卢瑟福发现了什么

为什么说卢瑟福是发现“原子核”的“天选之人”

人们从古代开始就对物质的构成产生了浓厚的兴趣,但限于当时科技水平的低下,人们只能用想象和经验来弥补认识的不足。古希腊的哲学家曾经提出过“四元素”说,而古代中国哲学家也提出金木水火土五行,认为万物统一于五行,即五种元素。

古希腊的四元素说

时间来到了十九世纪,英国年轻的科学家道尔顿结合前人的质量守恒定律、定比定律,经过自己的潜心研究提出了他的原子论学说,迅速被部分科学工作者所接受,在科学界掀起了一股研究原子的热潮。当时大多数的科学家都接受了道尔顿的原子理论,认为构成物质的基本粒子——原子,是一个不可再分的实心小球。

道尔顿

打破“原子不可再分”神话的是J. J.汤姆生。他从1886年起研究真空放电,经过11年的努力,于1897年4月30日向英国皇家学会报告了实验结果。他测定了电子的速率及其荷质比(m/e),明确地指出它们是带负电荷的带电粒子,其荷质比至少超过氢离子的荷质比1000倍。但是,电子是否比原子更基本呢?带着这个问题,汤姆生进行了一系列的实验。他分别在真空管中充入不同的稀薄气体,又用不同材料的阴极重复实验,电子的荷质比都不改变。据此,他断言电子是一切原子中的基本组成部分之一。这一断言无疑是向传统观念挑战的宣言,原子不可再分的神话至此已支离破碎。

汤姆生

通常情况下呈电中性的原子中还包含有带负电的电子这一事实表明原子中必定还包含有带正电的部分,那么这些正电荷的载体是什么呢?它们又是如何在原子中分布的?但是对单个电子的直接感知永远是超出人类感官的能力之外的。好在,人类洞察自然的本领与手段并不限于直接感觉。恩格斯曾指出:“只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说”。人类对原子结构的认识就是借助于假说(模型)的力量而逐渐成熟的。

在实验发现电子之后的第六年一一1903年,汤姆生提出了著名的原子结构模型一一“葡萄干布丁”模型他认为原子里面带正电的部分均匀地分布在整个原子球体(直径约为10-10米)中,而带负电的电子则在这个球体中游动。

汤姆生的这种原子结构模型使人们对原子的认识产生了质的飞跃,拉开了人类探索原子内部奥秘的序幕。但是汤姆生提出的这样的假说要转变为科学理论还需要大量的实证,还需要对原子进行进一步的观察和研究。无论是证实还是证伪,我们必定都要打入原子的内部去获取情报,才可以知道在原子内部是否存在均匀分布着的正电荷。那么,怎么进去呢?派谁去呢?谁有这么大的本事?机会总是青睐有准备的人,卢瑟福就是这样的“天选之人”,一个重大的历史机遇就落到了卢瑟福的头上。

卢瑟福

在讲卢瑟福的研究之前我想先请朋友们思考一下,如果我们把原子比喻成一个球,现在想知道这个球里面有什么,你可以通过什么方法来研究它内部的结构?

当然是用一个硬东西将球砸开呀,里面有什么不就一目了然了嘛。

卢瑟福在当时和我们想的是一样的。那么,问题来了,原子是微观粒子,非常微小,用什么砸?既然原子是微观粒子,个头非常小。那么,你用来砸它的东西也必须是与它大小相仿的微粒,而且需要带电荷,这样就可以了解原子内部电荷的分布情况。最后,这种微粒还必须具有一定的质量和速度,这样才会具有一定的动量,才能把原子“砸开”,一窥其内部情况(即不能用电子这样的微粒去轰击)。为什么我们刚才说卢瑟福是“天选之人”呢,两个原因:一、他是汤姆生的学生,在老师提出了原子结构模型后,他积极地通过实验进行验证;二、他手中正好有能够“砸开”原子的“秘密武器”。

而这个“秘密武器”就是元素放射性的发现。1896年贝克勒尔发现了铀的放射性,居里就曾指出放射性是原子的内在过程。由此产生了原子结构的思想,也提出了探究这一结构的任务。“放射性”这个术语是居里夫人提出来的,用它来描述铀的辐射能力。

居里夫人

居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质——钋。到1898年12月,居里夫妇又提炼出一些放射性比钋还要强的东西,其中含有另一种在化学特性上和钡很相似的元素,居里夫妇把它定名为镭,意思是“射线”。卢瑟福也参与了元素放射性的研究,并于1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型:一种是极易被阻挡物吸收的,他称之为α射线;另一种有较强的穿透能力,他称之为β射线。经过卢瑟福设计的巧妙实验,最终研究得出α射线就是高速运动着的氦离子(He2+)流,而α粒子完全具备我们刚才所说的砸开原子的几个条件:有质量、有速度、带电荷。当1903年卢瑟福的老师J. J.汤姆生提出了著名的原子结构模型一一“葡萄干布丁”式之后,卢瑟福便萌发了用α粒子砸开原子来验证汤姆生原子结构模型的想法。但此时还有几个问题需要解决。

砸什么?既然要研究原子的内部结构,当然是砸向某种原子,但是原子很微小,宏观物体都是由数量及其庞大的原子构成的,要使α粒子砸向单个原子几乎是不可能的。有没有较好的解决方法呢?卢瑟福的助手给他提供了一个该问题的解决方案。我们都知道金属有延性,是指金属可以抽成细丝。例如最细的白金丝直径不过1/5000mm。金属又有展性,是指可以压成薄片,例如最薄的金箔只有1/10000mm厚。延展性最好的金属是金。据报道①有人将28克金延展至65公里长;②一两黄金,压成金箔可覆盖两个篮球场。那么,金箔自然会成为卢瑟福的选择。

金箔

怎么砸?怎么观察?最好要向金箔发射一束α粒子,我们要观察α粒子与金箔的原子发生作用后会怎么运动。(它们也许会径直穿过金箔,也许会发生某种偏转,也许会以各种角度反弹回来。因此,要做“散射”实验。)观测α粒子散射靠的是闪锌屏,闪锌屏也叫闪烁屏,是在屏幕上涂一层硫化锌,α粒子打到它上面会发出微弱的闪光。实验者用肉眼通过显微镜对准闪烁屏幕,一个一个地计数,再移动显微镜的位置,分别读取不同位置的闪烁数,由此可以确定α粒子散射的统计分布。

除了上述的问题之外,做这样一个实验能不能在正常的空气环境中进行?当然不行,这样的实验显然需要在真空中进行,防止气体分子对α粒子的运动产生影响。

至此,所有重大问题都找到了解决办法,卢瑟福开始了震惊世界的著名实验——“α粒子散射实验”。

α粒子散射实验示意图

卢瑟福进行α粒子散射实验只是想验证汤姆生的原子结构模型,并不是想推翻他的老师的设想,但实验结果却远非他想象得那么简单。α粒子散射实验的数据显示三个主要结果。第一,绝大多数α粒子直接穿过,没有发生任何偏转;第二,有少量α离子发生小角度的偏转;第三,有非常少的α粒子(大约1/50000)沿着来的方向被弹回。

这个实验的重点就在第三个现象上。α粒子如果被反弹回来,一定是遇到了质量比自身大得多的微粒(根据动量定律)。我们不难想象出金原子里卢瑟福发现了什么绝大多数地方都是空的(证据:实验时,绝大多数的α粒子都垂直通过了金箔),金原子中绝大部分质量都集中在原子中一块很小的区域里(证据:实验时,一些α粒子居然从金箔向它们入射的大致方向反弹回来。这种结果很少见)。

那么实验中的第二个现象可以让我们得出什么结论呢?有少量α粒子发生小角度的偏转,说明它一定没有碰上那个质量非常巨大而体积又非常小的区域,那么为什么还会发生小角度的偏转?从电荷角度考虑,α粒子带有正电荷,它们一定靠近但并没有碰上原子中的正电荷。而发生小角度偏转的这部分α粒子数量也是很少的,那就说明原子中的正电荷肯定也集中在某个很微小的区域。由于原子是电中性的,那么带负电荷的电子只能在这个带正电荷微小的区域之外啦。

卢瑟福原本只是希望通过实验来验证自己老师汤姆生的原子结构模型,结果实验现象与他当初的设想产生了天翻地覆的变化。卢瑟福完美践行了亚里士多德的名言“吾爱吾师,但吾更爱真理”。他根据α粒子散射实验的证据历时两年终于提出了原子的核式模型。卢瑟福所描述的原子里卢瑟福发现了什么有一个带正电的、比原子本身小10000倍的中心。这个中心同时也包含了原子的大部分质量。对于金原子来说,他发现原子中心的电量大约是电子电量的100倍。电子围绕着带正电的中心高速旋转,就像行星围绕太阳运动一样,因此卢瑟福提出的原子核式模型也被称为“行星模型”。1911年3月,这种新的原子模型在科学界公布。随后,1912年10月,卢瑟福第一次使用了“原子核”这个术语。

卢瑟福“行星模型”

一口气搞懂质子和中子的发现

之前我们聊完了历经四代物理学家,终于搞清楚了原子模型。但这在研究过程中,电子和原子核的发现也打破了“原子不可再分”的认识。于是,科学家就开始思考,电子和原子核是不是可以再分?当然,我们现在知道,电子是基本粒子,是没办法继续往下分的。而原子核实际上是可再分的,那科学家又是如何研究这个问题的呢?

今天,我们就来聊一聊:科学家对于原子核的探索。

发现质子

对于原子核的研究,其实还和上一期的老朋友卢瑟福有关。

上一期,我们有聊到卢瑟福研究原子时,用α粒子(氦核)轰击金箔,然后记录α粒子之后的变化。

通过这个办法,卢瑟福发现原子核。那关于原子核是不是可以再分,卢瑟福想到的还是用α粒子轰击的办法。其实也好理解,他无非就是想看看能不能撞开原子核,这样不就知道原子核是不是可再分了。

这次卢瑟福选择的是轰击氮原子核,结果他发现有一些极其小的物质被炸了出来。经过分析,他发现这些极其小的物质就是氢原子核。

A:放射性物质 C:容器 T:阀门 F:铝箔 S:荧光屏 M:显微镜

于是,卢瑟福进行了一番推测,大概的过程是这样的:

氢原子核是原子核的基本单位,也就是说,氢原子应该是最简单的原子核。而不同种类原子的原子核应该是有一堆氢核构成的。这也和道尔顿的“原子论”中,把氢原子的原子量设定为1的思想不谋而合。

卢瑟福把氢核命名为质子。氢核带的是一个单位正电荷,电子是带一个单位负电荷。所以,氢原子呈现电中性。

从卢瑟福得出的结论来看,其他原子的质量就应该是质子数的整数倍。那这个结论到底对不对,这还是需要拉出来溜溜才知道。于是,卢瑟福开始研究这个理论适不适用于氦原子核,结果呢?

他发现,氦原子核的质量接近于质子的四倍,如果按照卢瑟福的理论,那氦原子核就应该带有4个单位正电荷,可问题是,氦原子核外只有2个电子,那岂不是氦原子要带有2个单位正电荷了么?可事实上,氦原子是电中性的,这就相互矛盾了。

经过这一番推演,为了解决这个矛盾,卢瑟福预言:原子核内应该还存在一种基本成分,它是电中性的。

发现中子

如果我们翻开历史就会发现,卢瑟福当时所在的卡文迪许实验室被称为诺贝尔奖幼儿园。在这里,前前后后诞生了10多位诺奖得主,这些人大多是卢瑟福的学生和助手。而这些人对于微观世界的贡献十分巨大,这当中就有上一期我们提到的大名鼎鼎的波尔。

除了波尔之外,还有一位低调奢华的存在,他在二战负责原子弹项目。他就是查德威克,也是卢瑟福的弟子之一。

不过,查德威克是碰巧成为了卢瑟福的弟子。话说16岁的查德威克到曼彻斯特大学注册,他的理想专业是数学。结果排队的时候排到物理专业的队伍去了。当他发现自己排错队伍的时候,他有点不好意思和紧张,不敢说自己是排错了队,最后只好硬着头皮进了物理系,还成了卢瑟福的学生。

而最终查德威克证实了卢瑟福的预言,不过在他做出成果之前,那段时间很多科学家都在试图找到卢瑟福预言的基本成分。这其中就有居里夫人的女儿和女婿,伊雷娜·约里奥-居里和手弗雷德里克·约里奥-居里。他们得知德国物理学家瓦尔特·博特和赫伯特·贝克尔用α粒子与铍发生碰撞后会产生奇怪的辐射。

于是,他们自己也亲自去做了这个实验,证实了这个事实,并且还对外宣布,

这种辐射可以把质子从含有氢元素的物质中赶出去。

得出这样的结论,使得伊雷娜·约里奥-居里和手弗雷德里克·约里奥-居里错过了发现中子的机会。

查德威克得知此事之后,他就认为这很有可能和卢瑟福预言的基本成分有关。于是,他设计了一个实验,同样也还是用α粒子轰击铍,然后让射线再去轰击石蜡。这种射线会把石蜡的质子轰击出来。

这时候,查德威克假定铍被轰击后,辐射出来的就是中子。然后他通过测量被打出质子的速度,推算出来中子的质量,这个质量只比质子差不多,稍微大了一点点,而且不带电。

而接下来,我们可以通过中子和质子的区别,也就是带电或者不带电来证实查德威克的发现。这里就要提到一种神奇的发明:威尔逊云室。

威尔逊云室可以用来探测游离的粒子的轨迹,是英国物理学家查尔斯·威耳逊发明的。

具体的原理是这样的,云室是一个密封的环境,里面充满了过饱和的水蒸气或者酒精。当一束粒子穿过时,云室内的混合物会相互作用,快速冷凝,就会出现一个轨迹。这其实和飞机飞行会在高空留下轨迹的道理类似。

所以,当一束带有质子和中子的辐射穿过云室的时候,也会留下来轨迹。而我们在高中物理中其实学过,运动的带电粒子在磁场中会发生偏转,而不带的粒子还会沿着直线运动。

因此,想要知道一束粒子当中是不是含有中子,我们只需给云室加上磁场就可以。下图中,直线轨迹就是中子留下来的,而曲线的就是带电粒子留下来的轨迹。

通过这样的办法也就能确定中子的存在。后来,科学家测到了中子质量是1.6749*10^-27kg,而质子的质量是1.6726*10^-27kg,发现没有?真的和查德威克推算的一样,中子质量只比质子大了一点点。

因此,查德威克成为了中子的发现者,并且在1935年获得了诺贝尔物理学奖。

核能时代

正是卢瑟福和查德威克的发现,人类打开了原子核世界。科学家开始能够在核子的层面上进行操作,也为后来的核聚变、核裂变以及核能的使用打下了坚实的基础。

但是,他们的发现也同时带来两个问题,

质子和中子还能继续再分么?

原子核中质子和中子为什么会被束缚在一起,是什么作用导致的?

关于这两个问题导致了物理学的进一步发展,由此还诞生了粒子物理标准模型。我们将会在后面几期详细讲述。

关于,质子和中子的发现,我们就说到这里。

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