物理学发展札记——原子和原子核部分(三)

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物理学发展札记——原子和原子核部分(三)

公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 23:03:28

物理学发展札记——原子和原子核部分(三)






公主 冷月无声

发布日期:2011-06-03 23:03:28


【原子结构的探索】

当1897年J.汤姆孙发现电子以后,不少物理学家就在探索原子的结构。根据实验的结果,凭着丰富的科学想象力,提出了各种假设和模型,推动着物质结构理论的发展。

1901年2月16日,法国物理学家皮兰(J.Perrin,1870—1942)在巴黎大学的一次讨论会上,提出了“原子的核-行星结构”的设想。1901年6月,英国剑桥大学的物理学家金斯(J.H.Jeans,1877—1946)在电子论的基础上,构思了一个“理想原子”。在金斯的观念中,一个普通的化学原子包含上万个电子,要确定这样的原子的平衡状态和在这些位置上的振动显然是不可能的。为了研究辐射向题,金斯考虑理想原子由较少数目的电子组成。

1903年7月,德国物理学家勒纳(P.Lenard,1862—1947)在一份实验报告中指出,虽然原子的一个非常小的部分阻止了快速阴极射线,但其较大的部分却肯定可以为这些射线所穿透。因此,勒纳猜想原子内部几乎是空的,其中只含有一些微小的被勒纳称之为“动力子”的基本组成部分。

他认为每个动力子由一个负的量子和一个紧靠该量子的正电荷组成,同时推测这一动力子的半径约为3×10-12 厘米,或更小。值得一提的是,勒纳没有肯定氢原子只含一个动力子,但他倾向于只含一个。

在英国,讨论和研究原子结构问题较深入的还是W.汤姆孙(WilliamThomson,1824-1907,即开尔文)和 J.汤姆孙(J.J.Thomson,1856—1940)。早在1897年5月,W.汤姆孙就设想原子是由一个负电子和一个原子线度的正电球紧靠在一起的配对结构。而J.汤姆孙在1899年12月第一次描述了“布丁原子”(也称原子结构的葡萄干面包模型),把原子看作一个均匀充斥正电的流体状的球体,而负电子则散布于球体之中。1904年3月起,J.汤姆孙讨论了这种原子的力学稳定性。其结论是,如果电子多于4个,当它们排列成多重的环或壳,并以一定的速度旋转时,整个系统是力学稳定的。

1903年12月,日本物理学家长冈半太郎(H.Nagaoka,1865—1950)提出了土星结构的原子模型。因为他认为在正电球内部,负电子自由运动而不受阻碍,是不可想象的。如果把负电子看作是几何学中的点,那么什么问题也没有了,但这决不是物理学的观点。长冈描述了一个电子环,形式上与土星环相似,电子环的半径构成了原子的线度,而正电球则缩成一个较小的粒子,位于环的中心。但是长冈没有说明这个粒子的线度。为了说明这种结构模型的原子具有力学稳定性,长冈借用1857年麦克斯韦解释土星结构稳定的理论来解释,这当然是欠妥的。后来长冈认为这种土星结构的原子模型具有合理性,而不具有真实性。

【卢瑟福和原子有核模型的提出】

卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871.8.30—1937.10.19)是英国物理学家。他对放射性问题很有研究,1899年,他发现铀放射出来的射线是多种多样的,根据射线的不同性质,分别命名为a射线、β射线和γ射线。1902年,他和英国的年轻化学家合作发现一些放射性元素在放出射线后,会逐渐减弱其放射性强度,最后变成另一种元素。在此基础上,他们提出了原子的自发蜕变理论。1908年,卢瑟福因“在元素蜕变及其放射化学方面的研究”而获诺贝尔化学奖。卢瑟福最著名的贡献是提出了原子有核模型。

1907年,卢瑟福去曼彻斯特大学工作,在那里,他物色到一位得力的助手——德国人盖革(H.Geiger,1882—1945),他们一起研究a射线的散射现象,并一起开创了a粒子闪烁计数法。由于a散射和a粒子被物质吸收的性质是大家共同关心的研究课题,从1908年起盖革就有计划地进行散射现象的定量研究。1909年5月,盖革和来自新西兰的青年学生马斯顿(E.Marsden,1889-1970)在做a散射实验时,发现轰击金属箔的a粒子有一小部分改变了行进的方向,甚至再度出现在入射面的同侧。这一实验结果(即现在所说的a粒子的大角度散射)引起了很多人的关心。卢瑟福听到这一消息,就像听到一发炮弹从一张薄纸反弹回来那样感到不可思议。根据J.汤姆孙模型,利用多重散射理论计算,大角度散射的几率为10-3500 为10-4 ,平均8000个a粒子中有一个要大角度散射。

根据这一实验结果,卢瑟福意识到原子必定是一个仅通过一次碰撞就可把a粒子挡回去的强电场的“座”。这个“座”是什么?至少经过半年时间,卢瑟福终于想到原子中可能有一个核(“核”这个词是以后用的,而不是在1911年的论文中提出的)。据盖革回忆,当时卢瑟福激动地声称自己已经知道原子是什么样子了,这是在1911年元旦的前后。1911年3月,卢瑟福把这一结果摘要报告了曼彻斯特文学哲学会,而较详细的报告则发表在同年5月的《哲学杂志》上。

在这一基础上,卢瑟福进行了理论研究工作,确定了散射角θ和a粒子入射路径与核的距离(即“瞄准距离”p)之间的关系。这一结果,由盖革和马斯顿在1913年通过实验加以验证。由此建立了卢瑟福的原子有核模型,表明原子中央有一个带正电荷的核,而电子是围绕它运动的。