原子物理与核科学.doc

《原了物理学和原了核物理学的形成》丁长亮远在公元前4世纪，希腊哲学家留基伯和他的学生徳漠克利特已经提出〃原子〃的概念 他们认为力物都是由大量不可分割的微小质点所组成，他们把这样的微小质点叫做〃原了〃 原了除有大小、形状和位置的差异外，没有区别原了遵照一定的规律在〃虚空〃中不断运动 它们集合在一起时便形成物体，分离时物体便消失在当时这仅是一种猜想而已，无法用实 验证实但是这个说法跟一切物体都能粉碎的事实是相吻合的原了说在中世纪受到宗教和 神学的压制，没有得到发展到了 17世纪，随着化学的发展，这种观点又重新传播起来了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 着儿十种元索的发现，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、不能毁火又不能创生的原子所组成 同种元素的原了大小、性质等都相同，异种元素的原了是不相同的道尔顿用他的学说说明 了化学中的物质不灭定律、定比定律和倍比定律等道尔顿的原了说是根据事实概括的结果, 能够用来研究和发现新的现象，因此比古代原了说更进一步。

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了分了学说但 是原子分子是否存在，一直没有用实验证实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，他还提出了测定分了大小的新方法1908年，法国物理学家 佩林按爱因斯坦的方法，用实验测定了分了的大小，结果跟爱因斯坦预言的一致，终于在科 学界确认了现代分了原了学说1897年汤姆逊发现了电子，并证明了电了是各种元索的基木组成部分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，提出了原了白然衰变的 理论这些事实打破了道尔顿以来人们认为原了不可再分割的观念带负电的电了的发现，向人们提出了这样一个问题，原了内部有许多电了，但原了又是 电中性的，说明原了内部还有带正电的物质那么，这些物质在原了内部是怎样分布的呢？1903年汤姆逊在爱尔兰大学讲课时，以元索进化说为基础，提出了他的原子结构模型: 正电荷均匀地分布在原子球内，一些电子等间隔地扌非列在与球同心的圆周上他还计算了在 正电球库仑力以及电了相互间库仑力的作用下，使这种原了结构保持稳定状态的条件在计 算中汤姆逊发现，为了不使电了都集中到球心，电了必需分布在几个同心圆环上，如果尽量 减少圆环数，对应正电球里各种数目电了的稳定分布就出现了周期性。

汤姆逊的模型后来被 证明是错误的，但他的这些研究为后人建立原子模型提供了不少启示汤姆逊（1856〜1940年）英国物理学家，1856年生于曼彻斯特的一个专 印大学课本的书商家庭由于父亲的职业关系，汤姆逊从小就结识了一些 曼彻斯特大学教授，受学若的影响，汤姆逊学习很认真，14岁便讲了曼彻 斯特大学1876年21岁的汤姆逊便被保送到剑桥大学三一学院深造此 后，他-直在剑桥教书和硏究1884年，瑞利从卡文迪许实验室退休时，推荐27岁的汤姆逊接任该实验室主任Z职 此后，汤姆逊领导这个机构达34年之久汤姆逊对H己的学生要求非常严格他要求学生 在开始做研究Z前，必须学习好所需要的实验技术，实验仪器全要自己动手制造他要求学 生成为会思考、有独立工作能力的人，成为不仅是实验的观察者，更是实验的创造者在汤 姆逊严格培养下，后来有9名学生取得诺贝尔奖1906年汤姆逊因发现电子而获得该年度的诺贝尔奖1940年8月30 U他在剑桥逝枇为表彰他的杰出贡献，他的骨灰与牛顿、达尔文、开 尔文等伟大科学家的骨灰放在一起1911年卢瑟福根据a粒子散射实验的结果，否定了汤姆逊的原了模熨，提出了核式原了 结构模型认为原了的绝大部分质量和所有正电荷都集中在体积相当小的原了核内，电了在 核外绕核旋转。

卢瑟福模型在当时并不被物理学家们所普遍接受按经典电磁理论，绕核旋转的电子, 因作加速运动，要向外辐射电磁波，这将消耗电了的绕核运动的能量，使它最终落到原了核 上说明这样的原了结构极不稳定，而通常所见的原了是极稳定的再有电了绕核运转最示 落到原了核的过稈中辐射出的电磁波或光波应成连续光谱而原了处于炽热状态时所发射的 光，不是连续光谱而是线光谱卢瑟福（1871〜1937年）是英国的原子核物理学家1871年出生在新西 兰一个英国移民的后裔家庭，幼时家境较贫困，逆境使他奋发，他的学习 成绩一育名列前茅，靠助学金完成学业艰苦的求学经历培养了卢瑟福有 一种一旦认准了目标就百折不冋、勇往直前的精神后来他的学生在剑桥 皇家学会蒙得实验室的人门右边的墙上，刻了一条鳄鱼，来赞誉他们的老 师，因为鳄鱼也是从不冋头，勇往直前的1895年卢瑟福来到英国，师从汤姆逊教授从此他开始了研究原了核物理的生涯卢瑟 福在原了核物理学方血有许多建树著名的a粒了散射实验就是在他领导下完成的1905年，卢瑟福因〃在元素蜕变及其放射化学方面的研究〃而获得该年度的诺贝尔化学 奖在得奖演说中；他风趣地说：〃我一生中，曾经历过各种不同的变化，但最大的变化要 算这一次了。

我竟从物理学家一下子变成了化学家〃卢瑟福也是培养青年的良师许多有名的科学家例如玻尔、莫塞莱、查徳威克和盖革等 都是他的学生1913年，川麦的物理学家玻尔为了克服核式模型和经典物理理论的矛盾，提出经典电磁 理论只适合于龙观现象，但不适合于微观现象，原了内部的运动遵守另外的规律他大胆地 引进普朗克的量子理论，提出了两个假设玻尔认为在原子核的库仑场中存在一些特定的电 子绕核运转的轨道，在这些轨道中运动的电了虽然有加速度，但不会向外发射电磁波对应 于每一稳定轨道，原了具有一定的能量电了能够从一个稳定轨道跃迁到另一稳定轨道，在这个跃迁中原子将吸收或放出一定频率的 单色光单色光的能量等于两个稳定轨道对应的原子状态的能量差玻尔按这两个假设，定最地计算出了氢原了的电了绕核运动的轨道半径和它们对应的原了稳 定状态的能量，导出了光谱学中的巴耳末系的计算公式，理论计算与实验结果完全一致玻 尔的理论不仅使人们确信了原了的核式结构，而且还使长期积累的光谱资料理出了清晰而有 条理的系统从此原子光谱和分了光谱成了研究原了和分了结构的有力工具玻尔理论肩经索末菲等人的改进索末菲从实验事实出发,将电了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 量了数和磁最了数的概念索末菲的理论成功地解释了在强电场下，氢原了光谱出现分裂的 斯塔克效应和处在强磁场中的光源发射的谱线，会分裂的寒曼效应1920年索末菲又引入 了第四个量了数这第四个量了数直到1925年才被科学家弄清楚，原来是绕核旋转的电子 的白旋量子数1925年泡利在研究四个量了数跟原了核外电了排布的关系时，发现了泡利不相容原理：在 同一原了内，具有完全相同的四个量子数的电了只能有一个利用玻尔、索末菲理论加上泡 利不相容原理可以成功地解释核外电了的排布至此经典的原了物理学完全建立了起来原了核物理学的发展是和19世纪末以来原了物理学的发展交织在一起的白1896年贝克勒 耳发现铀盐的放射性Z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，通过他俩的艰苫努力，发现了镭和针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木身的关系研究T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a射线、B射线和丫射线并弄清了 a射线带正电；B射线带负电，y射线不带电卢瑟福和化学家索迪合作弄清了放射性物质放出射线后自身变成了新物质，于1903年提出了原子自然衰变的理论:（1） 放射线是随着放射性物质变化为另外的新物质时放出来的。

2） 放射线是由带电物质粒了•所纟fl成的这种粒了的放出，木身就是放射性变化3） 在放射性变化中，化学原了被破坏了4）根据放射性的衰减服从指数规律，导得放射性变化的规律为1913年由索迪正确地归纳出放射性物质衰变时的位移法则：放出a射线时，生成的元素在 周期表里原了序数减少2放岀B射线时，原了序数增加同年，卢瑟福的学生、英国物理学家莫斯莱通过对各种元索X射线特征谱的研究，指出原了 序数就是原了核所带正电荷数，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 用建立位移法则之示，科学家把几种放射性蜕变生成物归放到周期表中去，发现在周期表的同 一位置处出现了除原了量和放射性的性质有所不同之外，在化学性质上完全相同的几种物 质由此索迪在1910年暗示了同位索的存在到1912年汤姆逊和他的学生阿斯顿利用当时 发明的质谱仪测定筑的原子量时，他们发现筑离了束通过磁场时分裂为三朿经研究，原来麻气由三种质量不同，化学性质完全相同的氛原了组成这样，索迪就把在元索周期表中处 于同一位置，化学性质完全相同，仅放射性和质量不同的元素叫做〃同位素〃1919年卢瑟福在研究a粒了在氮气中射程时，偶然发现a粒了打入氮核能使它发生反应， 放出新的粒了。

这种新粒了的射程远比a粒了长经研究这种新粒了带正电，经测定麻被命 名为质了卢瑟福的这个发现，为研究原了核物理提供了一种新的用高速粒了去轰击原了核 使原了核起变化，同时产生新粒了的方法运用卢瑟福开创的方法，1930年科学家发现， 用放射性元素乍卜所放射的a粒子去轰击披时，产生了一种穿透木领极大的射线1932年约 里奥一居里夫妇发现，这种射线通过石蜡时会从石蜡板中轰击出高速的质了来英国物理学 杳徳威克研究这些现象后指出，这是质量几乎跟质了完全相等的中性粒了，取名中了中了 发现示，徳国物理学家海森堡和苏联物理学家伊凡宁柯分别同时提出了原了核是由质了和中 子组成的核结构模型至此，人们对经典原了的结构有了一个完敕的新的认识也使以前发 现的一些规律得到了完满解释1934年约里奥一居里夫妇用＜i粒子轰击不同的非放射性元素，发现了人造的放射性同位素 人工放射性元素的发现，开辟了放射性同位素在科学技术方面应用的广阔领域质了、中了和电了示来被科学家称为构成物质的基木粒了但随着研究工作的深入，目前已 发现基本粒子有三百多种，其中包括正电子、反质了、介子和中微了等等带正电的质子聚集在这么小的原子核中，而不被强大的库仑力拆散，这使科学家发现了核力。

通过核力和基木粒了间相互作用的研究，目前物理学家普遍认为在自然界中存在四种基本 力：力有引力、库仑力、强相互作用和弱相互作用力20世纪在原了核物理方面的一项巨大成就是原了核能的应用o1903年皮埃尔•居里夫妇发现每克镭每小时要放出400焦耳以上的热量 经研究，这是因为镭放出的射线中的粒子有很大的动能，动能的一小部分 在放射过稈中转变为热能造成的但经计算1克镭能放出的热能十分巨大, 竟比相应的化学能大几百力倍rfl于放射性现象是由原子核的变化产生 的，原了核内可能蕴藏如此巨大的能童吗？ 1905年爱因斯坦发表的质能关 系式E二me2,给出了这种可能性1925年科学家们又发现各种原子核的质量略小于构成它们的核子即中子、质子的质量Z和, 出现了"质量亏损〃结合爱因斯坦的质能关系式，科学家们想到这是中了、质了在构成原子 核时有一部分质量转化为结合能放出了科学家们又研究了周期表中备元素原了核内单个核 了的〃平均结合能〃，发现原子序数较小的和原子序数大的原子的平均结合能较小，处于中间 的元索原了的平均结合能特别大这就提示科学家，如果有可能把原了序数大的元索原了打 碎成几块（裂变），或把几个轻核合并起来（聚合），在这样的反应过稈中，将会释放出巨 大的能量。

示来科学家果然找到了铀核打碎。