高中物理备课资料：物理学史(1).pdf

1 高中物理备课资料：物理学史1899 年年卢瑟福发现卢瑟福发现αα射线和射线和ββ射射罗会仟 节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》图 1. 卢瑟福1896 年贝克勒尔发现天然放射性之后年贝克勒尔发现天然放射性之后，， 居里夫妇从沥青中提取出了天居里夫妇从沥青中提取出了天然放射性单质元素钋和镭，用信服的实验结果证实了自然界中确实存在放然放射性单质元素钋和镭，用信服的实验结果证实了自然界中确实存在放射性元素，从此拉开了放射性研究的序幕为了进一步了解所谓的射性元素，从此拉开了放射性研究的序幕为了进一步了解所谓的““放射放射性性”” 究竟是什么物质究竟是什么物质，， 英国的物理学家卢瑟福开展了几个关键性物理实验英国的物理学家卢瑟福开展了几个关键性物理实验，，并由此建立起了物理学的一个新的分支并由此建立起了物理学的一个新的分支————原子物理学原子物理学2 高中物理备课资料：物理学史图图 2.2. 三种放射线的偏转三种放射线的偏转1897 到到 1899 年间，剑桥大学的卢瑟福在贝克勒尔的发现基础上，年间，剑桥大学的卢瑟福在贝克勒尔的发现基础上，针对放射元素铀的发出的射线做了深入的研究。

我们知道天然射线穿透能针对放射元素铀的发出的射线做了深入的研究我们知道天然射线穿透能力很强，可以使厚纸包裹的底片感光为了研究天然射线究竟能穿透什么力很强，可以使厚纸包裹的底片感光为了研究天然射线究竟能穿透什么材料，卢瑟福试着用层层铝箔把铀盐包裹起来他发现天然射线实际上存材料，卢瑟福试着用层层铝箔把铀盐包裹起来他发现天然射线实际上存在两种，一种可以很轻易地用纸或单层铝箔就可以挡住，而另一种需要多在两种，一种可以很轻易地用纸或单层铝箔就可以挡住，而另一种需要多层铝箔才能包住层铝箔才能包住于是卢瑟福用希腊字母把前者命名为于是卢瑟福用希腊字母把前者命名为αα（（阿尔法阿尔法））射线射线，，后者命名为后者命名为ββ（贝塔）射线不久，法国物理学家维拉尔从铀盐中又发现（贝塔）射线不久，法国物理学家维拉尔从铀盐中又发现3 高中物理备课资料：物理学史了一种穿透力更强的射线，称为了一种穿透力更强的射线，称为γγ（伽马）射线三种射线如何区别呢？（伽马）射线三种射线如何区别呢？物理学家们发现三种放射线其实带电特征不同，物理学家们发现三种放射线其实带电特征不同，αα射线带正电，射线带正电，ββ射线带射线带负电，负电，γγ射线不带电。

根据电磁学的基本原理，带电粒子在磁场中会发生射线不带电根据电磁学的基本原理，带电粒子在磁场中会发生偏转，因此辨认三种射线可以简单用磁铁来做到把放射物质放在带小孔偏转，因此辨认三种射线可以简单用磁铁来做到把放射物质放在带小孔的铅盒中，射线路径上加上磁场，不带电的的铅盒中，射线路径上加上磁场，不带电的γγ射线将保持直线传播，而带射线将保持直线传播，而带正电的正电的αα射线和带负电的射线和带负电的ββ射线则偏转方向相反并和磁场方向有关射线则偏转方向相反并和磁场方向有关 如今如今，，物理学家已经清楚三种射线的本质，物理学家已经清楚三种射线的本质，αα射线是失去两个电子的氦原子，即射线是失去两个电子的氦原子，即氦原子核，含有两个质子，所以带正电，具有较大的质量；氦原子核，含有两个质子，所以带正电，具有较大的质量；ββ射线实际上射线实际上就是电子流，所以带负电，质量较轻；就是电子流，所以带负电，质量较轻；γγ射线属于电磁波，是光子束，其射线属于电磁波，是光子束，其静止质量为零从质量上也可以看出，三种射线穿透能力属静止质量为零从质量上也可以看出，三种射线穿透能力属γγ射线最强射线最强一般来说，人的皮肤或者一张纸就可以挡住一般来说，人的皮肤或者一张纸就可以挡住αα射线，一块厘米厚度的木板射线，一块厘米厚度的木板或者毫米厚度的铝箔就可以阻挡或者毫米厚度的铝箔就可以阻挡ββ射线，而能量很高的射线，而能量很高的γγ射线能够轻易穿射线能够轻易穿透人体组织透人体组织，， 只有采用厚厚的混凝土或者达几个厘米厚的铅板才能阻挡它只有采用厚厚的混凝土或者达几个厘米厚的铅板才能阻挡它！！除此之外，核反应中释放的中子也会造成核辐射，四种射线都属于电离辐除此之外，核反应中释放的中子也会造成核辐射，四种射线都属于电离辐射。

射图图 3.3. 常见电离辐射的防护方法常见电离辐射的防护方法4 高中物理备课资料：物理学史天然放射性在自然界普遍存在，地表的土壤和岩石和建筑用的花岗岩天然放射性在自然界普遍存在，地表的土壤和岩石和建筑用的花岗岩等都含有一定量的天然放射性元素，我们所饮用的水和食用的食物都可能等都含有一定量的天然放射性元素，我们所饮用的水和食用的食物都可能含有少量的放射性物质含有少量的放射性物质，，而在医疗检查或者放射性治疗中用到的而在医疗检查或者放射性治疗中用到的 X 射线和射线和γγ射线都是人工辐射源稀有气体氡气是天然放射的主要来源之一，过量射线都是人工辐射源稀有气体氡气是天然放射的主要来源之一，过量的辐射会引起人体的不适甚至病变，积累过多的辐射会导致死亡许多所的辐射会引起人体的不适甚至病变，积累过多的辐射会导致死亡许多所谓的谓的““鬼屋鬼屋””其实是因为含有大量的氡气和其他惰性气体，容易使人产生其实是因为含有大量的氡气和其他惰性气体，容易使人产生幻觉并且对身体造成伤害，以至于某些抵抗力差的人会离奇地死亡幻觉并且对身体造成伤害，以至于某些抵抗力差的人会离奇地死亡图图 4.4. 生活中的辐射来源及比例生活中的辐射来源及比例发现天然放射性的类别之后发现天然放射性的类别之后，， 卢瑟福进一步思考这些放射性的物理本卢瑟福进一步思考这些放射性的物理本质，他认为放射性其实来自原子内部，由于放射性的存在，原子内部状态质，他认为放射性其实来自原子内部，由于放射性的存在，原子内部状态发生变化发生变化，， 可能转化为另一种原子可能转化为另一种原子，， 有别于原子都不发生变化的化学反应有别于原子都不发生变化的化学反应。

为了验证他的想法，卢瑟福用为了验证他的想法，卢瑟福用αα粒子轰击了氮原子，通过分析粒子轰击了氮原子，通过分析αα粒子散射粒子散射后的偏转路径，他发现其实原子内部是有结构的真正和后的偏转路径，他发现其实原子内部是有结构的真正和αα粒子发生对撞粒子发生对撞的仅仅只有原子中心的一小部分的仅仅只有原子中心的一小部分————原子核，而原子核外部都是带负电的原子核，而原子核外部都是带负电的5 高中物理备课资料：物理学史电子电子更深入的研究让卢瑟福于更深入的研究让卢瑟福于 1919 年发现了原子核内部存在带正电的年发现了原子核内部存在带正电的粒子粒子————质子卢瑟福以无可辩驳的实验证明了原子具有内部结构，它并质子卢瑟福以无可辩驳的实验证明了原子具有内部结构，它并不是我们世界最小单元！正是如此，后人才依据他的实验基础提出了各种不是我们世界最小单元！正是如此，后人才依据他的实验基础提出了各种原子模型，并最终催产了量子力学！这些人群中，诸多是卢瑟福的学生或原子模型，并最终催产了量子力学！这些人群中，诸多是卢瑟福的学生或者助手卢瑟福可谓是世界上者助手卢瑟福可谓是世界上““桃李满天下桃李满天下””中的佼佼者，他的学生和助中的佼佼者，他的学生和助手中有近手中有近 10 位鼎鼎大名的诺贝尔奖获得者位鼎鼎大名的诺贝尔奖获得者。

为了纪念卢瑟福的科学贡献为了纪念卢瑟福的科学贡献，，英国特地成立了卢瑟福实验室英国特地成立了卢瑟福实验室，，之后和阿普尔顿合并之后和阿普尔顿合并，，称为卢瑟福称为卢瑟福.阿尔普阿尔普顿实验室，是目前世界上几个著名的科学实验室之一顿实验室，是目前世界上几个著名的科学实验室之一图 5. 英国卢瑟福-阿普尔顿实验室(实地拍摄)6 高中物理备课资料：物理学史1911 年年卢瑟福提出原子结构的有核模型卢瑟福提出原子结构的有核模型20 世纪初，原子论的已经被广泛接受，然而原子内部有什么？仍然世纪初，原子论的已经被广泛接受，然而原子内部有什么？仍然是一个待解决的问题为了探测原子内部结构，最简单直接的办法就是找是一个待解决的问题为了探测原子内部结构，最简单直接的办法就是找到一个合适的到一个合适的““子弹子弹””去去““射击射击””原子，看原子，看““子弹子弹””是如何偏转的英国是如何偏转的英国物理学家卢瑟福利用他在天然放射性方面研究得天独厚的优势，很快找到物理学家卢瑟福利用他在天然放射性方面研究得天独厚的优势，很快找到了这个合适的了这个合适的““子弹子弹”——α”——α粒子因为在天然放射线中，粒子因为在天然放射线中，αα粒子（本质粒子（本质是氦原子核）带正电，具有较大的质量和较低的速度，最容易探测其运动是氦原子核）带正电，具有较大的质量和较低的速度，最容易探测其运动轨迹。

轨迹图 1. 阿尔法粒子轰击原子的轨迹1911 年年，，卢瑟福用卢瑟福用αα粒子轰击金箔并追踪其轨迹粒子轰击金箔并追踪其轨迹，，他发现大部分他发现大部分αα粒子都粒子都““如入无人之境如入无人之境””穿透过去，只有一部分轨迹发生了偏转，说明它穿透过去，只有一部分轨迹发生了偏转，说明它们受到了正电的排斥作用，其中还有万分之一的粒子是们受到了正电的排斥作用，其中还有万分之一的粒子是““如撞墙后原路弹如撞墙后原路弹回回”” 的的 这说明在金原子内部存在一个比这说明在金原子内部存在一个比αα粒子质量大得多且带正电的粒子质量大得多且带正电的 ““核核心心”” ，， 其直径仅仅是原子直径的万分之一左右其直径仅仅是原子直径的万分之一左右，， 卢瑟福把它叫做卢瑟福把它叫做 ““原子核原子核”” 7 高中物理备课资料：物理学史由于原子本身是电中性的，所以为了平衡，原子核外就是一堆带负电的电由于原子本身是电中性的，所以为了平衡，原子核外就是一堆带负电的电子子““紧密团结紧密团结””在原子核外围原子内部结构的发现开启了原子物理学这在原子核外围原子内部结构的发现开启了原子物理学这一新的学科，卢瑟福也成为了探索原子内部奥秘的第一人，为此他获得一新的学科，卢瑟福也成为了探索原子内部奥秘的第一人，为此他获得了了1908 年的诺贝尔化学奖。

年的诺贝尔化学奖图图 2.2. 原子的有核轨道模型原子的有核轨道模型关于原子内部结构的探索还远没有停止，为了理解电子在原子内部是关于原子内部结构的探索还远没有停止，为了理解电子在原子内部是如何运行的如何运行的，， 物理学家先后提出了物理学家先后提出了““葡萄干蛋糕模型葡萄干蛋糕模型””、、 ““行星轨道模型行星轨道模型”” 、、““量子化原子模型量子化原子模型””等一系列模型，最终促使了量子力学的建立而量子等一系列模型，最终促使了量子力学的建立而量子力学最成功的案例之一就是氢原子模型力学最成功的案例之一就是氢原子模型，， 在这个模型中在这个模型中，， 电子不再是以电子不再是以 ““轨轨道道””形式在原子内部运动，而是以形式在原子内部运动，而是以““电子云电子云””形式，氢原子的电子云是各形式，氢原子的电子云是各向同性的球形向同性的球形，，在某些特定直径处电子出现概率较大在某些特定直径处电子出现概率较大，，对应于之前对应于之前““轨道轨道””8 高中物理备课资料：物理学史的概念不同原子里的电子云形状多种多样，它们有的概念不同原子里的电子云形状多种多样，它们有““哑铃型哑铃型””、、““十字十字梅花型梅花型””、、““纺锤型纺锤型””等等，这才是电子在原子内部的真实情况。

等等，这才是电子在原子内部的真实情况图图 3.3. 电子云的形状电子云的形状卢瑟福的实验同样创造了粒子物理学的基本研究方法卢瑟福的实验同样创造了粒子物理学的基本研究方法————撞击或者撞击或者对撞现今粒子物理学家仍采用对撞的方法来研究粒子的内部结构和粒子对撞现今粒子物理学家仍采用对撞的方法来研究粒子的内部结构和粒子间的相互作用北京的正负电子对撞机、美国费米实验室的粒子对撞机、间的相互作用北京的正负电子对撞机、美国费米实验室的。