天天时讯：【能源史话02】原子核内部有什么？打开看看

2022-07-22 15:52:32 来源：科普中国

在道尔顿、布朗、爱因斯坦、佩兰的共同努力下，人类已经达成了共识：原子是切实存在的。

(资料图片仅供参考)

但道尔顿的现代原子论里提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是构成物质的最小单元吗？原子里面还能不能继续拆分？

解决这一问题的，是三代师生，约瑟夫·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、詹姆斯·查德威克。

葡萄干布丁模型——拨开原子的第一层面纱

最早打开原子内部结构的科学家，是汤姆森。

汤姆森在研究β射线的时候，发现β射线是由一种带负电粒子构成的，这种粒子被称作电子。

汤姆森认为，在每个原子里面应该都有这样的电子。而且，汤姆森还提出了他的葡萄干布丁原子模型：每个原子就像是一个葡萄干布丁，正电荷和布丁一样，均匀分布在整个原子里，带负电荷的电子，和葡萄干一样，撒在布丁上。

葡萄干布丁模型（图片来源Wikipedia）

虽然在教科书上对这个模型的评价并不高，只是一带而过，但这个模型自有它的重要意义，它说明了一点，原子是可以继续拆分的。而继续拆分的任务，就交给了他的学生——卢瑟福。

“炼金术士”卢瑟福的原子模型

1901年，卢瑟福在研究放射性元素“钍”的时候，发现钍元素能够向外释放出α射线，更另人惊讶的是，在衰变之后，钍元素变成了另一种元素。

卢瑟福（图片来源Wikipedia）

一种元素能够转变成另一种元素，过去这件事只存在于炼金术士的幻想中，现在卢瑟福竟然证实了，这一重大的发现，让卢瑟福获得了1908年的诺贝尔化学奖。

顺便提一下，卢瑟福拿到诺贝尔化学奖之后并不高兴。他觉得自己明明是个物理学家，怎么都应该拿诺贝尔物理学奖。

但诺奖对卢瑟福来说并不重要，他通过对放射性元素的研究，认定了一件事：放射性元素释放出来的能量，来自于原子内部。当时，包括居里夫人在内的很多人都认为，放射性物质的能量是从外部吸收来的。所以，卢瑟福认为居里夫人对放射性还不够了解。

如果原子内部能够放出各种各样的射线，这又指向了一件事情：原子还可以继续往下拆。

那原子里面到底有什么呢？于是，卢瑟福开始用α粒子，对原子发动了轰击。这就是著名的“金箔实验”。

1908年，卢瑟福在助手盖革的帮助下，一起用α粒子继续轰击金箔。他们发现，α粒子在透过金箔的时候，大部分粒子都是直直地穿过，而很少一部分粒子发生了偏移，卢瑟福称之为散射，而还有极少数粒子，发生了非常大的偏移。

异常现象背后一定有原因，卢瑟福就把研究重点放在这些偏转很大的粒子身上，他甚至让助手去找，有没有被反弹回来的α粒子。虽然卢瑟福本人没抱什么希望，可助手竟然真的发现了，有非常非常少的粒子，被直直地反弹回来了。

用卢瑟福自己的话来说，这就像你拿一门炮去轰一片纸巾，结果炮弹竟然被纸巾弹回来了。这些被弹回的粒子，就犹如一发炮弹，击中了卢瑟福的想象力。

当时，卢瑟福已经知道了，α粒子是带有正电荷的，如果发生了这么大幅度的偏转，一种可能是，它们受到了非常大大的电磁力作用。被弹回的粒子，应该是直直撞上了这个电荷集中的地方，这个地方就是原子核。

根据推算，原子核应该非常非常小，就像鸟巢体育馆当中放了一个网球。

可是按照他老师汤姆森的葡萄干布丁模型，原子里的正电荷应该是均匀分布的，不应该有哪个地方存在这么集中的正电荷。难道老师之前说的一直是错的？

卢瑟福是一个极其严谨的人，他并没有急着公开自己的发现。他花了将近4年时间，确认了大量的数据，再确认万无一失之后，在1911年，卢瑟福模型首次公布了。

卢瑟福认为：原子不是坚不可摧的，原子中间是一个极小的带正电的原子核，外面是绕着它高速旋转的电子。

美国原子能委员会的标志，就是卢瑟福模型。还有你今天看到的用来表示原子的符号，大部分也都是这个模型。

提出这个模型之后，卢瑟福还有更重要的事情要做，他需要搞清楚原子核里头到底是什么。

卢瑟福继续用他钟爱的α粒子轰击其他原子。在轰击氮原子的时候，卢瑟福发现了一个现象，α粒子和氮原子碰撞的时候，会出现氢原子核，也就是后来的质子。

能撞出氢原子核，这说明了一个问题，氢原子核可能是氮原子核的组成成分。而且，氢原子核的质量非常轻，其他原子核的质量都是它的整数倍，有没有可能，氢原子核是所有原子核的组成成分？

如果是这样，这又会是一个重大的发现。

1920年，卢瑟福公布了他的发现：氢原子核是构成所有原子核的基本单元。他给这个基本单元起了一个名字，质子[1]。

但卢瑟福依然保持了自己的谨慎态度，在公布这个发现之后，他到找另一位物理学家帕特里克·布莱克特利一起做更多的研究，验证自己的猜想。

在观察了23000张照片上的40多万条轨迹之后，他们在其中找到了8条特殊的轨迹。再一次，从异常情况中，卢瑟福做出了重大发现，这8条轨迹能够说明，氢原子核确实是构成其他元素原子核的成分（这8条轨迹表示，氮原子核α粒子碰撞后形成了极其不稳定的氟原子，之后，衰变成了一个氧原子核一个氢原子核）。

由此，原子核里最重要的一种粒子被发现了。

早期美国原子能协会标志（图片来源Wikipedia）

小居里夫妇与中子擦肩而过

卢瑟福发现质子之后，跟他的助手查德威克又发现了一个神奇的现象。

氮原子的原子核重量是大致是氢原子核的14倍（大约跟14个质子重量相当），而电子只有7个，如果原子核里只有质子，那氮原子应该带电才对，这不太可能。于是，卢瑟福推测，原子核内应该还有一种不带电的中性粒子，重量跟质子差不多。

这个中性粒子，就是中子。但到目前为止，这只是一个推测，卢瑟福并没有直接证据证明中子存在。

最先发现这个证据的，是德国两位科学家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年，他们用α粒子轰击锂、铍、硼等元素，轰击完之后，发现了一种奇怪的射线。这种射线能量很高，而且不带电，他们认为，这应该是γ射线（一种电磁波辐射）[2]。

有些材料上说，最早发现中子证据的，是居里夫人的女儿和女婿，即小居里夫妇，但并不是。不过，小居里夫妇确实很快就投入到了对这种射线的研究中，他们利用这种辐射轰击其他物质，得到了非常高能的质子[3]。

可惜的是，他们并没有怀疑这种射线本身到底是不是γ射线。所以，他们确实和中子，以及一块诺贝尔奖奖牌擦肩而过。

卢瑟福的助手查德威克倒是敏锐的意识到了，这种射线根本就不是什么γ射线，应该就是卢瑟福预言的中子。于是，查德威克赶紧重复了实验，并且证明了，射线是由一种不带电，而且质量和质子非常接近的小粒子构成，证实了中子的存在。因为这个发现，查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

顺便提一句，另一位叫劳伦斯的科学家，也发现Walther Bothe和小居里夫妇的解释有问题，同样投入研究，但还是慢了查德威克一步，但劳伦斯后面在后面因为另一项研究，对人类开发核能做出了极其重大的贡献，也拿回了属于自己的诺贝尔奖。在后面我们还会提到他。

至此，人们不光发现原子核内的质子、中子，而且，也知道了通过改变原子核的组成，一种物质能够转变为另一种物质。

接下来，人们要开始将手伸进原子核内部了，摘取原子核内的能量果实。

参考文献：

[1] Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". American Journal of Physics. 65 (8): 707.

[2] Bothe, W.; Becker, H. (1930). "Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen" [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3] Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). "Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l"influence des rayons γ très pénétrants" [Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays]. Comptes Rendus. 194: 273.

关键词：查德威克原子核的葡萄干布丁