原子核物理學(xué)的發(fā)展史從X射線到量子力學(xué)08物本（2）班廖建文，陳榕，鄭恒，王世鳴原子核物理學(xué)的發(fā)展史從X射線到量子力學(xué)08物本（2）班1一、倫琴和X射線的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)末，陰極射線的研究曾是物理學(xué)的熱門課題。許多物理學(xué)家都致力于這個方面。在德國的維爾茨堡大學(xué)，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家倫琴(WilhelmReontgen,1845-1923）也對這個問題感興趣。倫琴是一個熱愛生活的人。他與妻子感情極好；他們沒有孩子，收養(yǎng)了侄女。他們的生活很幸福，社會對他們也十分恩寵。一、倫琴和X射線的發(fā)現(xiàn)19世紀(jì)末，陰極射線的研究曾是物理學(xué)的2X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日上午，倫琴到實(shí)驗(yàn)室工作，一個偶然現(xiàn)象引起了他的注意。當(dāng)時，房間一片漆黑，放電管用黑紙包得很嚴(yán)實(shí)。他突然發(fā)現(xiàn)在一米開外的小桌上，一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發(fā)出閃光。他很奇怪，就移遠(yuǎn)熒光屏繼續(xù)試驗(yàn)。只見熒光屏的閃光仍隨放電過程的節(jié)拍繼續(xù)出現(xiàn)。他取來各種不同的物品，包括書本、木板、鋁片等等，放在放電管和熒光屏之間，發(fā)現(xiàn)不同的物品效果很不一樣，有的擋不住，有的起阻擋作用。顯然從放電管發(fā)出了一種穿透力很強(qiáng)的射線，穿過黑紙到達(dá)了熒光屏。為了確證這一新射線的存在，并且盡可能了解它的特性，倫琴用了6個星期深入地研究這一現(xiàn)象。1895年底他以通信方式將這一發(fā)現(xiàn)公之于眾。X射線的發(fā)現(xiàn)1895年11月8日上午，倫琴到實(shí)驗(yàn)室工作，一個3“機(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦?！盭射線在人們研究陰極射線的過程中被發(fā)現(xiàn)是有其必然性的。因?yàn)檎歉咚匐娮哟虻桨凶由?，才有可能激發(fā)出這種高頻輻射。所以，即使不是倫琴，也一定還會有別人作出這一發(fā)現(xiàn)。倫琴有機(jī)會發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，當(dāng)然有一些機(jī)遇性。然而，倫琴之所以能抓住這一機(jī)遇，又和他一貫的嚴(yán)謹(jǐn)作用、客觀的科學(xué)態(tài)度分不開。所以，這一發(fā)現(xiàn)對于倫琴來說，又有其必然性。在科學(xué)發(fā)展的歷程中，機(jī)遇是客觀存在的，機(jī)遇作為一種偶然性，有其必然性的一面。如何把握機(jī)遇，是問題的關(guān)鍵。X射線、放射性的發(fā)現(xiàn)，生動地說明了這一點(diǎn)。偶然與必然“機(jī)遇只偏愛有準(zhǔn)備的頭腦?！盭射線在人們研究陰極射線的過程中4錯過了機(jī)會1894年，J.J.湯姆生(J.J.Thomsom)在測陰極射線的速度時，也作了觀察到X射線的記錄。他當(dāng)時沒有功夫?qū)ｉT研究這一現(xiàn)象，只在論文中提了一筆，說看到了放電管幾英尺遠(yuǎn)處的玻璃管上也發(fā)出熒光。1887年，早于倫琴發(fā)現(xiàn)X射線8年，克魯克斯(W.Grookes)曾發(fā)現(xiàn)保存在放電管附近盒子中的照相底片變黑了，克魯克斯把變黑的底片退還廠家，錯誤地認(rèn)為底片質(zhì)量有問題。勒納(P.Lenard)是研究陰極射線的權(quán)威學(xué)者之一。他在研究不同物質(zhì)對陰極射線的吸收時，肯定也遇到了X射線。他后來在榮獲1905年諾貝爾物理學(xué)獎的演說詞中說：“我曾做過好幾次觀測，當(dāng)時解釋不了，準(zhǔn)備留待以后研究。不幸沒有及時開始。”不過，即使勒納及時研究，也難于作出正確結(jié)論，因?yàn)閭惽傩糥射線的發(fā)現(xiàn)以后，他還堅(jiān)持認(rèn)為X射線不過是速度無限大的一種陰極射線，把兩者混淆在一起。而倫琴則明確加以區(qū)分，認(rèn)為X射線是本質(zhì)上與陰極射線不同的一種新射線。把發(fā)現(xiàn)X射線的榮譽(yù)歸于倫琴，并授予首屆諾貝爾物理學(xué)獎，當(dāng)之無愧。錯過了機(jī)會1894年，J.J.湯姆生(J.J.Thomsom5二、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性亨利·貝克勒爾(Henri

Becquerel，1852~1908)1896年3月，43歲的貝克勒爾在彭加勒的啟發(fā)下，發(fā)現(xiàn)了軸鹽的放射性，這種軸鹽輻射稱為貝克勒爾射線，以區(qū)別于倫琴射線。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性雖然沒有倫琴發(fā)現(xiàn)X射線那樣轟動一時，意義卻更為深遠(yuǎn)，因?yàn)樨惪死諣柕膶?shí)驗(yàn)導(dǎo)致了居里夫婦鐳的發(fā)現(xiàn)。人類第一次對核現(xiàn)象的接觸，為后來的發(fā)展開辟了道路。1896年1月，法國著名數(shù)學(xué)物理學(xué)家彭加勒(J.H.Poincare)看到倫琴X射線的論文后提出了一個重要的想法：射線是從陰極射線擊在管壁上而產(chǎn)生的熒光亮點(diǎn)發(fā)射出來的，即指出這種現(xiàn)象可能與熒光有關(guān)。即使這一想法并不正確，但它卻對貝克勒爾的實(shí)驗(yàn)起了最初激勵的作用。二、貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性亨利·貝克勒爾(HenriBecqu6榮獲諾貝爾獎1903年，貝克勒爾“由于他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性這一特殊的貢獻(xiàn)”而榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(和居里夫婦共同分享)。1907年他被選為科學(xué)院副院長，1908年為院長。此后不久，因心臟病猝然去世。榮獲諾貝爾獎1903年，貝克勒爾“由于他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性這一7三、居里夫人和鐳的發(fā)現(xiàn)貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性的論文吸引了瑪麗·居里。1897年，她與丈夫皮埃爾·居里討論說：“研究這種現(xiàn)象對我好像特別有吸引力……我決定承擔(dān)這項(xiàng)研究工作……為了超越貝克勒爾已經(jīng)得到的研究成果，必須采用精確的定量方法?！庇谑?，居里夫人選取放射性作為自己的博士論文題目。通過用新的方法重復(fù)貝克勒爾的鈾鹽輻射實(shí)驗(yàn)，使放射學(xué)的研究走了上嚴(yán)密定量的道路?，旣悺ぞ永锶⒕永锓蛉撕丸D的發(fā)現(xiàn)貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性的論文吸引了瑪麗·居8堅(jiān)毅、勤奮堅(jiān)毅、勤奮9鋼鐵是這樣煉成的!1898年7月，瑪麗·居里（MarieCurie,1867-1934）夫婦發(fā)現(xiàn)釙（polonium)，12月發(fā)現(xiàn)鐳。兩次獲得諾貝爾獎！居里夫人是一位不知疲倦的科學(xué)家，她曾經(jīng)說過，“一個人一定不要注意自己已經(jīng)做了些什么，而應(yīng)該只注意還有什么沒有做！”鋼鐵是這樣煉成的!1898年7月，瑪麗·居里（MarieC10放射性化學(xué)的主要創(chuàng)始人1898年4月瑪麗的第一篇關(guān)于鈾射線的論文包括三個主要的新觀點(diǎn)：(1)她不僅重新證實(shí)了貝克勒爾關(guān)于鈾的發(fā)現(xiàn)，而且發(fā)現(xiàn)了一個新的放射性物質(zhì)：釷?！扳Q氧化物的放射性甚至比金屬鈾更強(qiáng)”。(2)“所有鈾的化合物都具有放射性，一般來說，放射性越強(qiáng)，化合物的含鈾量越多”。(注：這條實(shí)驗(yàn)結(jié)論不如盧瑟福和索迪于1902年所提到的理論精確：“放射性物質(zhì)含有不穩(wěn)定的原子，這些原子在單位時間內(nèi)有確定的部分發(fā)生衰變?！钡?，僅僅9個月后她就獲得了正確的結(jié)論：1898年12月提交的論文中，瑪麗·居里“已經(jīng)證明了放射性是單個原子的特性”。(3)她引了一個極重要的新的物理概念：放射性是一種發(fā)現(xiàn)新物質(zhì)的方法。放射性化學(xué)的主要創(chuàng)始人1898年4月瑪麗的第一篇關(guān)于鈾射線的111898年：輝煌的一年他們用普通的化學(xué)方法共同對瀝青鈾礦進(jìn)行處理。1898年7月，發(fā)現(xiàn)了放射性物質(zhì)“釙”（po），命名為“釙”是為了紀(jì)念瑪麗·居里的祖國波蘭。1898年12月26日，經(jīng)過在無法遮風(fēng)避雨的工棚中長年累月的艱辛工作，利后鋇進(jìn)行沉淀的方法，他們從100公斤瀝青中提煉出了另外一種放射性物質(zhì)：鐳。8噸鈾礦=1克鐳1898年：輝煌的一年他們用普通的化學(xué)方法共同對瀝青鈾礦進(jìn)行12榮獲諾貝爾獎1900年皮埃爾被任命為索爾本的助理教授，而瑪麗則在一所女子高中任教。1903年，瑪麗完成博士學(xué)位論文。以“極優(yōu)”的評語獲得博士學(xué)位。在她獲得學(xué)位的那一天(7月25日)的晚上，她第一次遇見了盧瑟福。1903年11月，居里夫婦得知他們將和貝克勒爾一起共同獲得當(dāng)年的諾貝爾獎，授獎的原因是“他們在貝克勒爾教授發(fā)現(xiàn)的放射性現(xiàn)象的共同研究工作中，做出了特殊的貢獻(xiàn)”。榮獲諾貝爾獎1900年皮埃爾被任命為索爾本的助理教授，而瑪麗13榮獲諾貝爾獎1903年12月11日，《紐約時代》雜志發(fā)表了評價(jià)居里夫婦的評論：“據(jù)信鐳的發(fā)現(xiàn)者不像人們所想像的那樣從工作中獲得了許多物質(zhì)利益，因此他們的遍布世界的崇拜者在得知他們獲得了諾貝爾獎以后都非常高興。”居里夫婦沒有親自去參加授獎儀式，一方面是他們身體不好，同時也因?yàn)楣ぷ魈?。?dāng)1905年6月他們?nèi)ニ沟赂鐮柲r，只是皮埃爾發(fā)表了個獲獎演說，而她的妻子則坐著旁聽。1904年，索爾本學(xué)校為居里設(shè)立了一個特殊的教席。榮獲諾貝爾獎1903年12月11日，《紐約時代》雜志發(fā)表了評14再獲諾貝爾獎1911年12月11日，她在諾貝爾演講中回憶說許多發(fā)現(xiàn)都是“皮埃爾和我共同合作的結(jié)果，……盡管將純鐳從它的鹽中分離來……這項(xiàng)具體的化學(xué)工作由我完成，但是它和我們共同的工作有著緊密的聯(lián)系……因此我感到……我們的共同工作是使我獲得這么高榮譽(yù)的原因。這也是對皮埃爾·居里最崇高的紀(jì)念。”再獲諾貝爾獎1911年12月11日，她在諾貝爾演講中回憶說許15四、盧瑟福和α射線的研究在放射性和鐳發(fā)現(xiàn)以后，對于核物理學(xué)來說，最重要的工作莫過于α射線的研究了。正是由于對α射線的研究，人們掌握了放射性的衰變規(guī)律；通過α射線的大角度散射，1911年發(fā)現(xiàn)了原子核；用α粒子打擊輕原子，實(shí)現(xiàn)了人工核轉(zhuǎn)變。這些新的發(fā)現(xiàn)都和盧瑟福的執(zhí)著追求分不開。四、盧瑟福和α射線的研究在放射性和鐳發(fā)現(xiàn)以后，對于核物理學(xué)來16盧瑟福(ErnestRutherford,1871~1937)盧瑟福1871年生于一農(nóng)村工匠家。從小就對物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)儀器制作有特殊愛好。1894年做研究生期間，發(fā)明了可用于檢測無線電信號的磁檢波器；1895年，選送到英國劍橋大學(xué)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室，成了J.J.湯姆生的研究生，在這里開始了放射性的研究，1898年發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線。1900~1903年，他與化學(xué)家索迪(F.Soddy)合作，發(fā)現(xiàn)了放射性衰變規(guī)律，并與索迪一起創(chuàng)立放射性元素自然轉(zhuǎn)變理論。1908年盧瑟福榮獲諾貝爾化學(xué)獎。盧瑟福盧瑟福1871年生于一農(nóng)村工匠家。從小就對物理學(xué)和實(shí)驗(yàn)17盧瑟福怎樣發(fā)現(xiàn)α射線的？貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的軸輻射包含有三種成分，在磁場中它們分成三束，它們分別是帶正電的α射線，帶負(fù)電的β射線，和不帶電的γ射線，一種波長極短的電磁波。然而，盧瑟福并不是靠加磁場區(qū)分出這些成分的，當(dāng)時他沒有足夠的磁鐵。他用的是吸收方法。1898年，盧瑟福以觀測細(xì)致、對待實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)客觀謹(jǐn)慎的科學(xué)作風(fēng)，經(jīng)過反復(fù)驗(yàn)證，判定穿透力較差，進(jìn)入物質(zhì)層很快就被吸收的成分是α射線。穿透力較強(qiáng)的成分是β射線。盧瑟福怎樣發(fā)現(xiàn)α射線的？貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的軸輻射包含有三種成分，18盧瑟福怎樣發(fā)現(xiàn)α射線的？不久，有人從磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)證明，穿透力強(qiáng)的β射線正是高速電子流。可是α射線到底是什么，一直是個謎。很多人認(rèn)為，也許α射線是與X射線類似的某種輻射。有人甚至認(rèn)為α射線沒有什么好研究的。盧瑟福則不一樣，他的看法是，這種射線的性質(zhì)越是奇特，越值得研究。α射線很容易被物質(zhì)吸收，說明它跟物質(zhì)的作用強(qiáng)，只有徹底摸透α射線的本質(zhì)，才能建立完整的放射性理論。他知難而進(jìn)，毅然選擇了α射線作為自己的研究課題，甚至為此付出了畢生的精力。盧瑟福怎樣發(fā)現(xiàn)α射線的？不久，有人從磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)證明，穿透力強(qiáng)19α射線是是帶正電的粒子流盧瑟福精心設(shè)計(jì)了電磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來研究α射線。可是初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人失望，α射線受磁場作用與不受磁場作用看不出有什么不同。有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的盧瑟福改進(jìn)了實(shí)驗(yàn)裝置，使儀器的靈敏度大大提高，終于確定α射線會受磁場偏轉(zhuǎn)，從偏轉(zhuǎn)方向判斷α射線是正電。接著，盧瑟福進(jìn)一步對儀器作了一番改進(jìn)，測出α射線的荷質(zhì)比與氫離子同數(shù)量級，速度大約為光速的十分之一。這樣就判明了α射線是原子類型的帶正電的粒子流。α射線是是帶正電的粒子流盧瑟福精心設(shè)計(jì)了電磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)來研究α20α射線是高速運(yùn)動著的氦離子(He++)流至于是哪種類型的原子，則一時難以確定，根據(jù)種種現(xiàn)象和事實(shí)，有人猜測是比氫重的氦。1909年盧瑟福以巧妙的方法從光譜作出了判決性證明，“證明α粒子在失去電荷之后就是氦原子。”經(jīng)過這樣一些實(shí)驗(yàn)，盧瑟福終于搞清楚了α射線的本質(zhì)，證明α射線就是高速運(yùn)動著的氦離子(He++)流。α射線是高速運(yùn)動著的氦離子(He++)流至于是哪種類型的原子21盧瑟福提出有核原子模型原子核是從α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。觀測α粒子散射靠的是涂有一層硫化鋅的閃爍屏，α粒子打到它上面會發(fā)出微弱的閃光。實(shí)驗(yàn)者用肉眼通過顯微鏡對準(zhǔn)閃爍屏，一個一個地計(jì)數(shù)，再移動顯微鏡的位置，分別讀取不同位置的閃爍數(shù)，由此可以確定α粒子散射的統(tǒng)計(jì)分布。有核原子模型的偉大發(fā)現(xiàn)是盧瑟福從大量的觀察記錄中，經(jīng)過反復(fù)研究后做出的。盧瑟福提出有核原子模型原子核是從α粒子大角度散射實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的。22盧瑟福提出有核原子模型1908年，盧瑟福的助手蓋革(H.Geiger)在用閃爍法觀察α散射時，出現(xiàn)了反常閃光。盧瑟福建議他用α粒子直接撞擊金屬表面，結(jié)果得到了α射線大角度散射，這一結(jié)果無法用J.J.湯姆生的實(shí)心帶電球原子模型和散射理論解釋，盧瑟福冥思苦想了幾個星期，終于在1910年底，經(jīng)地?cái)?shù)學(xué)推算，證明只有假設(shè)原子中有一個直徑很小的核，正電荷集中在核心內(nèi)，才能解釋為什么會出現(xiàn)α粒子大角度散射。這就是原子核發(fā)現(xiàn)的經(jīng)過。盧瑟福提出有核原子模型1908年，盧瑟福的助手蓋革(H