育则维善余言 / 科技发展史 / 探索比原子更小的世界

0 0

   

探索比原子更小的世界

2019-05-31  育则维善...

对于一名研究人员而言,如果能够在对的时间,出现在对的地方,进行对的研究,那将是莫大的幸运。欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)就是这么一位传奇的物理学家。

1871年8月30日,卢瑟福出生于新西兰的尼尔森,在一个有7个儿子和5个女儿的家庭里,他是第4个孩子,也是第2个儿子。卢瑟福在公立学校接受了他的早期教育。1889年,他获得大学奖学金,进入新西兰惠灵顿大学。1893年,他以数学和物理科学双学士学位毕业,毕业之后,他继续在大学里作为研究人员工作了一小段时间。1894年,他获得奖学金,得以前往剑桥大学三一学院学习,在约瑟夫·约翰·汤姆森(J.J. Thomson)的指导下,他在卡文迪什实验室从事研究工作。

就在他到达英国不久之后,科学界便宣布了几个重要的发现:X射线放射性电子。当时的卢瑟福坚信,自然界中存在着比原子还小的物体。于是,他将研究重心转向了对放射性的理解。

卢瑟福的才能很快得到汤姆森的赏识。在卡文迪什实验室初期,他发明了一种电磁波探测器。通过与汤姆森一起,他们研究了离子在被X射线处理过的气体中的行为,到了1897年,他研究了离子的迁移率与电场强度之间的关系,还研究了一些相关课题,比如光电效应等。1898年,他报告了铀辐射中存在αβ射线,并指明了它们的一些性质。

同年,由于加拿大麦吉尔大学的麦克唐纳物理系主任一职空缺,他得到了担任这一职务的机会。在那里,他取得了几项开创性的成果,这包括:

  • 发现了氡(Rn)

  • 证明了放射现象只是某些元素的自然嬗变,

  • 证实了α粒子可以在电场和磁场中发生偏转,

  • 确定了矿物的年代,计算出了地球的年龄

1900年,牛津大学的化学家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy)来到麦吉尔大学,他与卢瑟福一起合作,共同创立了放射性的“衰变理论”,他们认为放射性现象是一种原子过程,而不是分子过程。这一理论得到了大量实验证据的支持,大量新的放射性物质相继被发现。

在曼彻斯特的日子

1907年,卢瑟福返回英国,成为曼彻斯特大学的物理教授。在那里,他开始继续跟进麦吉尔大学的实验。他注意到当一束α粒子穿过空气或一层薄薄的云母片时,就会变得模糊,其散射角度大约为2°,这表明存在强度为100MV/cm的电场。因此卢瑟福断定,原子内一定有很强的电场存在。

在曼彻斯特,卢瑟福有了一个助手汉斯·盖格(Hans Geiger)。盖格精确地测量了这些以小角度从金箔散射的α粒子的数量。1909年,在卢瑟福的指导下,盖格和一名当时年仅20岁的本科生欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden)对一个新课题展开了研究。卢瑟福让他们通过实验来研究α粒子是否会从金属块上散射。很快,马斯登便发现α粒子的确是会散射的,而且哪怕使用的不是金属块,只是一片金箔片,也会出现到这种现象。这完全出乎他们的意料。

之后,卢瑟福终于想通了原子的结构,他提出了“原子核”的概念,他认为在原子的中心,有一个只占据了原子千分之一大小的核结构。这是他对物理学的最大贡献。在他的理论中,原子核基本上构成了整个原子的质量,并且原子的所有正电荷都集中在中心的一小块空间里。

1912年尼尔斯·玻尔(Niels Bohr)加入了卢瑟福在曼彻斯特的研究团队,他将卢瑟福的核结构与马克斯·普朗克(Max Planck)量子理论相结合,得到了一个原子结构的理论,在后来得到改进之后,这个理论沿用至今。

在1913年前后,卢瑟福要求马斯登用α粒子和轻原子(尤其是氢原子)来玩“弹珠”游戏。经典计算表明,当一个α粒子与一个氢原子核正面碰撞时,会导致氢以1.6倍的速度反冲,其反冲范围是击中它的α粒子的4倍。质量较小、电荷较少的氢的反冲可以通过探测屏幕上较轻微的闪光而被观测到,屏幕所在的位置远远大于α粒子的传播范围。

马斯登将它观测到的这种长射程的粒子命名为“H”粒子,它们是从氢气和富含氢的材料薄膜(如固体石蜡)中产生的。他还注意到,α粒子在空气中运动也可以产生这种长射程的H粒子。但他不知道它们具体是如何产生的,有人提出可能是气体中的水蒸气、仪器中吸收的水,甚至有可能是α粒子源产生的辐射。

到了1914年中,他们的合作接近了尾声。在接受新西兰的一份工作之前,马斯登完整地写下了他在这段时期所作的研究工作。与此同时,卢瑟福起航前往加拿大和美国进行演讲,在返回到曼彻斯特的三天之前,欧洲宣战了。

原子衰变

1915年1月,卢瑟福终于通过北大西洋的U型潜艇回到了曼彻斯特。那时,曼彻斯特已经完全变成了另一个世界,年轻人都去打仗了。为了帮助海军部,卢瑟福将他的研究转向了另一个问题:如何在水下探测潜水艇。这是当时在战争中的一个亟待破解的问题,他将定向水听器用在了舰队的船只上。

直到1917年,卢瑟福才重新回到他原本的科学研究上,继续研究α粒子从轻原子散射的问题。他研究了长射程氢粒子在几种介质中的反冲。他发现当空气或氮气存在时,这些“反冲”粒子的数量会增加。他推断α粒子进入了氮原子的原子核,释放出一个氢原子核。这标志着一个新的发现:氢原子核是较大原子核的组成部分。后来,卢瑟福为它们取名为质子

1919年,卢瑟福收到了剑桥大学的邀请,成为了卡文迪什实验室的物理学教授。由于1917年的研究结果被推迟到战后才发表,因此在1919年,卢瑟福发表了四篇关于轻原子的论文。在第四篇文章《氮的异常效应》中,他写道:“我们必须得出这样的结论:氮原子衰变了……摆脱束缚的氢原子构成了氮原子核的组成部分。”

1920年,卢瑟福首次提议要从稳定的α离子和H离子中构建原子。他还提出一定存在有质量但无电荷的粒子(中子),这样才能解释同位素的存在。在威尔逊云室里,他观察到α粒子在其传播范围的尽头会出现分叉的轨迹。一名日本的访问学者Takeo Shimizu建造了一个全自动的威尔逊云室,他还建造了两台相机,以便以互为直角的角度拍摄它们的轨迹。在Shimizu返回日本后,帕特里克·布莱克特(Patrick Blackett)接手了这个项目,在经过一些修改之后,到1924年时,他已经拍摄了大约23,000张照片,显示了约400,000条轨迹。布莱克特后来写道:“从这些照片从得出的新颖结果是,α被氮原子核捕获,释放出一个氢原子,然后产生一个新的未知的同位素氧¹⁷O。”

1908年,卢瑟福因“对元素衰变和放射性物质化学的研究”而被授予诺贝尔化学奖。在卡文迪什实验室里,他是最激励人心的领导者,他引领了许多后来成为诺贝尔奖得主的科学家走向属于他们自己的伟大成就:查德威克、布莱克特、科克罗夫特和沃尔顿……还有其他一些曾在卡文迪许与他共事过的诺奖得主:G.P.汤姆森、阿普尔顿、鲍威尔和阿斯顿。

他的合著者C.D.埃利斯曾说:“卡文迪什的大多数实验实际上都是在卢瑟福的直接或间接建议下开始的”。虽然对单个α粒子的探测、对原子核结构的发掘,以及对质子的发现没有为他迎来第二次诺贝尔奖,但很少有人会去质疑这位物理学巨匠所作出的巨大贡献。在科学研究中,他一直保持活跃,直到生命的尽头。

编译:二宗主

参考链接:

https://cerncourier.com/rutherford-transmutation-and-the-proton/

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1908/rutherford/biographical/

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多
    喜欢该文的人也喜欢 更多