盧瑟福:原子核內部有什麼?打開看看_風聞
科普中国-科普中国官方账号-中国科协科普工作官方微平台2022-09-29 17:44
作者:姬揚
在道爾頓、布朗、愛因斯坦、佩蘭的共同努力下,人類已經達成了共識:原子是切實存在的。
但道爾頓的現代原子論裏提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是構成物質的最小單元嗎?原子裏面還能不能繼續拆分?
解決這一問題的,是三代師生,約瑟夫·湯姆森、歐內斯特·盧瑟福、詹姆斯·查德威克。

葡萄乾布丁模型——撥開原子的第一層面紗
最早打開原子內部結構的科學家,是湯姆森。
湯姆森在研究β射線的時候,發現β射線是由一種帶負電粒子構成的,這種粒子被稱作電子。
湯姆森認為,在每個原子裏面應該都有這樣的電子。而且,湯姆森還提出了他的葡萄乾布丁原子模型:每個原子就像是一個葡萄乾布丁,正電荷和布丁一樣,均勻分佈在整個原子裏,帶負電荷的電子,和葡萄乾一樣,撒在布丁上。
雖然在教科書上對這個模型的評價並不高,只是一帶而過,但這個模型自有它的重要意義,它説明了一點,原子是可以繼續拆分的。而繼續拆分的任務,就交給了他的學生——盧瑟福。
“鍊金術士”盧瑟福的原子模型
1901年,盧瑟福在研究放射性元素“釷”的時候,發現釷元素能夠向外釋放出α射線,更另人驚訝的是,在衰變之後,釷元素變成了另一種元素。
一種元素能夠轉變成另一種元素,過去這件事只存在於鍊金術士的幻想中,現在盧瑟福竟然證實了,這一重大的發現,讓盧瑟福獲得了1908年的諾貝爾化學獎。
順便提一下,盧瑟福拿到諾貝爾化學獎之後並不高興。他覺得自己明明是個物理學家,怎麼都應該拿諾貝爾物理學獎。
但諾獎對盧瑟福來説並不重要,他通過對放射性元素的研究,認定了一件事:放射性元素釋放出來的能量,來自於原子內部。當時,包括居里夫人在內的很多人都認為,放射性物質的能量是從外部吸收來的。所以,盧瑟福認為居里夫人對放射性還不夠了解。
如果原子內部能夠放出各種各樣的射線,這又指向了一件事情:原子還可以繼續往下拆。
那原子裏面到底有什麼呢?於是,盧瑟福開始用α粒子,對原子發動了轟擊。這就是著名的“金箔實驗”。
1908年,盧瑟福在助手蓋革的幫助下,一起用α粒子繼續轟擊金箔。他們發現,α粒子在透過金箔的時候,大部分粒子都是直直地穿過,而很少一部分粒子發生了偏移,盧瑟福稱之為散射,而還有極少數粒子,發生了非常大的偏移。
異常現象背後一定有原因,盧瑟福就把研究重點放在這些偏轉很大的粒子身上,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麼希望,可助手竟然真的發現了,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説,這就像你拿一門炮去轟一片紙巾,結果炮彈竟然被紙巾彈回來了。這些被彈回的粒子,就猶如一發炮彈,擊中了盧瑟福的想象力。
當時,盧瑟福已經知道了,α粒子是帶有正電荷的,如果發生了這麼大幅度的偏轉,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,應該是直直撞上了這個電荷集中的地方,這個地方就是原子核。
根據推算,原子核應該非常非常小,就像鳥巢體育館當中放了一個網球。
可是按照他老師湯姆森的葡萄乾布丁模型,原子裏的正電荷應該是均勻分佈的,不應該有哪個地方存在這麼集中的正電荷。難道老師之前説的一直是錯的?
盧瑟福是一個極其嚴謹的人,他並沒有急着公開自己的發現。他花了將近4年時間,確認了大量的數據,再確認萬無一失之後,在1911年,盧瑟福模型首次公佈了。
盧瑟福認為:原子不是堅不可摧的,原子中間是一個極小的帶正電的原子核,外面是繞着它高速旋轉的電子。
眼下,盧瑟福還有更重要的事情要做,他需要搞清楚原子核裏頭到底是什麼。
盧瑟福繼續用他鐘愛的α粒子轟擊其他原子。在轟擊氮原子的時候,盧瑟福發現了一個現象,α粒子和氮原子碰撞的時候,會出現氫原子核,也就是後來的質子。
能撞出氫原子核,這説明了一個問題,氫原子核可能是氮原子核的組成成分。而且,氫原子核的質量非常輕,其他原子核的質量都是它的整數倍,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,這又會是一個重大的發現。
1920年,盧瑟福公佈了他的發現:氫原子核是構成所有原子核的基本單元。他給這個基本單元起了一個名字,質子[1]。
但盧瑟福依然保持了自己的謹慎態度,在公佈這個發現之後,他到找另一位物理學家帕特里克·布萊克特利一起做更多的研究,驗證自己的猜想。
在觀察了23000張照片上的40多萬條軌跡之後,他們在其中找到了8條特殊的軌跡。再一次,從異常情況中,盧瑟福做出了重大發現,這8條軌跡能夠説明,氫原子核確實是構成其他元素原子核的成分(這8條軌跡表示,氮原子核α粒子碰撞後形成了極其不穩定的氟原子,之後,衰變成了一個氧原子核一個氫原子核)。
由此,原子核裏最重要的一種粒子被發現了。
小居里夫婦與中子擦肩而過
盧瑟福發現質子之後,跟他的助手查德威克又發現了一個神奇的現象。
氮原子的原子核重量是大致是氫原子核的14倍(大約跟14個質子重量相當),而電子只有7個,如果原子核裏只有質子,那氮原子應該帶電才對,這不太可能。於是,盧瑟福推測,原子核內應該還有一種不帶電的中性粒子,重量跟質子差不多。
這個中性粒子,就是中子。但到目前為止,這只是一個推測,盧瑟福並沒有直接證據證明中子存在。
最先發現這個證據的,是德國兩位科學家Walther Bothe和Herbert Becker。
1930年,他們用α粒子轟擊鋰、鈹、硼等元素,轟擊完之後,發現了一種奇怪的射線。這種射線能量很高,而且不帶電,他們認為,這應該是γ射線(一種電磁波輻射)[2]。
有些材料上説,最早發現中子證據的,是居里夫人的女兒和女婿,即小居里夫婦,但並不是。不過,小居里夫婦確實很快就投入到了對這種射線的研究中,他們利用這種輻射轟擊其他物質,得到了非常高能的質子[3]。
可惜的是,他們並沒有懷疑這種射線本身到底是不是γ射線。所以,他們確實和中子,以及一塊諾貝爾獎獎牌擦肩而過。
盧瑟福的助手查德威克倒是敏鋭的意識到了,這種射線根本就不是什麼γ射線,應該就是盧瑟福預言的中子。於是,查德威克趕緊重複了實驗,並且證明了,射線是由一種不帶電,而且質量和質子非常接近的小粒子構成,證實了中子的存在。因為這個發現,查德威克獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。
順便提一句,另一位叫勞倫斯的科學家,也發現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,但勞倫斯後面在後面因為另一項研究,對人類開發核能做出了極其重大的貢獻,也拿回了屬於自己的諾貝爾獎。在後面我們還會提到他。
至此,人們不光發現原子核內的質子、中子,而且,也知道了通過改變原子核的組成,一種物質能夠轉變為另一種物質。
接下來,人們要開始將手伸進原子核內部了,摘取原子核內的能量果實。
參考文獻:
[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). “mission 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.
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