短的波长也是可能的。这为研究比病毒小得多的物体打开了大门：高能电子束形成的干涉图能让我们研究原子核的大小和形状。

现在我们离开原子进入原子核的领域，它的大小不到原子的万分之一。当X射线首次被用于研究晶体时，我们没有理由怀疑大自然会有如此小的结构。这个亚原子世界的线索来自一个让人完全意想不到的新性质：放射性。