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【創(chuàng)作培育計(jì)劃】盧瑟福:原子核內(nèi)部有什么?打開看看

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作者:田達(dá)瑋

在道爾頓、布朗、愛因斯坦、佩蘭的共同努力下,人類已經(jīng)達(dá)成了共識(shí):原子是切實(shí)存在的。

但道爾頓的現(xiàn)代原子論里提到“原子是不可再分的”。而人們所利用的核能,是來自于原子核內(nèi)部的能量。接下來,打開原子核,搞清楚里面的結(jié)構(gòu),勢(shì)在必行。那原子真的就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元嗎?原子里面還能不能繼續(xù)拆分?

解決這一問題的,是三代師生,約瑟夫·湯姆森、歐內(nèi)斯特·盧瑟福、詹姆斯·查德威克。

葡萄干布丁模型——撥開原子的第一層面紗

最早打開原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)家,是湯姆森。

湯姆森在研究β射線的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)β射線,就是由一種帶負(fù)電粒子構(gòu)成的,這種粒子被稱作電子。

湯姆森認(rèn)為,在每個(gè)原子里面應(yīng)該都有這樣的電子。而且,湯姆森還提出了他的葡萄干布丁原子模型:每個(gè)原子就像是一個(gè)葡萄干布丁,正電荷和布丁一樣,均勻分布在整個(gè)原子里,帶負(fù)電荷的電子,和葡萄干一樣,撒在布丁上。

雖然在教科書上對(duì)這個(gè)模型的評(píng)價(jià)并不高,只是一帶而過,但這個(gè)模型自有它的重要意義,它說明了一點(diǎn),原子是可以繼續(xù)拆分的。而繼續(xù)拆分的任務(wù),就交給了他的學(xué)生——盧瑟福。

“煉金術(shù)士”盧瑟福的原子模型

1901年,盧瑟福在研究放射性元素“釷”的時(shí)候,發(fā)現(xiàn)釷元素能夠向外釋放出α射線,更另人驚訝的是,在衰敗衰變之后,釷元素變成了另一種元素。

一種元素能夠轉(zhuǎn)變成另一種元素,過去這件事只存在于煉金術(shù)士的幻想中,現(xiàn)在盧瑟福竟然證實(shí)了,這一重大的發(fā)現(xiàn),讓盧瑟福獲得了1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

順便提一下,盧瑟福拿到諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之后并不高興。他覺得自己明明是個(gè)物理學(xué)家,怎么都應(yīng)該拿諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但諾獎(jiǎng)對(duì)盧瑟福來說并不重要,他通過對(duì)放射性元素的研究,認(rèn)定了一件事:放射性元素釋放出來的能量,來自于原子內(nèi)部。當(dāng)時(shí),包括居里夫人在內(nèi)的很多人都認(rèn)為,放射性物質(zhì)的能量是從外部吸收來的。所以,盧瑟福認(rèn)為居里夫人對(duì)放射性還不夠了解。

如果原子內(nèi)部能夠放出各種各樣的射線,這又指向了一件事情:原子還可以繼續(xù)往下拆。

那原子里面到底有什么呢?于是,盧瑟福開始用α粒子,對(duì)原子發(fā)動(dòng)了轟擊。這就是著名的“金箔實(shí)驗(yàn)”。

1908年,盧瑟福在助手蓋革爾格的幫助下,一起用α粒子繼續(xù)轟擊金箔。他們發(fā)現(xiàn),α粒子在透過金箔的時(shí)候,大部分粒子都是直直地穿過,而很少一部分粒子發(fā)生了偏移,盧瑟福稱之為散射,而還有極少數(shù)粒子,發(fā)生了非常大的偏移。

異?,F(xiàn)象背后一定有原因,盧瑟福就把研究重點(diǎn)放在這些偏轉(zhuǎn)很大的粒子身上,他甚至讓助手去找,有沒有被反彈回來的α粒子。雖然盧瑟福本人沒抱什么希望,可助手竟然真的發(fā)現(xiàn)了,有非常非常少的粒子,被直直地反彈回來了。

用盧瑟福自己的話來說,這就像你拿一門炮去轟一片紙巾,結(jié)果炮彈竟然被紙巾彈回來了。這些被彈回的粒子,就猶如一發(fā)炮彈,擊中了盧瑟福的想象力。

當(dāng)時(shí),盧瑟福已經(jīng)知道了,α粒子是帶有正電荷的,如果發(fā)生了這么大幅度的偏轉(zhuǎn),一種可能是,它們受到了非常大大的電磁力作用。被彈回的粒子,應(yīng)該是直直撞上了這個(gè)電荷集中的地方,這個(gè)地方就是原子核。

根據(jù)推算,原子核應(yīng)該非常非常小,就像鳥巢體育館當(dāng)中放了一個(gè)網(wǎng)球。

可是按照他老師湯姆森的葡萄干布丁模型,原子里的正電荷應(yīng)該是均勻分布的,不應(yīng)該有哪個(gè)地方存在這么集中的正電荷。難道老師之前說的一直是錯(cuò)的?

盧瑟福是一個(gè)極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?,他并沒有急著公開自己的發(fā)現(xiàn)。他花了將近4年時(shí)間,確認(rèn)了大量的數(shù)據(jù),再確認(rèn)萬無一失之后,在1911年,盧瑟福模型首次公布了。

盧瑟福認(rèn)為:原子不是堅(jiān)不可摧的,原子中間是一個(gè)極小的帶正電的原子核,外面是一個(gè)繞著它高速旋轉(zhuǎn)的電子。

眼下,盧瑟福還有更重要的事情要做,他需要搞清楚原子核里頭到底是什么。

盧瑟福繼續(xù)用他鐘愛的α粒子轟擊其他原子。在轟擊氮原子的時(shí)候,盧瑟福發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象,α粒子和氮原子碰撞的時(shí)候,會(huì)出現(xiàn)氫原子核,也就是后來的質(zhì)子。

能撞出氫原子核,這說明了一個(gè)問題,氫原子核可能是氮原子核的組成成分。而且,氫原子核的質(zhì)量非常輕,其他原子核的質(zhì)量都是它的整數(shù)倍,有沒有可能,氫原子核是所有原子核的組成成分?

如果是這樣,這又會(huì)是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。

1920年,盧瑟福公布了他的發(fā)現(xiàn):氫原子核是構(gòu)成所有原子核的基本單元。他給這個(gè)基本單元起了一個(gè)名字,質(zhì)子[1]。

但盧瑟福依然保持了自己的謹(jǐn)慎態(tài)度,在公布這個(gè)發(fā)現(xiàn)之后,他到?jīng)]有立即公布這個(gè)結(jié)論,而是找另一位物理學(xué)家帕特里克·布萊克特利一起做更多的研究,驗(yàn)證自己的猜想。

在觀察了23000張照片上的40多萬條軌跡之后,他們?cè)谄渲姓业搅?條特殊的軌跡。再一次,從異常情況中,盧瑟福做出了重大發(fā)現(xiàn),這8條軌跡能夠說明,氫原子核確實(shí)是構(gòu)成其他元素原子核的成分(這8條軌跡表示,氮原子核α粒子碰撞后形成了極其不穩(wěn)定的氟原子,之后,衰變成了一個(gè)氧原子核一個(gè)氫原子核)。

于是,在1920年,盧瑟福公布了他的發(fā)現(xiàn):氫原子核是構(gòu)成所有原子核的基本單元。他給這個(gè)基本單元起了一個(gè)名字,質(zhì)子[1]。

由此,原子核里最重要的一種粒子被發(fā)現(xiàn)了。

小居里夫婦與中子擦肩而過

盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子之后,跟他的助手查德威克又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神奇的現(xiàn)象。

氮原子的原子核重量是大致是氫原子核的14倍(大約跟14個(gè)質(zhì)子重量相當(dāng)),而電子只有7個(gè),如果原子核里只有質(zhì)子,那氮原子應(yīng)該帶電才對(duì),這不太可能。于是,盧瑟福推測(cè),原子核內(nèi)應(yīng)該還有一種不帶電的中性粒子,重量跟質(zhì)子差不多。

這個(gè)中性粒子,就是中子。但到目前為止,這只是一個(gè)推測(cè),盧瑟福并沒有直接證據(jù)證明中子存在。

最先發(fā)現(xiàn)這個(gè)證據(jù)的,是德國兩位科學(xué)家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年,他們用α粒子轟擊鋰、鈹、硼等元素,轟擊完之后,發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的射線。這種射線能量很高,而且不帶電,他們認(rèn)為,這應(yīng)該是γ射線(一種電磁波輻射)[2]。

有些材料上說,最早發(fā)現(xiàn)中子證據(jù)的,是居里夫人的女兒和女婿,即小居里夫婦,但并不是。不過,小居里夫婦確實(shí)很快就投入到了對(duì)這種射線的研究中,他們利用這種輻射轟擊其他物質(zhì),得到了非常高能的質(zhì)子[3]。

可惜的是,他們并沒有懷疑這種射線本身到底是不是γ射線。所以,他們確實(shí)和中子,以及一塊諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌擦肩而過。

盧瑟福的助手查德威克倒是敏銳的意識(shí)到了,這種射線根本就不是什么γ射線,應(yīng)該就是盧瑟福預(yù)言的中子。于是,查德威克趕緊重復(fù)了實(shí)驗(yàn),并且證明了,射線是由一種不帶電,而且質(zhì)量和質(zhì)子非常接近的小粒子構(gòu)成,證實(shí)了中子的存在。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn),查德威克獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

順便提一句,另一位叫勞倫斯的科學(xué)家,也發(fā)現(xiàn)Walther Bothe和小居里夫婦的解釋有問題,同樣投入研究,但還是慢了查德威克一步,但勞倫斯后面在后面因?yàn)榱硪豁?xiàng)研究,對(duì)人類開發(fā)核能做出了極其重大的貢獻(xiàn),也拿回了屬于自己的諾貝爾獎(jiǎng)。在后面我們還會(huì)提到他。

至此,人們不光發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)的質(zhì)子、中子,而且,也知道了通過改變?cè)雍说慕M成,一種物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。

接下來,人們要開始將手伸進(jìn)原子核內(nèi)部了,摘取原子核內(nèi)的能量果實(shí)。

參考文獻(xiàn):

[1] Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". American Journal of Physics. 65 (8): 707.

[2] Bothe, W.; Becker, H. (1930). "Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen" [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3] Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). "émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons γ très pénétrants" [Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays]. Comptes Rendus. 194: 273.

評(píng)論
坦 蕩 蕩
少師級(jí)
人們不光發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)的質(zhì)子、中子,而且,也知道了通過改變?cè)雍说慕M成,一種物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。
2022-07-15
發(fā)光的晶晶
太傅級(jí)
們不光發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)的質(zhì)子、中子,而且,也知道了通過改變?cè)雍说慕M成,一種物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。
2022-07-15
演繹無限精彩!
大學(xué)士級(jí)
經(jīng)過科學(xué)家們的探索,不光發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)的質(zhì)子、中子,也知道通過改變?cè)雍说慕M成,一種物質(zhì)可轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。
2022-07-14