物理学史--原子原子核物理的发展

原子、原子核物理的发展侯春风哈尔滨工业大学物理系主要内容一.原子模型的提出和发展二.原子核的放射性三.几个著名的核反应四.重核的裂变和轻核的聚变五.原子弹简史一.原子模型的提出和发展“原子”一词来自希腊文，含义是“不可分割的”。公元前四世纪，古希腊哲学家德谟克利特(Democritus)提出了这一概念，并把它当作物质的最小单元。17世纪，通过卡文迪许和拉瓦锡等许多化学家的工作，发现了水可分解为氧和氢两种元素；空气是由氧、氢和氮等元素混合而成的，燃烧只不过是元素和氧起激烈反应等等。随着几十种元素的发现，英国化学家道尔顿提出了新的原子学说。他认为物质是由许多种类不同的元素所组成，元素又由非常微小的，不可再分的、不能毁灭又不能创生的原子所组成。1807年，英国科学家约翰·道尔顿(JohnDalton)提出原子论。他认为原子类似于刚性的小球，它们是物质世界的基本结构单元，是不可分割的。道尔顿用他的学说说明了化学中的物质不灭定律等。道尔顿的原子说是根据事实概括的结果，能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原子说更进一步。19世纪后半期，分子运动论有了进一步发展，人们逐步建立起近代的原子分子学说。但是原子分子是否存在，一直没有用实验证实。1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电子是各种元素的基本组成部分。1903年卢瑟福和化学家索迪合作，通过实验发现了一种物质可以变成另一种物质，提出了原子自然衰变的理论。这些事实打破了道尔顿以来人们认为原子不可再分割的观念。1905年，爱因斯坦用分子运动论的观点从理论上解释布朗运动获得成功，他还提出了测定分子大小的新方法。1908年，法国物理学家佩林按爱因斯坦的方法，用实验测定了分子的大小，结果跟爱因斯坦预言的一致，终于在科学界确认了现代分子原子学说。十九世纪末二十世纪初，一些实验现象相继发现，如电子、X射线和放射性元素的发现表明原子是可以分割的，它具有比较复杂的结构。那么，原子是怎样组成的？原子的运动规律如何？1898年，Thomson提出了“布丁模型”(也被称为“西瓜模型”)。1903年，德国物理学家林纳德(P.Lenard)在实验中发现“原子内部是十分空虚的”。P.Lenard(1862~1947),1905年诺贝尔物理奖得主。在P.Lenard的基础上，长冈半太郎(HantaroNagaoka)提出了原子的土星模型，认为原子内的正电荷集中于中心，电子绕中心运动，但他没有深入下去。长冈半太郎的土星模型长冈的土星模型HantaroNagaoka1909年，英国物理学家卢瑟福(E.Rutherford)在他的学生盖革(H.Geiger)和马斯登(E.Marsden)的协助下，发现粒子轰击原子时，大约每八千个粒子中有一个被反射回来。汤姆逊模型无法对该实验结果做出解释。卢瑟福根据实验结果于1911年提出了原子的“核式结构模型”(也被称为“卢瑟福行星模型”)E.Rutherford，1908年诺贝尔化学奖得主，外号：鳄鱼。原子核电子卢瑟福原子模型卢瑟福的“核式结构模型”可以解释粒子散射实验结果，因此比汤姆逊模型更符合实际情况。202214reZZFRRrRreZZRrreZZFT302212022144卢瑟福手迹卢瑟福的“行星模型”的虽然可以解释粒子散射实验结果，但该模型却无法解释原子的稳定性无法解释氢原子光谱的规律。为了解释上述问题，卢瑟福的一个学生——丹麦物理学家尼尔斯·玻尔(NilesBohr)在卢瑟福的“行星模型”的基础之上于1913年提出了原子的量子理论，即“玻尔模型”。e+e玻尔的原子模型(Bohr’sAtom)尼尔斯·玻尔(NilesBohr)，丹麦人，二十世纪世界最伟大的物理学家之一，量子理论的主要奠基人。1922年诺贝尔物理奖得主。玻尔理论后经索末菲等人的改进。索末菲从实验事实出发，将电子绕核轨道从单一的圆轨道，推广到椭圆轨道。并且他还发现轨道在空间的取向也是量子化的，从而引入了主量子数、角量子数和磁量子数的概念。1920年索末菲又引入了第四个量子数。这第四个量子数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子的自旋量子数。1925年泡利在研究四个量子数跟原子核外电子排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在同一原子内，在一个原子中不可能有两个或两个以上的电子具有完全相同的四个量子数(n,l,ml,ms)。利用玻尔、索末菲理论加上泡利不相容原理可以成功地解释核外电子的排布。至此原子物理学完全建立了起来。二.原子核的放射性原子核物理学的发展是和19世纪末以来原子物理学的发展交织在一起的。自1896年贝克勒耳发现铀盐的放射性之后，一些科学家着手寻找其他新的放射性元素。其中最有成就的数居里夫妇了，通过他俩的艰苦努力，发现了镭和钋。另一些科学家着重研究放射性物质放出的射线性质以及射线和物质本身的关系。研究工作也取得了累累硕果。卢瑟福弄清了放射性物质放出射线含有三种成分，即α射线、β射线和γ射线。并弄清了α射线带正电；β射线带负电，γ射线不带电。1895年11月8日，德国物理学家伦琴(W.K.Röntgen)发现X射线。1896年1月20日，法国的著名数学物理学家彭加勒(J.H.Poincare)在法国科学院的会议上介绍了X射线的发现情况。物理学家贝克勒尔与彭加勒对X射线的产生机理进行了讨论。彭加勒猜测X射线可能是伴随着荧光发出的。2.1、放射性的发现第二天，H.Becquere就开始对X射线与荧光的关系进行研究。1896年2月24日他在一篇报告中描述到：他用两张黑纸包住一张感光底片，在黑纸上放一块铀盐板，然后一起放到太阳光下曝晒几小时。显影之后，他发现在底片上留下了阴影······。这似乎“证明”了彭加勒的猜测······3月2日科学院又要开会，贝克勒尔想在会上报告自己的研究工作，所以准备再做一次实验，但2月26日和27日巴黎是阴天，直到3月1日天仍然阴沉沉，太阳始终没露面。贝克勒尔因无法进行实验而感到沮丧，但没想到却因祸得福，证明了X射线和荧光没关系。后来，贝克勒尔研究了不同状态下的铀盐，他发现它们都具有相同的性质，它们发出的是一种不同于荧光和X射线的新射线。5月18日，他报告了他的研究结果。人们把他发现的射线称为“铀射线”。贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作而得到了迅速的发展。1897年，居里夫人选择放射性作为自己的博士论文题目。1898年，她断定钍也是放射性元素。居里夫人相信，既然不止一种元素能自发地放出辐射，肯定它具有普遍性。就此，她提出了具有普遍意义的“放射性(Radioactivity)”这个崭新的概念和术语。居里夫人发现铀矿渣中含有一种放射性比铀还要强的未知元素，1898年7月居里夫人从沥青铀矿中提取出了一种新的放射性元素，并命名为钋(Polonium)。发现钋之后，居里夫妇开始了科学史上最艰难、最悲壮同时也是最辉煌的镭的提炼。苦战四年之后，他们于1902年从数吨矿渣中提炼出了0.1克纯镭盐(氯化镭)，并测出了镭的原子量。1903年，贝克勒尔、居里夫妇因放射性的研究被授予诺贝尔物理奖。居里夫人，原名玛丽·斯可罗多夫斯卡(MarieSklodowska)，1867年诞生于波兰华沙，1934年在法国逝世。曾获1903年诺贝尔物理奖和1911年诺贝尔化学奖。第一位荣获诺贝尔奖的女科学家；第一位两度荣获诺贝尔奖的科学家；迄今为止，唯一的一位在两个不同学科领域荣获两次诺贝尔科学奖的科学家。她和丈夫是第一对共同荣获诺贝尔奖的夫妻。她还是一位伟大的母亲，两个女儿在她的培养教育下都学有所成。2.2α、β和γ射线的研究1898年，卢瑟福在实验中发现“铀射线”的成份是复杂的，其中至少包含两种不同的辐射，一种非常容易被吸收，他称之为α射线；另一种具有较强的贯穿本领，称之为β射线。他的这一成果发表于1899年。1900年，贝克勒尔通过实验确定β射线就是高速电子。γ射线是由法国物理学家维拉德(PaulVillard)于1900年发现的，后来被证实为一种高频电磁辐射。1903年，卢瑟福利用自制仪器发现α射线在磁场作用下发生偏转，并从方向上断定α射线粒子带正电。1909年，卢瑟福以巧妙的方法从光谱上判断出α粒子就是氦原子核。1913年索迪正确地归纳出放射性物质衰变时的位移法则：放出α射线时，生成的元素在周期表里原子序数减少2。放出β射线时，原子序数增加1。同年，英国物理学家莫塞莱通过对各种元素X射线特征谱的研究，指出原子序数就是原子核所带正电荷数，这一发现对元素周期表构造理论的发展起了相当大的推动作用。H.Moseley(1887-1915)三.几个著名的核反应1902年，卢瑟福和化学家索迪(F.Soddy)合作，大胆地提出原子嬗变(atomtransmutation)假说。该假说认为放射性物质是由一些不稳定的原子组成的，每单位时间都有确定的一部分原子通过发射(α、β和γ)射线而蜕变成其它元素；也就是说，元素也有一个“进化”过程。原子嬗变理论打破了“原子是不可分割的”哲学和化学思想，确立了元素之间可以转换的观念。在此之前，原子转变的现象仅限于天然范围。人们自然会问，是否有可能用人工的方法进行原子转变，以实现自古以来人类幻想的“点石成金”呢？3.1历史上第一个人工核反应(导致质子的发现)1919年，卢瑟福继承了他的老师汤姆逊的剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务。同年他采用如下装置利用212Po放出的α粒子去轰击N原子，实现了历史上第一个人工核反应。HON11178147这是人类历史上第一次人工实现的“点金术”，使一种元素转变成了另一种元素。卢瑟福发现许多元素在α粒子轰击下都可放射出“带正电的氢原子”。因此认为所有元素的原子核中都存在这种带正电的粒子，并于1920年将其命名为“质子(proton)，符号为p”。pON178147卢瑟福在实验中实现了下述核反应：3.2导致发现中子的核反应1920年，卢瑟福提出了中子假说，认为原子核中除了质子外，可能还存在一种由电子和氢核组成的不带电的中性粒子，他称为“双子(doublet)”。1930年，德国物理学家玻特(W.Bothe)和他的学生贝克尔(H.Becker)发现，用α粒子轰击铍9(9Be)时，会产生一种穿透能力极强的中性射线，他们认为这种中性射线是γ射线(实际上是中子！)随后不久，约里奥-居里夫妇也进行了这一实验，并让反应物打在含氢的石蜡上，发现有质子被从石蜡中击出。他们认为这是由γ光子引起的“康普顿效应”。就这样，玻特和约里奥-居里夫妇都错过了发现中子的机会!CnBe1291932年，英国物理学家卢瑟福的学生查德威克(J.Chadwick)重复了上述实验，并证明反应过程中所产生的中性射线是由一种质量和质子差不多的中性粒子组成的，他把这种中性粒子称为中子(neutron)。查德威克因此被授予1935年Nobel物理奖。J.Chadwick3.3第一个在加速器上实现的核反应1932年，英国剑桥大学卡文迪许实验室的科克罗夫特(J.D.Cockcroft)和瓦尔顿(E.T.S.Walton)利用他们自己发明的“科克罗夫特瓦尔顿加速器”加速质子，然后轰击锂，实现了下述核反应(二人因此荣获1951年Nobel物理奖)：在这一反应中输入的能量是0.5MeV，输出能量为17.8MeV。这表明从原子核中可以释放出能量。CockcroftWaltonLip733.4产生第一个人工放射性核素的反应1934年，约里奥-居里夫妇发表文章宣布观察到了人工放射现象，他们完成了如下核反应：磷30不稳定，通过放射性衰变转变为硅30：nPAl30152713veSiP0130143015人工放射性的发现，为人类开辟了一个新领域。从此，科学家们不必再只依靠自然界的天然放射性物质来研究问题，大大地推动了核物理学的发展。约里奥-居里夫妇因此于1935年被授予Nobel化学奖。四.重核的裂变和轻核的聚变4.1费米的中子实验一代物理大师费米(EnricoFermi,1901-1954)出生于意大利，2