看不見摸不著，那人類到底是怎麼發現原子的呢？
元素與其他元素結合的嚴格比例給了科學家一個線索：物質可能有獨立的組成部分，現在被稱為原子。來源：美國宇航局戈達德太空飛行中心
1808年，化學家約翰·道爾頓提出了一個非常有說服力的論點，並由此得出了一個驚人的認識：也許所有的物質都是由很小的東西組成的，由基本部分組成，由不可分割的部分組成，由原子碎片組成，由原子組成。
這個概念已經斷斷續續地流傳了幾千年。古代文化當然知道物質是由更基本的元素組成的了（儘管他們對元素是什麼有很大的分歧），並且還知道這些元素以有趣且富有成效的方式結合在一起，構成了各種複雜的東西，比如椅子和啤酒。但在那幾千年中，有一個問題一直懸而未決：如果我把一個元素分離出來，把它切成兩半，然後再把那兩半切成兩半，以此類推一直切下去，我最終能得到一個我再也不能切開的最小元素嗎？還是我能夠無限地切下去？
經過多年的仔細研究，道爾頓發現了這些元素之間存在著驚人的關係。有時候，兩種元素可以不同的比例結合成多種化合物，就像錫和氧一樣。但是在各種組合中，每個元素的比例總是減少到非常小的數字。而如果物質是無限可分的話（即沒有最小的單位），那麼任何比例都應該是可以存在的。
但恰恰相反，他發現一定量的一種元素可能與等量的另其他元素，或者是兩倍或三倍的其他元素結合。道爾頓在所有情況下、在任何地方都只能發現簡單的比例。如果物質最終是不可分割並且由原子構成的話，那麼在元素組合時就只能存在簡單的比例。
大量能量
一百年後，這個關於物質的“原子”理論似乎也不能算是完全荒謬。然而，這個理論最具挑戰性的事情之一是：如果原子是真的存在的話，它們會小得看不見，那你怎麼能證明一個你無法直接觀察到的東西確實存在呢？
原子存在的線索之一來自於最近建立的熱力學研究。為了理解熱機的工作原理——以及伴隨而來的諸如溫度、壓力和熵等概念——物理學家們意識到，他們可以把氣體和液體看作是由幾乎無數的微小、甚至微觀的粒子組成的。例如，“溫度”實際上測量的是所有這些氣體粒子透過撞擊溫度計的平均運動所傳遞給溫度計的能量。
這非常引人注目，阿爾伯特·愛因斯坦是這類物理學的狂熱愛好者，而且，就像所有其他他所熱愛的物理學一樣，愛因斯坦對它們進行了革命性的改革。
愛因斯坦對布朗運動問題尤其感興趣，布朗運動最早是在1827年由羅伯特·布朗（Robert Brown）提出的（因此得名）。如果你把一顆大顆粒扔進流體（例如氣體和液體）裡，這個物體就會完全獨立地出現擺動和跳躍的運動。經過幾次仔細的實驗，布朗意識到這與空氣或液流無關。
布朗運動只是那些無法解釋的隨機生活現象之一，但愛因斯坦從中發現了一條線索：透過把流體看作是由原子組成的某種東西，他能夠推匯出一個公式，來計算流體粒子的無數次碰撞會在多大程度上推動這個顆粒。透過把這種聯絡建立在堅實的數學基礎上，他能夠提供一條從你能看到的東西（在給定的時間內，顆粒移動了多少）通往到你看不到的東西（液體顆粒的質量）的道路。
換句話說，愛因斯坦給了我們一種稱量原子的方法。
關聯狀態！
就在人們逐漸習慣這些微小物質的大小時，一想到不得不認為這些就是可能存在的最小物體，有人就決定繼續往下研究。
與愛因斯坦同時開展工作的還有一位極具天賦的實驗主義者，名叫J。J。湯姆森。在19世紀末，他被一種幽靈般的光束迷住了，這種光束被稱為陰極射線。如果你把幾個電極插在玻璃管裡，再把所有的空氣從管子裡吸出來，然後加大電極上的電壓，你就會看到電極發出一種耀眼的輝光，確切地說，是從電極陰極發出來的，因此，這種光線叫陰極射線。
這一現象可給物理學家出問題了：是什麼讓它發光的呢？電荷——在當時，電荷被認為與電的概念有關，但在其他方面卻很神秘——是如何與這種輝光聯絡在一起的呢？湯姆森破解這個謎題的方法是：a）製造出有史以來最好的真空管；b）把整個裝置置於超強電場和磁場中。如果電荷與陰極射線有關的話，那麼你最好相信它們會對這些場有所反應。
而實驗發現，電荷確實會受到這些場的影響，陰極射線在電場和磁場的作用下都會發生彎曲。這太迷人了！這意味著發光的部分與電荷本身是相關聯的；如果光是以某種方式與電荷分離的話，那麼它就不會受到場的干擾，徑直穿過這些場。同時，這也意味著陰極射線和電是由同樣的物質構成的。
透過比較光線在電場和磁場中的偏轉量，湯姆森可以推匯出一些數學公式，並計算出這些電荷的一些性質。這就是湯姆森獲得諾貝爾獎的原因：這些“光顆粒”（用他的話來說是光顆粒，其實是電子）大約比氫原子小2000倍，氫是已知最輕的元素，因此氫原子也是已知最小的原子，所以這些“電子”真的很了不起，但同時也帶來了新的疑問。
金箔實驗
湯姆森的研究結果提出的難題就只能待下一代科學家來解決了。這些難題中最重要的一個是：一個東西怎麼可能比原子還小？這對原子本身的結構意味著什麼？
為了解決這個問題，湯姆森的前學生，歐內斯特盧瑟福、以及盧瑟福的學生漢斯蓋格和歐內斯特馬斯登決定使用α粒子來轟擊一張極薄的金箔，看看會發生什麼。科學家們之所以選擇黃金是因為他們可以用這種材料製成非常薄的薄片，這意味著科學家們可以放心地確定他們是在探索原子物理學。在實驗中，他們發射了非常小的子彈：α粒子，這是氦的帶電原子，這些粒子體積小、重量大、速度快，是完美的“科學”子彈。
當研究人員進行射擊練習時，大部分的阿爾法粒子就像穿過薄紙一樣穿過了金箔。但每隔一段時間，粒子會向隨機的方向散射，而每隔很長一段時間（大約每20000個射擊中就有一個，是的，科學家們手動計算了出來），一個阿爾法粒子會從金箔上彈回來，砰的一聲按原路反彈回去。
這太神奇了！這些小粒子告訴了我們關於金原子的什麼特性？研究人員得出結論，唯一合理的解釋是原子的絕大多數質量都集中在一個非常小的體積裡，而這個“核心”一定帶有正電荷，因為原子的總電荷必須是中性的，所以電子必須非常非常小，在鬆散的範圍中圍繞著“核心”旋轉或跳躍。
所以，當阿爾法粒子穿過金箔時，它們幾乎總是遇到一片空白，但一個極其不幸的粒子可能會掃過原子核，或者更糟，迎頭撞上原子核，從而極大地改變粒子子彈的軌跡。
因此，在道爾頓最後論證不可分割原子存在的近一百年之後，當愛因斯坦提出一種直接測量這些原子的方法之時，湯姆森和盧瑟福發現原子根本不是不可分割的，相反，它是由更小的東西組成的。
所以，在我們鞏固原子理論的同時，我們第一次踏入了亞原子世界，從那以後，事情變得更加混亂了。
