原子核的发现
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发布时间：2023-09-22 06:56
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近代的原子－分子学说
宇宙万物的原始组成，自古以来在世界各地都引起人们有极大的兴趣。我国古代的五行学说认为，万物是由金、木、水、火、土五种基本元素组成的。古代希腊人把气与水、火、和土并列为世界的四种基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特主张宇宙万物只有一种起源，即他称为“原子”的一种极小颗粒，他认为原子不可分割，无质的区别而只有大小、形状的差异，“原子”和“虚空”是万物的本原。随着人类文明的进步和近代科学的兴起，古代的五种（或四种）基本元素的概念越来越不能说明化学研究是出现的新现象。“原子”这一模糊的概念随着控化学和物理学的发展而获得了更加明确和丰富的意义。
19世纪，英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论，他认为，化学元素是由非常微小的、不可再分割的物质粒子即原子组成，原子是不可改变的。化合物由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。接着，意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念，他指出：所有相等体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子，同等体积的气体原子数日虽然不同，但分子数目是一样的。但是在接着的近半个世纪，人们没有重视阿伏加德罗的理论，化学家们根据不同的标准，测得的相对原子量也不同。到了1858年，意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗定律，才能真正解决化学式问题和原子量问题，他的观点得到了人们的赞同，近代的原子-分子论确立了。接着，人们发现了大量的元素并测定了精确的原子量，到1869年，*化学门捷列夫提出元素性质与元素的原子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表，1871年，他又发表了修正的第二张元素周期表。
放射性和电子的发现
十九世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质是否与X射线有关时意外地发现铀能使用黑纸包起来的底片感光，进一步研究后，他得出结论，这是新射线是从铀原子本身发射出的，铀具有放射性。放射性的发现打开了一个巨大的新的研究领域，这不仅使原有的原子观念发生了重要变化，也是人们认识原子核的开始。接着，居里夫妇发现钍、钋、镭等元素也具有放射性，并发现了放射性衰变的定量规律并引入了半衰期的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率进行特定的衰变，有N个原子的元素在一段时间后就会因为衰变而只剩下N/2个，这段时间就叫做该元素的半衰期。由于研究放射性的贡献，贝克勒尔和居里夫妇被共同授予1903年的诺贝尔物理奖。
X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明，阴极射线（真空管内金属电极在通电时其阴极发出的射线）是一种粒子流，其质量只有氢离子的千分之一，汤姆逊将其命名电子，它是电荷的最小单位，比原子更小，是一切化学原子的共同组成部分。电子是从阴极内释放出来的，而这种阴极则是由金属原子组成，可见电子是从原子中放出来的。
卢瑟福的原子模型和原子核
在放射性研究中，人们发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，放射性以α、β或γ射线三种方式释放出来，它们后来被更加具体地加以识别，α射线是高速的氦原子核，带正电；β射线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波称为γ射线（实际上是高能量的质子）。
新西兰物理学家卢瑟福发现：在聚集起来的、电中和了的α粒子中显示出氦的*光谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，也证明了氦元素起源于其他元素。除了少数例外，一种放射性元素或者发射α射线、或者发射β射线，发射α射线的元素变成周期表中居于前两位的元素，其质量减少4，发射β射线的变成周期表中居于下一位的元素，质量不变。伴随着α或β衰变，常常会放射出γ射线，γ射线贯穿力特别强，是一种能量高的电磁辐射，γ射线不会引起元素在周期表上位置的变化，只是释放该元素原子内部过剩的能量。
放射性的发现说明了原子具有复杂的内部结构，也打破了长期以来人们认为原子是永恒不变的观念，因为天然放射性元素的原子就在不断地以一定规律进行变化。但是，能不能使自然界是稳定的元素原子也发生变化？卢瑟福想到，α粒子是从放射性元素的原子是释放出来的，如果将α粒子当作"炮弹"打进稳定元素的原子去，会有什么结果？
1910年，卢瑟福与其他科学家合作进行了α粒子在金和其他金属薄膜中的散射试验。根据试验的结果，卢瑟福建立了原子的有核模型：原子的正电荷和质量集中在原子中心一个很小的区域内，并把它叫做原子核，原子中的电子像行星绕着太阳那样绕着原子核运动，原子中的空间也像太阳系中的空间一样，绝大部分是空荡荡的。由于原子表现出电中性，原子核一定是带正电的，其带电量与核外电子所带负电量一样。
1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核，也是最轻的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将它命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的半径约为10-14米，大约只有原子半径的万分之一。原子的绝大部分质量集中在如此小的原子核内，因此核内物质的密度极高，它比通常物质的密度大约高出1012倍，1立方厘米的核物质将有约千吨重的量级。
1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，但是，这种元素的嬗变暂还没的衫价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。
卢瑟福在实验基础上建立了原子的核模型，提示了原子核这一物质更深层次的存在，他和他直接或间接指导过的许多世界各地的物理学家形成了一个大的学派，一切从实际出发了几十年原子核物理研究和核技术应用的兴旺发达局面。他是原子核物理的开拓者，也是探索原子核奥秘的带头人。
中子的发现
发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的。但卢瑟福的学生莫塞莱注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子核光由质子和电子组成，它的质量是不够的，因为电子的质量可忽略不计。在此基础上，卢瑟福早在1920年就猜测可能还有一种电中性的粒子。
卢瑟福的另一位学生--英国物理学家查德威克在卡文迪什实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速方法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他准备对铍原子进行轰击。
与此同时，德国物理学家博特及其学生贝克尔已经先行一步。他们共同合作用α粒子轰击一系列元素，在对铍元原子核进行轰击实验时，发现有一种未知辐射产生。为了确定这种辐射的一些性质，他们试着把各种物体放在辐射经过的路途上，结果发现这种辐射的贯穿能力极强，能穿透几厘米厚的铅板。当时知道，能有这样强辐射能力的只有γ射线。因此，他们认为这种辐射是γ射线的一种。
1931年，法国物理学家居里夫妇用当时最强大的放射性钋Po源所产生的α射线重复了博特-贝克尔的实验，研究了用α粒子轰击铍时发生的"铍辐射"，除了得到与博特-贝克尔相同的结果外，他们还惊奇地发现，这种辐射能将含氢物质中的质子击出。人们从未发现γ射线具有这种性质，但居里夫妇想不出这种辐射还能是什么别的东西。他们仅仅报道说，发现α射线能够产生一种新的作用。
1932年这些结果公布后，见到德国和法国同行的实验结果，查德威克意识到，这种新射线可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立即利用实验室的优越条件重复了同样的实验，证明所谓"铍辐射"是电中性的粒子流，而且这种粒子具有几乎与质子相等的质量。不到一个月，查德威克就发表了《中子可能存在》的论文，他指出，γ射线没有质量，根本不可能将质子从原子核是撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能，他并且测量了中子的质量，确证了中子确实是电中性的。
电子的发现
上个世纪中随着加速器技术的不断进步，“基本”粒子像大雨一般倾泻而下，然后再被理论和实验证明为“不基本”而逐一排除。在这之中有一个异类，它是最早被人们所认识的亚原子粒子，但自从它被发现以来，就一直坐在“基本粒子”的宝座上，一百多年来都未被撼动。这个基本粒子家族中的辈分最高者就是电子。
尽管电子的发现是在1897年，但做好这个发现的准备用了可以说将近一个世纪。1811年阿伏伽德罗提出阿伏伽德罗假说：同温同压同体积的气体含有同样多的分子。这位老兄比较悲惨，他死于1956年，但他的假说直到1960年才被普遍接受，假说才被换成“定律”。科学史上这种死后才被平反的例子举不胜举，同样比较惨的还有数学天才伽洛瓦，二十岁尝遍人间艰辛，死于决斗，死后十四年成果才被发表。波动光学的提出者惠更斯在有生之年都被牛顿打压，直到死后四十年他的成果才被承认……大家感兴趣可以google一下。
在1833年，阿氏定律仍是假说时，法拉第提出了电解定律，说1摩尔任何原子的单价离子带的总电量相同。如果把这个结果和阿氏假说结合起来就可以推测到电荷一定存在最小单位。但是这个结合一直没有人敢做——都是“假说”这两个字害的。直到阿氏定律被平反之后的1874年，斯通尼才走出了这一步，并结合实验结果推出了这一基本电荷电量的近似值，并于1881年正式将其命名为“电子”。
看见了吧，电子的名字都有了，但人们却连它的影子还没看到。也许你不会相信，在19世纪末，人们在原子是否存在这个问题上还存在相当程度的争执。所以人们对物质基本结构的观念基本上还是一片空白，根本没有预料到电子的发现会在什么场合，什么现象中，它和原子又有什么样的关系。
现在虽然人们普遍承认电子是由汤姆孙在1897年发现的，但事实上在他之前有不止一个人做过类似的实验。我们来看看究竟是什么不同让汤姆孙最终获得了这个荣誉。
这几个人做的实验都是关于阴极射线的。所以在说发现电子的实验之前我们需要先看看什么是阴极射线。阴极射线顾名思义是阴极放出来的射线。我们现在知道它实际上就是电子束。阴极射线是怎样产生的呢？学过高中物理的同学都知道光电效应，也知道光电流的产生，即电子脱离金属表面，需要光子提供一个溢出功。这个溢出功当然不是只有光子才能提供，任何来源的能量都是一样的。所以我们可以将金属加温，让其温度变得很高，高温相当于粒子热运动加剧，电子热运动动能足够大时同样可以从金属表面溢出。这时我们再以这块金属作为阴极（负极），在相距一定距离的地方设一个正极，溢出金属表面的电子就可以在电场作用下向阳极运动，形成电子束即阴极射线。
在汤姆孙实验之前，克鲁克斯已经提出阴极射线是由带负电的微粒组成的，因而汤姆孙就能够在这个观点的指引下直接去测这种微粒的电荷、质量，而不用费脑筋再去考虑阴极射线的本质。这一点其实是很关键的，我下边会提到。
汤姆孙实验的原理其实很简单，电子在与其运动方向垂直的电场中会偏转，实验中表现为阴极射线的的打在与其正对的荧光屏上的点会偏移。由其偏移的方向可以判断出阴极射线带负电。再加上一个和电场方向相反的磁场，电子受的洛仑兹力与电场力反向，当光点偏移为零时说明二力相等。从两个力的比值可以求得电子的电荷和质量之比。汤姆孙在这些数据的基础上，宣布了电子的存在。
做类似实验的两个人，其中之一就是大名鼎鼎的赫兹。麦克斯韦的电磁理论在他有生之年一直未被承认（哦，这又是死后平反的一个例子，上面忘了说了），直到死后八年才被赫兹的电磁波实验证实。麦克斯韦方程组是很伟大的，证实它的实验也同样伟大，而且赫兹还有幸发现了光电效应。但很可惜上帝没能再多给他一个荣誉。科学研究有所谓“嗅觉”一说，大意就是你能不能找到正确的方向。爱因斯坦很是鼓吹这个，同样的好像还有杨振宁。但我不知道在一定意义上成者王侯败者寇的科学史上，这种所谓“嗅觉”是不是运气成分居多，毕竟爱因斯坦的“嗅觉”在他后半生可是没起什么好作用（关于统一场论，我以后会细说）。
赫兹做的实验从原理上说和汤姆孙一样，都是在阴极射线垂直方向加电场，又比汤姆孙早了好几年，按理说是占据先机的，但却得到了错误的结果。原因嘛，不能免俗，分为主观和客观。客观上有一个很致命的原因，就是赫兹做实验的时候真空技术还不够火候，残余空气分子电离，将外加的静电场的抵消了，结果是阴极射线的荧光轨迹看起来根本不偏转，于是赫兹认为阴极射线不带电。主观原因恰恰出在赫兹最出名的成果——电磁波上。赫兹坚持认为阴极射线是一种电磁波，这个无偏转的实验进一步证实了他的看法，于是他在剩下的日子里一直守住这个观点不放。赫兹的“嗅觉”在这上面出了问题。而汤姆孙从一开始就倾向于相信阴极射线是由微粒组成，这在一定程度上导致了他的最终成功。
与赫兹相比，更倒霉的是德国的考夫曼。他也做了类似的实验，时间同样是在1897年。但他测得的电子电荷质量比远比汤姆孙的精确，与现代值仅相差百分之一，他甚至还得到了这个比值随电子速度变化而变化的结果，这不是别的，正是爱因斯坦的狭义相对论效应，而这时离狭义相对论诞生还有八年！考夫曼本应由于这个实验扬名立万的，但他纯粹是由于自己的偏见——认为阴极射线不可能是粒子，而不敢发表自己的成果，一直压到1901年才发表。这样一来，我们可以看到汤姆孙从一开始就相信阴极射线是由粒子组成是多么重要了吧。
关于电子发现的历史暂且先说到这里。最后说几个关于电子的稍微现代一点的事实。电子发现得最早，而且是最适宜研究的基本粒子。看一下上一章里列出的所有基本粒子，电子比其他的轻子寿命长的多（一个“多”字太苍白了，如同属轻子的μ子寿命在10的负6次方秒，而电子根本不衰变），比中微子容易和其他粒子作用（一个中微子可以轻松地穿过1000光年厚的铅版），相比其他如夸克（由于色禁闭不能直接观测）、W、Z什么见都见不着的，实在是再理想不过的观测对象了。但时至今日，仍未发现电子有任何内部结构，依然是纯粹的点。尽管近年来实验观测到电子周围有由于真空极化机制（以后会说）产生的虚粒子“气”，但显然这不能算作电子自身的结构。
另外，我们认为电子的电量和质子的电量是相等的，但这完全是基于实验结果的一个假定（目前精确到10的负21次方），并没有更深层的理论可以导出这一点。
最后，电子的质量由于相对论效应随着运动速度的增大而增大，但电子的电荷却是严格不变的，其中有什么原理现在还不得而知。
参考资料：http://www.westmama.com/bbs/thread-10866-1-1.html
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时间：2天前
1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型，这个模型得到玻尔的支持和发展，很快得到物理学家们的公认。此后，一系列问题又摆在物理学家们的面前：原子核是由什么构成的？原子核还有没有结构、能不能再分？
1919年，卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子，第一次实现了原子核的人工嬗变。当时人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子，这样在本世纪20年代，人们普遍认为，原子核是由质子和电子组成的，并假定，原子量为N、原子序数为Z的核应由N个质子、N—Z个电子组成的，这个原子核又与Z个轨道电子组成中性原子，这就是原子核的“质子—电子”模型。但这个假说却遇到了一定的困难。困难之一：电子究竟以什么状态在原子核内。在“质子—电子”模型假设中，电子是以个体方式在核内存在的，原子核的半径估计为 ，当N=238时R约为8.7 厘米，而电子的经典半径是2.8 厘米，作为个体部分的电子竟与核的整体几乎相差无几！这是不可想象的；困难之二：根据海森堡1927年提出的测不准原理，把电子束缚在很小的核内，它的动量将有很大的不确定性，因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒；困难之三：它与量子力学中的多体统计与自旋理论相矛盾。1925年，乌伦贝克和古德斯密特根据光谱提出，电子具有自旋，它的量子数等于1/2，质子的量子数也等于1/2，这样对氮核来说，由于它有14个质子和7个电子，因而这些粒子的总自旋数应取分数值，然而实验表明，氮原子核的自旋等于1。对于后两个困难，不少著名物理学家怀疑是量子力学不适用于原子核内部，而丝毫不怀疑“质子—电子”模型本身存在问题。
查德威克发现中子
约里奥·居里夫妇的论文传到英国，英国物理学家查德威克看了他们的论文并把论文的内容告诉了卢瑟福。据说卢瑟福听了他们的解释时大声喊道：“我不相信”， 查德威克也不相信这种解释，他经过一番思考，随即意识到：反冲质子有这么大的能量绝不可能是光子碰撞的结果，而很可能是十年前卢瑟福所预言的“中性粒子”碰撞所致。他用钋加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素，结果发现这种射线的性质与通常的射线有所不同，通常的射线照射到物质上，物质密度越大，对射线吸收的就越厉害。而这种射线的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。查德威克用这种射线去轰击氢原子时发现，氢原子核被弹射出去，这说明这种射线是具有一定质量的粒子流。由于这种粒子流不带电，电场和磁场对它不起作用，所以不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量。查德威克认为，这种粒子穿过物质时它将与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而把能量传递给原子核，使被碰撞的原子核运动，测出被碰原子核的速度，就可根据动量守恒和能量守恒把这种粒子的质量算出来。通过对氢原子和氮原子的轰击，他算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等，他把这种射线的粒子称为“中子”
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时间：2天前
:质子是卢瑟福发现的。当年卢瑟福是用这种方法发现质子的：阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将之命名为质子。 但是也许如果不是在这个实验中发现，可能也会用别的途径发现质子。
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时间：2天前
原子核是什么时候发明的，物理学家将原子核拆开后，发现了这个
