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本文内容部分来源于第44期《少年时》读物，详情看文末 - 质子的发现 - 在卢瑟福提出他的原子模型后，他想进一步研究，原子中心的原子核里面是什么？遗憾的是，正当人们开始向原子核世界进军的时候，却爆发了第一次世界大战，战火燃遍了整个欧洲！ 战争也影响了整个欧洲科学界——卢瑟福被迫参加了英国海军的研究发展部，致力于潜水艇侦察问题的研究。 1918年大战刚一结束，卢瑟福就立刻投身到了原先的工作中。他继续用α粒子去轰击一些元素的原子核，希望α粒子能进入原子核内部进行“侦察”，以求早日揭开核世界的秘密。第二年，奇迹出现了——当他用α粒子轰击坚硬而微小的氮原子核时，一些极小的物质被“抛”出了，卢瑟福意识到——这些极小的物质似乎是氢原子核！ 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 他做出了这样的推测：不同原子的原子核应该由氢原子核的聚集体构成，这些氢核构成一个基本“核子”，是原子核的基本单元。 卢瑟福将其命名为质子，而氢原子是最简单的原子核，由一个带正电荷的质子组成，与电子的负电荷相反，但是电量相等。 从反应中还可以看到，氮核被α粒子轰击后，能够生成氧的同位素氧17。从此人们不但知道在原子核中的确存在着同氢核一样的粒子—质子，而且通过核反应，人们也能够把一种元素转变成另外一种新元素！ 这的确是核科学史上难以忘怀的一年，卢瑟福成功地实现了人类有史以来第一次人工核反应。通过核反应，人们第一次把一种元素转变成另一种新元素，“炼金术”的梦想终于实现！ 他的实验证明了原子核内部有质子，但是实验中却存在着一些无法解释的现象——原子的质量近似于质子质量的正数倍，因此，根据原子核的电荷量应该能推断出原子核内的质子数。虽然，用这个解释氢原子核非常合适——带有一个正电荷，恰好有一个质子。 但是，对于氦原子就不好解释了。氦原子有两个电子，按理说，核内应该有两个质子，质子与电子的正负电荷才能正好抵消。可问题来了——氦原子和重量是氢原子核的4倍，如果氦原子核由4个质子构成，那多余的两个正电荷是怎么抵消的呢？ 是啊，对于其他更重的原子核就更无法解释了。为了解释实验中存在的矛盾，卢瑟福想到原子核中可能并非只有质子这一唯一的基本成分，在质子之外还有一种电中性的成分——1920年他在一次演说中谈到，既然原子中存在带负电的电子和带正电的质子，为什么不能存在不带电的“中子”呢? 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 最终确认这种新粒子存在的是卢瑟福的一名学生——詹姆斯·查德威克！ - 中子的发现 - 时间来到1930年，德国物理学家博特和贝克用刚发明不久的盖革计数器，发现金属铍在α粒子轰击下，产生一种贯穿性很强的辐射，当时他们认为这是一种高能量的硬γ射线。 1932年居里夫人的女儿和女婿约里奥-居里夫妇重复了这一实验，他们惊奇地发现，这种硬γ射线的能量大大超过了天然放射性物质发射的γ射线的能量。同时他们还发现，用这种射线去轰击石蜡，竟能从石蜡中打出质子来。 约里奥·居里夫妇把这种现象解释为一种康普顿效应。但是打出的质子能量高达5.7MeV，按照康普顿公式，入射的γ射线能量至少应为50MeV，这在理论上是解释不通的。 查德威克把这一情况报告了卢瑟福，卢瑟福听了后很兴奋激动，但他不同意约里奥·居里夫妇的解释。查德威克很快重做了上面的实验，不过比小居里夫妇的要更精巧一些——他用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击石蜡里的氢和氮，结果打出了氢核和氮核。 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 他用仪器测量了被打出的氢核和氮核的速度，并由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的粒子（而且还略微重一些），才能观测到这种现象。 这也排除了γ射线的可能，因为γ射线不具备将从原子中打出质子所需要的动量。 查得威克还用别的物质进行实验，得出的结果都是这种未知粒子的质量与氢核的质量差不多。由于这种粒子不带电，所以叫做中子。 由此，卢瑟福关于中子的预言被证实！后来更精确的实验测出，中子的质量非常接近于质子的质量，只比质子质量重约大千分之一。 - 强相互作用力 - 现在我们知道了，原子核由质子和中子组成，在许多科普书甚至物理书上，我们经常看到把质子和中子画成一堆堆在一起的圆球，和串葡萄似的。 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 但要提醒大家，这种表现方式其实并不准确。量子力学告诉我们，这些粒子实际上是一些波，与所谓的康普顿波长相关联。有人提出粒子是一种空间延伸概念，这个波长与粒子的质量成反比，因此电子的波长可能比质子大1850倍。所以，我们常看到的圆球形状的这类图像就不那么准确了。 形状这个词，本就不适用于量子尺度下的世界——严格来说，原子核是没有确定的边界和形状的，但是由于核子的分布具有中间比较均匀而边界上仅有一较薄的弥散层的特点，我们就可以近似地把它看成一块具有一定大小和形状的核物质，外包一层薄皮（弥散层）。 说回来，虽然说“发现原子核是由质子和中子组成的”是人类在对原子结构的研究中前进的一大步——但仍然有重重悬念没有解开，比如：这些物质究竟是如何粘聚在一起，并且保持稳定的呢？ 这个问题其实很有趣：玩过磁铁的人都知道“同性相斥”的道理——那照理说，原子核内带正电的质子，因为“同性”也会产生互相排斥的静电力。由于静电力的大小强度与距离的平方成反比，质子在原子核中又挨得如此之近，这个斥力应该非常非常大才对。可现实中，这些质子为何又如此“团结”呢？ 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 是靠“强相互作用力”！这是一种非常强大的吸引力，才能确保原子核粘聚在一块儿。不过，这种力的的作用范围很有限，只能在很短的距离内起作用，其作用范围在10^-15m范围内。 原子核的尺度！并且同时作用于质子和中子。相比之下，电磁力和万有引力的作用范围可以“无限”的。但强相互作用力（强力）在起作用的范围内，力量又是极其可怕的——可达到引力的10^39倍，电磁力的137倍！ 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 这个力如此之强，所以要砸开原子核，或者说想要从中砸出些单个的质子或中子，得需要多大的外力才行？！而又该怎么砸呢？ - 原子炮的发展 - 所以，继续轰击原子核，而且得用更高能的粒子！其实，自从卢瑟福利用α射线实现了人类科学史上第一次人工核反应后，物理学家就认识到，要想认识原子核必须和粒子进行同步的研究。而要想更好地认识原子核，就必须用高速粒子来轰击原子核。 作为炮弹用来轰击的α粒子是来自天然放射性元素镭的衰变产物。因它能量较小，所以只能与氮、镁和铝等少数轻元素发生核反应。另外在实验中发现许多α粒子都毫无目标向四面八方乱射。这就好像劣等炮手操炮时不加瞄准，盲目发射炮弹，结果很少击中目标一样。 例如，对氮核而言，需用30万个α粒子才有一个氮核被击中；同样，如用铝核作靶子，则需用12万5千个α粒子轰击才有一个铝核被击中发生核反应。 由此可知，这种天然放射性所发射的α粒子命中率实在太低，而且从能量和强度方面看也太弱，因为放射α粒子的镭盐实在太少了，当时都是以毫克来计量的。所有这些弱点，都严重地影响核反应实验的进行。 但是，科学家们为了揭开原子核内部的秘密，就像喜欢拆玩具的小孩那样，总想把原子核打开来看个究竟。 于是他们就设法把更多的粒子(如氢核和氦核等)用来作为轰击原子核的炮弹，并把它们装填在能产生极快速度，又能按照指定方向发射的“原子炮”中，以准确命中更多的原子核，产生各种各样的核反应。1928年，生于俄国的美国物理学家盖莫夫提出了用质子替代α粒子作为炮弹的设想。 这是一个很棒的想法——由于质子本身所带的电荷少，因此与核相互作用的静电斥力也小。另外，质子也比较容易取得，只要把普通的氢原子剥去一个电子后就成为质子。这样带正电荷的质子又能方便地被电场加速，使它的能量能大大地提高。 为此，物理学家会同机械设计师一起开始设计制造这种能够加速粒子的机器，人们习惯上称它为“粒子加速器”或“原子炮”。 1930年前后，第一台粒子加速器诞生了——它利用高压电极上的高电势，对离子源所发射的质子流，在抽真空的加速管中被加速，最后打在靶子上，同靶原子核发生核反应。 这实际上是一台倍压加速器，当时他们在五级加速电极之间加上80万伏高电势，获得了能量约为70万电子伏特的质子流。 1931年，而另外一种诞生于美国，他突破了倍压加速器在高电压上的限制。这种加速器具有加速能量高、束流品质好、能量稳定度高等优点。所以一直是原子核物理实验研究工作不可缺少的工具。 与此同时，其它各种类型的“原子炮”也得到了飞速发展。其中最著名的是美国物理学家劳伦斯在1931年设计制造了第一台用来加速离子的回旋加速器，这种加速器的效能十分巨大，但回旋加速器却不能加速质量极小的电子。而世界上第一台用于加速电子的电子感应加速器则是在1940年建成。后来又出现了直线加速器，随着微波技术的发展，1947年人们已经开始建造行波电子直线加速器和驻波质子加速器。 图片来源：2018年8月第44期《少年时》 质子和电子的速度，被这些机器加速的越来越快，这就意味着，轰开围观世界的“炮弹”的威力变得越来越大！ 除此之外，前面提到的中子的发现，也为科学家们提供了更好的弹药——毕竟，我们一直在说，原子内的世界其实空空荡荡，威力再大的炮弹，要命中目标的概率还是非常低的。往往，千万发“炮弹”中只有一发能命中靶。 加上靶核所带的正电荷对炮弹有静电排斥作用，即使把靶子做得很厚使靶核数大大增加也无济于事。因为被加速器加速的带电粒子所携带的能量，在靶子的表面层内很快被消耗殆尽，仅能深入1毫米后就停止不前了。 这时候，中子的优势就显现出来了——由于中子不带电荷，所以当它深入到原子内部时，既不会被电子阻拦，也不会受到核电荷的静电斥力的排斥。这样中子就能在原子内部畅通无阻，很可能被某个原子核俘获，产生那些用质子或α粒子轰击时所不能发生的核反应。 因此中子发现后，物理学家们就能获得一种命中率高的轰击粒子，它被有效地用作为轰击各种原子核的炮弹，从而成为科学家们进行核科学研究的重要工具。 - 粒子物理学 - 在掌握了越来越强大的大炮，以及越来越齐全的各种型号的炮弹后，科学家们自然是乐此不疲地进行着各种实验。一个新的物理学分支也逐渐成形——这就是粒子物理学！ 这是一个研究组成物质和射线的基本粒子以及它们之间相互作用的一个物理学分支。由于许多基本粒子在大自然的一般条件下不存在或不单独出现，物理学家只有使用粒子加速器在高能相撞的条件下才能生产和研究它们。 这才是我们一直说的“前方高能”的出处啊～由于粒子物理学的研究方法需要非常高的能量，理论和结论也往往非常高能，所以“高能”一词的确非常贴切！ 因此粒子物理学也被称为“高能物理学”！而在接下来的一次又一次的轰击中，越来越多奇奇怪怪的事情出现了，人们也越来越意识到，似乎组成物质世界的本质，远比我们之前以为的更加复杂！ 进入原子系列到此结束，可是人类对基本粒子的探寻只是刚刚开始，请期待本周五18：00更新的《原来是这样》，我们将进入原子核的世界，敬请期待…… 作者：旭岽 编辑：山珊 |
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