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第3章 小粒子揭示大秘密

卢瑟福,是科学进入20世纪之后出现的第一位伟人。正是他,确立了放射线的性质,提出了原子结构的有核模型。

卢瑟福,1871年8月30日出生在新西兰约尔逊偏僻的一户农民家庭。1889年至1894年,他先在新西兰大学坎特伯雷学院学习,在那里获得了学士和硕士学位;1895年,卢瑟福被选送到久负盛名的英国剑桥大学深造,成为卡文迪许实验室的第一个研究生。

1903年,卢瑟福和助手索迪在深入研究放射线时发现,铀和镭放射出α、β和γ射线的过程,就是它们的原子分裂的过程。由于它们在分裂中放出了这三种射线,结果最后就变成了略轻一些的新原子。由此,他们提出了解释放射性现象的元素蜕变假说。这一假说无情地打击了原子永恒不变说,进一步阐明了原子内部存在着十分复杂的结构。

那么,原子内部的结构究竟是如何的呢?

在此之前,卢瑟福的老师汤姆逊曾提出过一个原子结构模型——“均匀模型”,人们又称它为“葡萄干蛋糕模型”,这一模型假定原子是一个半径为10-3厘米的球体,正电荷均匀地分布其中。如果球内只有一个电子,则这个电子就位于球心,只在球心附近作很小的位移摆动;如果原子的电子数较多,则这些电子就处在球内一对称图形的角上,保持着平衡,并在自己的位置附近摆动。

卢瑟福对这个模型的人为性表示不满,为了弄清原子结构的奥秘,他于1907年在英国曼彻斯特大学任教授之后,便立即指导他的学生盖革和马斯登,进行α粒子穿过厚度仅有0.5毫米的薄金片的实验。在实验过程中,大多数入射α粒子都像子弹直线穿过树叶那样,顺利地穿过了薄金片,但是也有极少数α粒子在穿过金片时,像台球被弹出中心一样,发生了大角度的轨迹偏转。大约在八千个入射粒子中,有一个被直线反弹了回来。这种奇怪现象,用卢瑟福的话说,“这简直就像是对着一张卫生纸打炮,炮弹竟被弹回到炮筒里来一样。”卢瑟福将这些现象统称为“α粒子散射现象”。

1911年,卢瑟福解释了这种散射现象。他认为,在α粒子轰击金片时,只有极少数发生偏转或折回,是因为它们碰到了比它们大的粒子,这说明原子核的核心是极小的,而大多数α粒子能直线通过金片也说明了这一点,因为一个入射粒子在穿入金片时必定会碰到数以万计的原子。因此,卢瑟福提出了他的原子结构的“核式模型”,又称为“行星模型”:原子有一个极小的可称为“原子核”的中心体,原子的质量几乎全部集中在这个核上,这个核只有原子大小的几万分之一,带正性电荷。核外有电子围绕旋转,它们的电性为负。由于核与电子电荷量相等,所以整个原子显中性或不显电性。卢瑟福在这里提出的原子“核式模型”和“原子核”的概念,为微观物理学奠定了重要的基石。

科学小链接

α、β和γ射线

卢瑟福于1899年初发现铀射线至少由两种射线构成:一种仅能穿透1/50毫米厚的铝片,他称其为α射线;一种能穿透0.5毫米厚的铝片,他称其为β射线。与此同时,法国化学家维拉德又发现了铀的第三种放射线,它能穿透3英寸厚的固体铝,他将其称为γ射线。后来发现,α射线就是氦原子核,β射线是电子束,而γ射线则相当于X射线。