现代自然科学

龙凤园创 2018-01-09

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1.三种放射线

1895年，在伦琴发现X射线的那一年，年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国，到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。一开始，他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后，在汤姆逊的建议下，卢瑟福立即转而研究放射线。卢瑟福把铀装在铅罐里，罐上只留一个小孔，铀的射线只能由小孔放出来，成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线，结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住，他把它叫做“软”射线；另一类射线则穿透性极强，几十厘米厚的铝板也不能完全挡住，他把它叫做“硬”射线。

正在这时候，居里夫妇发现了镭，并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下，射线分成两束。其中一束不被磁场偏转，仍然沿直线进行，就像X射线那样；另一束在磁场的作用下弯曲了，就像阴极射线一样。

用磁场研究射线，在卡文迪许实验室里可是拿手好戏，实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国，卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀（这时他手中还没有新发现的镭）的射线。结果，铀的射线被分开了，不是两股，而是三股。新发现的一股略有弯曲，卢瑟福把它叫做α（阿耳法）射线；那一股弯曲得很厉害的叫做β（贝他）射线；不被磁场弯曲的那一股叫做γ（伽玛）射线。

卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是：

α射线的穿透本领最差，它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母，一张0.05毫米的铝箔，一张普通纸都能把它挡住。

β射线的穿透本领比α射线强一些，能穿透几毫米厚的铝片。

γ射线的穿透本领极强，1.3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。

2.卢瑟福的α 粒子散射试验

实验用准直的α射线轰击厚度为微米的金箔，发现绝大多数的α粒子都照直穿过薄金箔，偏转很小，但有少数α粒子发生角度比汤姆森模型所预言的大得多的偏转，大约有1/8000 的α粒子偏转角大于90°，甚至观察到偏转角等于150°的散射，称大角散射，更无法用汤姆森模型说明。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。卢瑟福的散射公式后来被盖革和马斯登改进了的实验系统地验证。根据大角散射的数据可得出原子核的半径上限为10-14米，此实验开创了原子结构研究的先河。这个实验推翻了J.J.汤姆森在1903年提出的原子的葡萄干圆面包模型，认为原子的正电荷和质量联系在一起均匀连续分布于原子范围，电子镶嵌在其中，可以在其平衡位置作微小振动，为建立现代原子核理论打下了基础。

3.质子发现：

线索：He2 的发现

放射性物质的三种射线，一种是纯粹的电，一种是纯粹的能量，只有剩下的一种，是实实在在的物质——氦气。

当未变成氦气的带有正电的射线去撞击金箔时，它穿过去了，或许原子之内还有虚空。有一部分转向了，或许金箔之内有扭转的力。

卢瑟福被公认为质子的发现人。1918年他任卡文迪许实验室主任时，用α粒子轰击氮原子核，注意到在使用α粒子轰击氮气时他的闪光探测器（卢瑟福α粒子大角度散射实验采用ZnS(Ag)屏）纪录到氢核的迹象。质子命名为proton，这个单词是由希腊文中的“第一”演化而来的。卢瑟福认识到这些氢核唯一可能的来源是氮原子，因此氮原子必须含有氢核。他因此建议原子序数为1的氢原子核是一个基本粒子。在此之前尤金·戈尔德斯坦（Eugene Goldstein）就已经注意到阳极射线是由正离子组成的。但他没有能够分析这些离子的成分。卢瑟福发现质子以后，又预言了不带电的中子存在。卢瑟福说，“根据计算，原子核还应该有另外一种微粒存在。并且，这种微粒不带电，它几乎和质子质量一样，由一个电子和一个质子构成，并存在于原子核中。”

4.中子发现：

1932年，伊伦·约里奥-居里和约里奥-居里发现如果使铍射线（α粒子轰击铍放出的射线）通过石蜡板，则其电离作用大大增加。这种效应的产生是由于铍射线由石蜡中击出质子所致。铍射线从石蜡中击出的质子，在空气中的射程为40厘米，大约相当于5兆电子伏特的能量。若假定质子是由于与γ光子作用，发生弹性碰撞而被加速，则γ光子应该具有大约55兆电子伏特的能量，此值比由铅吸收得到的7兆电子伏特大很多。55兆电子伏特这个值也不与根据反应式中的质量亏损相符合。由4Be4，2He4、6C13的原子量和轰击的α粒子的能量，能够求出按反应式进行过程对应的质量亏损等于0.01665原子量单位（相当于15.5兆电子伏特的能量）。由此可见，γ光子的能量不可能超过15.5（兆电子伏特）。查德威克证明，如果假设铍在α粒子轰击下发射出的辐射是由中性的、质量接近于质子的粒子组成的，便圆满地解释了这一放射现象，其反应式为

4Be9+2He4→(6C13)→6C12+0n1

因为中子不带电，所以它从原子和分子的近傍飞过时同它们的相互作用很弱，这就是它的电离本领极小，而穿透本领很强的原因。中子与原子核之间的碰撞，与弹性球之间的碰撞相同，遵守能量守恒和动量守恒定律。利用此二定律可得出对心碰撞时，反冲核的速度为

式中的v′为反冲核速度，v为中子的初速度，Mn为中子的质量，M为反冲核的质量。在中子速度相同的情况下，质量为M1和M2的两个不同的反冲核的速度v′1和v′2之比为

由此式便可求出中子的质量Mn。由各对不同的核得到相同的中子质量Mn这件事实，证实了查德威克假设：铍的辐射不是光子，而是质量Mn=1.00893的中子。

5.正电子的发现：

正电子虽然有了理论预言，但在实验上还未发现。19世纪30年代的科学界不轻易承认新粒子的存在。而是认为带正电的粒子只有质子，所以有人认为狄拉克方程中所出现的带正电的粒子很可能就是质子，不然为什么在实验上没有发现呢？这个想法包括狄拉克本人也曾有过。

1932年狄拉克的预言很快被实验证实了，那是美国物理学家安德森（1905—1991）在研究宇宙射线在磁场中的偏转情况时发现的。当时，他正同密立根（基本电荷的测定者）一起研究宇宙线是电磁辐射还是粒子的问题。那时大多数人同意康普顿的论证，认为宇宙射线是带电粒子，密立根对此很不满意。安德森于是想弄清楚进入云室的宇宙射线在强磁场作用下会不会转弯。他在云室中拍摄了一张照片，这张照片使他一夜没合眼。他发现，宇宙射线进入云室穿过铅板后，轨迹确实发生了弯曲，而且，在高能宇宙射线穿过铅板时，有一个粒子的轨迹和电子的轨迹完全一样，但是弯曲的方向却“错”了。这就是说，这种前所未知的粒子与电子的质量相同，但电荷却相反，而这恰好是狄拉克所预言的正电子。当时安德森并不知道狄拉克的预言，他把所发现的粒子叫做“正电子”。第二年，安德森又用γ射线轰击方法产生了正电子，从而从实验上完全证实了正电子的存在。从此以后，正电子便正式列入了基本粒子的行列。

6.强子：

强子就是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有六种，它们是：顶夸克、上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。其中理论预言顶夸克的存在，2007年1月30日发现于美国费米实验室。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。(另外还发现反物质，有著名的反夸克，现已被发现且正在研究其利用方法，由此我们推测，甚至可能存在反地球，反宇宙)奇怪的是夸克中有些竟然比质子还重，这一问题还有待研究。