卢瑟福实验说明了什么
作者:姬扬
在道尔顿、布朗、爱因斯坦、佩兰的共同努力下,人类已经达成了共识:原子是切实存在的。
但道尔顿的现代原子论里提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是构成物质的最小单元吗?原子里面还能不能继续拆分?
解决这一问题的,是三代师生,约瑟夫·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、詹姆斯·查德威克。
![](https://p0.ssl.img.360kuai.com/t01d9058d920f03e0fd.jpg)
葡萄干布丁模型——拨开原子的第一层面纱
最早打开原子内部结构的科学家,是汤姆森。
汤姆森在研究β射线的时候,发现β射线是由一种带负电粒子构成的,这种粒子被称作电子。
汤姆森认为,在每个原子里面应该都有这样的电子。而且,汤姆森还提出了他的葡萄干布丁原子模型:每个原子就像是一个葡萄干布丁,正电荷和布丁一样,均匀分布在整个原子里,带负电荷的电子,和葡萄干一样,撒在布丁上。
虽然在教科书上对这个模型的评价并不高,只是一带而过,但这个模型自有它的重要意义,它说明了一点,原子是可以继续拆分的。而继续拆分的任务,就交给了他的学生——卢瑟福。
“炼金术士”卢瑟福的原子模型
1901年,卢瑟福在研究放射性元素“钍”的时候,发现钍元素能够向外释放出α射线,更另人惊讶的是,在衰变之后,钍元素变成了另一种元素。
一种元素能够转变成另一种元素,过去这件事只存在于炼金术士的幻想中,现在卢瑟福竟然证实了,这一重大的发现,让卢瑟福获得了1908年的诺贝尔化学奖。
顺便提一下,卢瑟福拿到诺贝尔化学奖之后并不高兴。他觉得自己明明是个物理学家,怎么都应该拿诺贝尔物理学奖。
但诺奖对卢瑟福来说并不重要,他通过对放射性元素的研究,认定了一件事:放射性元素释放出来的能量,来自于原子内部。当时,包括居里夫人在内的很多人都认为,放射性物质的能量是从外部吸收来的。所以,卢瑟福认为居里夫人对放射性还不够了解。
如果原子内部能够放出各种各样的射线,这又指向了一件事情:原子还可以继续往下拆。
那原子里面到底有什么呢?于是,卢瑟福开始用α粒子,对原子发动了轰击。这就是著名的“金箔实验”。
1908年,卢瑟福在助手盖革的帮助下,一起用α粒子继续轰击金箔。他们发现,α粒子在透过金箔的时候,大部分粒子都是直直地穿过,而很少一部分粒子发生了偏移,卢瑟福称之为散射,而还有极少数粒子,发生了非常大的偏移。
异常现象背后一定有原因,卢瑟福就把研究重点放在这些偏转很大的粒子身上,他甚至让助手去找,有没有被反弹回来的α粒子。虽然卢瑟福本人没抱什么希望,可助手竟然真的发现了,有非常非常少的粒子,被直直地反弹回来了。
用卢瑟福自己的话来说,这就像你拿一门炮去轰一片纸巾,结果炮弹竟然被纸巾弹回来了。这些被弹回的粒子,就犹如一发炮弹,击中了卢瑟福的想象力。
当时,卢瑟福已经知道了,α粒子是带有正电荷的,如果发生了这么大幅度的偏转,一种可能是,它们受到了非常大大的电磁力作用。被弹回的粒子,应该是直直撞上了这个电荷集中的地方,这个地方就是原子核。
根据推算,原子核应该非常非常小,就像鸟巢体育馆当中放了一个网球。
可是按照他老师汤姆森的葡萄干布丁模型,原子里的正电荷应该是均匀分布的,不应该有哪个地方存在这么集中的正电荷。难道老师之前说的一直是错的?
卢瑟福是一个极其严谨的人,他并没有急着公开自己的发现。他花了将近4年时间,确认了大量的数据,再确认万无一失之后,在1911年,卢瑟福模型首次公布了。
卢瑟福认为:原子不是坚不可摧的,原子中间是一个极小的带正电的原子核,外面是绕着它高速旋转的电子。
眼下,卢瑟福还有更重要的事情要做,他需要搞清楚原子核里头到底是什么。
卢瑟福继续用他钟爱的α粒子轰击其他原子。在轰击氮原子的时候,卢瑟福发现了一个现象,α粒子和氮原子碰撞的时候,会出现氢原子核,也就是后来的质子。
能撞出氢原子核,这说明了一个问题,氢原子核可能是氮原子核的组成成分。而且,氢原子核的质量非常轻,其他原子核的质量都是它的整数倍,有没有可能,氢原子核是所有原子核的组成成分?
如果是这样,这又会是一个重大的发现。
1920年,卢瑟福公布了他的发现:氢原子核是构成所有原子核的基本单元。他给这个基本单元起了一个名字,质子[1]。
但卢瑟福依然保持了自己的谨慎态度,在公布这个发现之后,他到找另一位物理学家帕特里克·布莱克特利一起做更多的研究,验证自己的猜想。
在观察了23000张照片上的40多万条轨迹之后,他们在其中找到了8条特殊的轨迹。再一次,从异常情况中,卢瑟福做出了重大发现,这8条轨迹能够说明,氢原子核确实是构成其他元素原子核的成分(这8条轨迹表示,氮原子核α粒子碰撞后形成了极其不稳定的氟原子,之后,衰变成了一个氧原子核一个氢原子核)。
由此,原子核里最重要的一种粒子被发现了。
小居里夫妇与中子擦肩而过
卢瑟福发现质子之后,跟他的助手查德威克又发现了一个神奇的现象。
氮原子的原子核重量是大致是氢原子核的14倍(大约跟14个质子重量相当),而电子只有7个,如果原子核里只有质子,那氮原子应该带电才对,这不太可能。于是,卢瑟福推测,原子核内应该还有一种不带电的中性粒子,重量跟质子差不多。
这个中性粒子,就是中子。但到目前为止,这只是一个推测,卢瑟福并没有直接证据证明中子存在。
最先发现这个证据的,是德国两位科学家Walther Bothe和Herbert Becker。
1930年,他们用α粒子轰击锂、铍、硼等元素,轰击完之后,发现了一种奇怪的射线。这种射线能量很高,而且不带电,他们认为,这应该是γ射线(一种电磁波辐射)[2]。
有些材料上说,最早发现中子证据的,是居里夫人的女儿和女婿,即小居里夫妇,但并不是。不过,小居里夫妇确实很快就投入到了对这种射线的研究中,他们利用这种辐射轰击其他物质,得到了非常高能的质子[3]。
可惜的是,他们并没有怀疑这种射线本身到底是不是γ射线。所以,他们确实和中子,以及一块诺贝尔奖奖牌擦肩而过。
卢瑟福的助手查德威克倒是敏锐的意识到了,这种射线根本就不是什么γ射线,应该就是卢瑟福预言的中子。于是,查德威克赶紧重复了实验,并且证明了,射线是由一种不带电,而且质量和质子非常接近的小粒子构成,证实了中子的存在。因为这个发现,查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。
顺便提一句,另一位叫劳伦斯的科学家,也发现Walther Bothe和小居里夫妇的解释有问题,同样投入研究,但还是慢了查德威克一步,但劳伦斯后面在后面因为另一项研究,对人类开发核能做出了极其重大的贡献,也拿回了属于自己的诺贝尔奖。在后面我们还会提到他。
至此,人们不光发现原子核内的质子、中子,而且,也知道了通过改变原子核的组成,一种物质能够转变为另一种物质。
接下来,人们要开始将手伸进原子核内部了,摘取原子核内的能量果实。
参考文献:
[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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印魏些2353卢瑟福的α粒子散射实验说明了( )A.原子的核式结构B.原子能级的存在C.电子的存在D.原子核具有放 -
查斌董18128417045 ______ a粒子散射实验现象为:绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进,但有少数α粒子发生了较大的偏转,并有极少数α粒子的偏转超过90°,有的甚至几乎达到180°而被反弹回来.卢瑟福根据该实验现象提出了原子核式结构模型:原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里,带负电的电子在核外空间里绕着核旋转,但不能说明电子的存在,也不能说明原子能级的存在,及原子核具有放射性,故BCD错误,A正确. 故选:A.
印魏些2353卢瑟福的α粒子散射实验的现象证明了什么是错的 -
查斌董18128417045 ______[答案] 1911年卢瑟福提出原子的有核模型(又称原子的核式结构模型),与正电荷联系的质量集中在中心形成原子核,电子绕着核在核外运动,由此导出α粒子散射公式,说明了α粒子的大角散射.卢瑟福的散射实验证明了汤姆森关于原子模型的错误.
印魏些2353卢瑟福在测定原子构成时做的实验的结论是什么? -
查斌董18128417045 ______ 因为大多数氦核通过了金箔,就可以看出金箔的结构中有很多空隙,从而证明了原子核体积很小,而使少部分氦核发生偏转或被弹回
印魏些2353关于卢瑟福的α粒子轰击金箔的实验?这个用带正电的α粒子轰击金箔实验中粒子出现三种情况,分别说明了什么? -
查斌董18128417045 ______[答案] 括号里是试验后得出的结论(即说明了什么) 1.大多数α粒子能穿过金箔且不改变原来的前进方向(原子核很小,原子核外有很大空间) 2.有一小部分改变了原来的方向(原子核带正电) 3.有极少数的α粒子被反弹回来(原子核很小,金原子质量比α...
印魏些23531911年,卢瑟福做的α粒子试验受到轰击的原子是不是发生化学变化?(详细解释)是原子核发生变化了吗? -
查斌董18128417045 ______[答案] 结果:大多数散射角很小,约1/8000散射大于90°; 极个别的散射角等于180°. 结论:正电荷集中在原子中心. 卢瑟福从1909年起做了著名的α粒子散射实验,实验的目的是想证实汤姆孙原子模型的正确性,实验结果却成了否定汤姆孙原子模型的有力...
印魏些2353怎样解释卢瑟福的α粒子散射实验 -
查斌董18128417045 ______ 绝大部分粒子不改变方向,说明金原子内有大量空间,极少部分粒子发生大角度偏转,甚至被弹回,说明正电荷与大部分质量集中在很小的范围内
印魏些2353下列说法正确的是( )A.卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子核有复杂的结构B.天然放射现象的发现揭示 -
查斌董18128417045 ______ A、卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子具有核式结构.故A错误;B、天然放射现象的发现揭示了原子核有复杂的结构,故B正确;C、玻尔的原子结构理论是在卢瑟福的核式结构学说基础上引进了量子理论,提出量子化模型,故C正确;D、α射线是氦核流,不是电磁波.β射线是电子流,不是电磁波.γ射线是电磁波,故D错误;故选:BC.
印魏些2353下列说法正确的是( ) -
查斌董18128417045 ______[选项] A. 卢瑟福α粒子散射实验说明了原子核内部具有复杂结构 B. 普朗克的能量子假说是对经典思想与观念的一次突破 C. 汤姆逊发现电子使人们认识到原子本身也具有结构 D. 贝克勒尔对天然放射现象的发现开启了人类研究原子核结构的序幕E. 玻尔原子理论成功的解释了氢原子、氦原子光谱实验规律
印魏些2353物理3 - 5 辨析题请帮忙说明理由 1 卢瑟福的α粒子散射实验揭示了原子核具有复杂的结构2 在实验中观察到的现象是绝大多数α粒子穿过金箔后,仍沿原来方... -
查斌董18128417045 ______[答案] 第一个错误,他的实验提出了原子核式结构,并没有揭示原子核内部的情况.第二个式正确的,因为a粒子带正电.第三个式错误的,电子动能增加,因为距离原子核远,速度大.第四个式正确的,从低轨道跃迁到高轨道需要吸收能量去提...