原子核物理學的發展史從X射線到量子力學08物本（2）班廖建文，陳榕，鄭恒，王世鳴原子核物理學的發展史從X射線到量子力學08物本（2）班1一、倫琴和X射線的發現19世紀末，陰極射線的研究曾是物理學的熱門課題。許多物理學家都致力于這個方面。在德國的維爾茨堡大學，實驗物理學家倫琴(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射線的發現19世紀末，陰極射線的研究曾是物理學的2X射線的發現1895年11月8日上午，倫琴到實驗室工作，一個偶然現象引起了他的注意。當時，房間一片漆黑，放電管用黑紙包得很嚴實。他突然發現在一米開外的小桌上，一塊亞鉑氰化鋇做成的熒光屏發出閃光。他很奇怪，就移遠熒光屏繼續試驗。只見熒光屏的閃光仍隨放電過程的節拍繼續出現。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，發現不同的物品效果很不一樣，有的擋不住，有的起阻擋作用。顯然從放電管發出了一種穿透力很強的射線，穿過黑紙到達了熒光屏。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象。1895年底他以通信方式將這一發現公之于眾。X射線的發現1895年11月8日上午，倫琴到實驗室工作，一個3“機遇只偏愛有準備的頭腦。”X射線在人們研究陰極射線的過程中被發現是有其必然性的。因為正是高速電子打到靶子上，才有可能激發出這種高頻輻射。所以，即使不是倫琴，也一定還會有別人作出這一發現。倫琴有機會發現這一現象，當然有一些機遇性。然而，倫琴之所以能抓住這一機遇，又和他一貫的嚴謹作用、客觀的科學態度分不開。所以，這一發現對于倫琴來說，又有其必然性。在科學發展的歷程中，機遇是客觀存在的，機遇作為一種偶然性，有其必然性的一面。如何把握機遇，是問題的關鍵。X射線、放射性的發現，生動地說明了這一點。偶然與必然“機遇只偏愛有準備的頭腦。”X射線在人們研究陰極射線的過程中4錯過了機會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。他當時沒有功夫專門研究這一現象，只在論文中提了一筆，說看到了放電管幾英尺遠處的玻璃管上也發出熒光。1887年，早于倫琴發現X射線8年，克魯克斯(W.Grookes)曾發現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，錯誤地認為底片質量有問題。勒納(P.Lenard)是研究陰極射線的權威學者之一。他在研究不同物質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年諾貝爾物理學獎的演說詞中說：“我曾做過好幾次觀測，當時解釋不了，準備留待以后研究。不幸沒有及時開始。”不過，即使勒納及時研究，也難于作出正確結論，因為倫琴宣布X射線的發現以后，他還堅持認為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分，認為X射線是本質上與陰極射線不同的一種新射線。把發現X射線的榮譽歸于倫琴，并授予首屆諾貝爾物理學獎，當之無愧。錯過了機會1894年，J.J.湯姆生(J.J.Thomsom5二、貝克勒爾發現放射性亨利·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下，發現了軸鹽的放射性，這種軸鹽輻射稱為貝克勒爾射線，以區別于倫琴射線。貝克勒爾發現放射性雖然沒有倫琴發現X射線那樣轟動一時，意義卻更為深遠，因為貝克勒爾的實驗導致了居里夫婦鐳的發現。人類第一次對核現象的接觸，為后來的發展開辟了道路。1896年1月，法國著名數學物理學家彭加勒(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生的熒光亮點發射出來的，即指出這種現象可能與熒光有關。即使這一想法并不正確，但它卻對貝克勒爾的實驗起了最初激勵的作用。二、貝克勒爾發現放射性亨利·貝克勒爾(HenriBecqu6榮獲諾貝爾獎1903年，貝克勒爾“由于他發現了自發放射性這一特殊的貢獻”而榮獲諾貝爾物理學獎(和居里夫婦共同分享)。1907年他被選為科學院副院長，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“由于他發現了自發放射性這一7三、居里夫人和鐳的發現貝克勒爾發現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：“研究這種現象對我好像特別有吸引力……我決定承擔這項研究工作……為了超越貝克勒爾已經得到的研究成果，必須采用精確的定量方法。”于是，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貝克勒爾的鈾鹽輻射實驗，使放射學的研究走了上嚴密定量的道路。瑪麗·居里三、居里夫人和鐳的發現貝克勒爾發現放射性的論文吸引了瑪麗·居8堅毅、勤奮堅毅、勤奮9鋼鐵是這樣煉成的!1898年7月，瑪麗·居里（MarieCurie,1867-1934）夫婦發現釙（polonium)，12月發現鐳。兩次獲得諾貝爾獎！居里夫人是一位不知疲倦的科學家，她曾經說過，“一個人一定不要注意自己已經做了些什么，而應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放射性化學的主要創始人1898年4月瑪麗的第一篇關于鈾射線的論文包括三個主要的新觀點：(1)她不僅重新證實了貝克勒爾關于鈾的發現，而且發現了一個新的放射性物質：釷。“釷氧化物的放射性甚至比金屬鈾更強”。(2)“所有鈾的化合物都具有放射性，一般來說，放射性越強，化合物的含鈾量越多”。(注：這條實驗結論不如盧瑟福和索迪于1902年所提到的理論精確：“放射性物質含有不穩定的原子，這些原子在單位時間內有確定的部分發生衰變。”但是，僅僅9個月后她就獲得了正確的結論：1898年12月提交的論文中，瑪麗·居里“已經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：放射性是一種發現新物質的方法。放射性化學的主要創始人1898年4月瑪麗的第一篇關于鈾射線的111898年：輝煌的一年他們用普通的化學方法共同對瀝青鈾礦進行處理。1898年7月，發現了放射性物質“釙”（po），命名為“釙”是為了紀念瑪麗·居里的祖國波蘭。1898年12月26日，經過在無法遮風避雨的工棚中長年累月的艱辛工作，利后鋇進行沉淀的方法，他們從100公斤瀝青中提煉出了另外一種放射性物質：鐳。8噸鈾礦=1克鐳1898年：輝煌的一年他們用普通的化學方法共同對瀝青鈾礦進行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，瑪麗完成博士學位論文。以“極優”的評語獲得博士學位。在她獲得學位的那一天(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年的諾貝爾獎，授獎的原因是“他們在貝克勒爾教授發現的放射性現象的共同研究工作中，做出了特殊的貢獻”。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》雜志發表了評價居里夫婦的評論：“據信鐳的發現者不像人們所想像的那樣從工作中獲得了許多物質利益，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，同時也因為工作太忙。當1905年6月他們去斯德哥爾摩時，只是皮埃爾發表了個獲獎演說，而她的妻子則坐著旁聽。1904年，索爾本學校為居里設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現都是“皮埃爾和我共同合作的結果，……盡管將純鐳從它的鹽中分離來……這項具體的化學工作由我完成，但是它和我們共同的工作有著緊密的聯系……因此我感到……我們的共同工作是使我獲得這么高榮譽的原因。這也是對皮埃爾·居里最崇高的紀念。”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現以后，對于核物理學來說，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律；通過α射線的大角度散射，1911年發現了原子核；用α粒子打擊輕原子，實現了人工核轉變。這些新的發現都和盧瑟福的執著追求分不開。四、盧瑟福和α射線的研究在放射性和鐳發現以后，對于核物理學來16盧瑟福(ErnestRutherford,1871~1937)盧瑟福1871年生于一農村工匠家。從小就對物理學和實驗儀器制作有特殊愛好。1894年做研究生期間，發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卡文迪什實驗室，成了J.J.湯姆生的研究生，在這里開始了放射性的研究，1898年發現了α射線和β射線。1900~1903年，他與化學家索迪(F.Soddy)合作，發現了放射性衰變規律，并與索迪一起創立放射性元素自然轉變理論。1908年盧瑟福榮獲諾貝爾化學獎。盧瑟福盧瑟福1871年生于一農村工匠家。從小就對物理學和實驗17盧瑟福怎樣發現α射線的？貝克勒爾發現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分出這些成分的，當時他沒有足夠的磁鐵。他用的是吸收方法。1898年，盧瑟福以觀測細致、對待實驗數據客觀謹慎的科學作風，經過反復驗證，判定穿透力較差，進入物質層很快就被吸收的成分是α射線。穿透力較強的成分是β射線。盧瑟福怎樣發現α射線的？貝克勒爾發現的軸輻射包含有三種成分，18盧瑟福怎樣發現α射線的？不久，有人從磁偏轉實驗證明，穿透力強的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。很多人認為，也許α射線是與X射線類似的某種輻射。有人甚至認為α射線沒有什么好研究的。盧瑟福則不一樣，他的看法是，這種射線的性質越是奇特，越值得研究。α射線很容易被物質吸收，說明它跟物質的作用強，只有徹底摸透α射線的本質，才能建立完整的放射性理論。他知難而進，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。盧瑟福怎樣發現α射線的？不久，有人從磁偏轉實驗證明，穿透力強19α射線是是帶正電的粒子流盧瑟福精心設計了電磁偏轉實驗來研究α射線。可是初步實驗結果令人失望，α射線受磁場作用與不受磁場作用看不出有什么不同。有豐富實踐經驗的盧瑟福改進了實驗裝置，使儀器的靈敏度大大提高，終于確定α射線會受磁場偏轉，從偏轉方向判斷α射線是正電。接著，盧瑟福進一步對儀器作了一番改進，測出α射線的荷質比與氫離子同數量級，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計了電磁偏轉實驗來研究α20α射線是高速運動著的氦離子(He++)流至于是哪種類型的原子，則一時難以確定，根據種種現象和事實，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。”經過這樣一些實驗，盧瑟福終于搞清楚了α射線的本質，證明α射線就是高速運動著的氦離子(He++)流。α射線是高速運動著的氦離子(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粒子大角度散射實驗發現的。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出微弱的閃光。實驗者用肉眼通過顯微鏡對準閃爍屏，一個一個地計數，再移動顯微鏡的位置，分別讀取不同位置的閃爍數，由此可以確定α粒子散射的統計分布。有核原子模型的偉大發現是盧瑟福從大量的觀察記錄中，經過反復研究后做出的。盧瑟福提出有核原子模型原子核是從α粒子大角度散射實驗發現的。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，出現了反常閃光。盧瑟福建議他用α粒子直接撞擊金屬表面，結果得到了α射線大角度散射，這一結果無法用J.J.湯姆生的實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，經地數學推算，證明只有假設原子中有一個直徑很小的核，正電荷集中在核心內，才能解釋為什么會出現α粒子大角度散射。這就是原子核發現的經過。盧瑟福提出有核原子模型1908年，盧瑟福的助手蓋革(H