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第83章 原子核及中子、质子的发现

第八章第六节原子核及中子、质子的发现

卢瑟福发现两种射线

有“核子科学之父”尊称的卢瑟福,终生从事原子结构和放射性的研究。

古代哲学家认为,原子是不可分割的最小物质单元,后来人们又得悉原子内有电子存在

。但是,电子在原子内属于何等地位,原子内部情形如何,一直到19世纪末,原子学说对此

始终无法解答,更不能证明是否有单个原子存在。卢瑟福迈出了决定性的一步。

1899年,卢瑟福发现了镭的两种辐射。

第一种辐射,不能贯穿比1/50毫米更厚的铝片,但能产生显著的电效应。

第二种辐射,能贯穿约半毫米厚的铝片,然后强度减少一半,并且能穿过包装纸使照相底

片感光。卢瑟福把前者命名为α射线,后者命名为β射线。卢瑟福的这些发现以及后来在测

定α射线的性质等方面的工作,大大地推进了贝克勒耳开始的关于放射性的研究。

证实原子核的存在

1911年,卢瑟福完成了闻名的α粒子散射实验,证实了原子核的存在,建立了原子的核模型

人们对原子模型曾作过各种各样的猜测。卢瑟福老师汤姆生提出:球形的原子内部均匀地分

布着阳电荷,带阴电的电子夹杂其中。这个原子模型在科学史上被称为“西瓜模型”,因为

它像一个西瓜:整个西瓜分布着阳电荷,而瓜子带阴电荷,所以对整个“西瓜”——原子—

—而言显现中性。

按照“西瓜模型”,如果用α粒子轰击原子,α粒子会较容易地穿过这个原子,而不至于发

生α粒子的散射现象。然而,卢瑟福和他的学生们做了多次实验,表明汤姆生的结论不符合

事实。

当卢瑟福以高能量的α粒子流来轰击金属箔时,发现了一种奇妙的现象:大多数α粒子穿过

金属箔后依然沿直线前进,但有少数α粒子偏离了原来的运行方向,还有个别的α粒子被射

回来,即和原来的放射方向恰好相反。这种偏离现象称为α粒子的散射。那些少数的不

依原来的放射方向前进的α粒子的行为,好比一个弹球打在一块硬石上,弹球被反射回来或

被弹到别处一样。

卢瑟福做了在各种金属薄膜下α粒子流的散射实验,计数了在不同方向上散射的粒子数。通

过实验、观察和计算,一副崭新的原子图就出现在他的面前:原子具有很小的、坚硬的、很

重的并且带正电的中心核。卢瑟福把这个核称之为“原子核”。卢瑟福假定,环绕着核的大

量电子是在电磁引力作用下旋转的。看起来,它多少类似于环绕着太阳运转,并以万有引力

维系着运行轨道的行星系。因此,后来有人把卢瑟福的原子模型称为“小太阳系”。

原子具有核的结构这一物理学思想,对于当时的物理学家和化学家都是一个巨大的震动。核

模型的建立对原子物理学的发展起了重大使用。虽然今天对原子结构已有更精确的认识,但

人们还经常用这种模型作为原子结构的直观的粗线图,也就是我们在各种杂志、报纸、宣传

画上常常可以看到的作为科学技术象征的原子图像。因此,科学家们称卢瑟福是“近代原

子物理学的真正奠基者”。

自从发现放射性物质以后,人们总是考虑以人工的方法,使自然界中一些元素的原子核转变

为另一元素的原子核。第一个实现这种思想的正是卢瑟福。他在1919年用实验表明了这一点

卢瑟福用α粒子轰击氮原子核,会从它里面打出一粒碎屑,这粒碎屑在涂着硫化锌的荧光屏

上发出闪光。后来,科学家们又成功地把这种“星球相撞事件”拍摄成了立体照片。

发现质子和预言中子

卢瑟福考虑到电子是原子里带负电的粒子,而原子是中性的,那么原子核必然是由带正

电的粒子组成的。这粒子的特征是怎样的呢?他又想到氢原子是最轻的原子,那么氢原子核

也许就是组成一切原子核的更小微粒,它带1个单位正电荷,质量是1个氧单位。卢瑟福把它

叫做“质子”。这就是卢瑟福的质子假说。1919年,卢瑟福本人用速度是20 000公里/秒的

“子弹” ——α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核,结果都发现有一种微粒产生,电

量是1,质量是1,这样的微粒正是质子,这就证明了卢瑟福自己的质子假说是正确的。

卢瑟福考虑到原子核如果完全由质子组成,那么某种元素的原子核所带的正电荷,在数值上

一定等于那种元素的原子量,因为元素的原子量,主要是由原子核决定的,核外电子的质量

是微不足道的。但是事实并不是这样,元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或

一倍以上,这说明原子核里除了质子之外,必然还有一种质量和质子相仿,但却不带电的粒

子存在。所以在1920年,他提出了中子假说:原子核里存在一种“中子”微粒,它不带电,

质量是一个氧单位。

查德威克发现中子

尽管卢瑟福预言了中子的存在,但是,直到12年以后的1932年,英国物理学家查德威克才在

卡文迪许实验室里发现了中子。这时卢瑟福已接替卡文迪许实验室退休的汤姆生的职务。

查德威克1891年出生在英国柴郡,曼彻斯特维多利亚大学毕业。他在中学时代并未显示出过

人天赋。他沉默寡言,成绩平平,但坚持自己的信条:会做则必须做对,一丝不苟;不会做

又没弄懂,绝不下笔。因此他有时不能按期完成物理作业。而正是他这种不慕虚荣,实事求

是,“驽马十驾,功在不舍”的精神,使他在科学研究事业中受益匪浅。

进入大学的查德威克,迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面展示了超群才华。他被著

名科学家卢瑟福看中,毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室,在卢瑟福指导下从事放射性研

究。两年后,由于他的实验目标“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实现,他获英国国

家奖学金。

中子的发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。

1930年,德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其他轻元素时,他

们用尖端式盖革计数管(一种对γ射线灵敏的探测器),探测到了有一种穿透力异常大的射线

发生。法国物理学家约里奥·居里夫妇,利用一个强得多的钋源,进一步研究了受到

α粒子射击后的铍的辐射现象。他们把铍发射出来的射线解释为“γ射线”,把从含氢物质

中打出的质子解释成“γ射线”在氢核上的“散射”。由于他们没有足够地重视理论,这就

使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“γ射线”的,正是人们长期寻找的

中子流,并不是γ射线。他们走到了“中子”的门口,而没有发现它。

1932年,在海峡对岸的查德威克,对此进行了反复实验,每次他都得到了相同的结果。他进

一步发现这些射线像γ射线和X射线一样不会被磁场偏折,可见是中性的。然而,这种射线

的运动速度却与之大不相同,只为光速的1/10,比起几乎以光速前进的γ射线来说,简直太

慢了。

查德威克继续研究这些射线,发现当这种射线被笔直地引向氮气时,偶尔会以极大的力量打

进氮原子。如果是γ射线,则没有这种现象发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和

能量测定,发现在不同情况下,新射线的能量也不同。他想,这种新射线显然与γ射线不相

同,它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小,他用这种粒子轰击硼,并从新产生的原子核

所增加的质量,来计算加到硼中去的这种粒子的质量,结果算出新粒子的质量与质子大致相

等。查德威克在卢瑟福的领导下,长期从事寻找中子的研究,理论思维帮助了他从现象中抓

到本质,终于悟出:这种新射线正是长期寻找的中子流。这样,他惊人地发现了人们预言的

中子。

这是科学预言的又一个胜利。

至此,人们在探索原子秘密的道路上,又前进了一大步。所以,中子的发现被誉为原子科学

发展史上的第二个重大发现(第一个重大发现是放射性现象的发现)。

在中子发现的启示下,前苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡,先后提出了原子核是由质子和中

子组成的模型(质子和中子统称为核子),使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。