卢瑟福与原子核式结构模型.pdf

第 32 卷第 8 期 2011年物理教师 P H Y S IC S T E A C H E R丫 乞 1.32 N o .8 (2011)? 物理学家与物理学史? 卢瑟福与原子核式结构模型毛宏伟(无锡高等师范学校,江苏 无锡214000 )1911年,英国物理学家卢瑟福通过对 a 散射实验的研不可分割.所以原子从一开始就被认为是不可再分割的组 究后 ,提出了著名的核式结构学说 ,又称为行星模型, 比较成一切物质的最小颗粒.1 9 世纪初,英国化学家道尔顿提准确地反映原子的内部结构, 在他的工作基础上,卢瑟福的出科学的原子论 ,认为不同的元素对应不同的原子, 同一种学生波兰物理学家玻尔引人量子理论和 3 个假设,成功解元素原子都一样.186 9年,俄国的门捷列夫发现 了元素周释氢光谱,获得诺贝尔奖.原子核发现后 ,卢瑟福于 19 1 9 年期表,对原子结构的研究开始进人科学轨道.1858 年,人们利用 a 射线轰击氮原子核,在人类历史上首次实现了人工在研究低压气体的放电现象时,发现阴极会发 出一种辐射核反应.从此元素再也不是永恒不变的东西了.卢瑟福通过?阴极射线, 189 7 年, 英 国物理学家汤姆逊证实阴极射一系列核反应发现了质子, 也就是氢离子,是一切原子核的线在电场中偏转,判断其带电, 进而测定该粒子的荷质比, 组成成分,并预言了中子, 中子后来由他的学生查德威克发发现质量很小, 只有氢原子的 1/ 1 80 0 , 汤姆逊于 189 7年 4现 ,并且最终确立了以质子和中子为基础的原子核结构模月 3 0日宣布发现了电子.电子发现后 ,人们开始认识到电型.卢瑟福不仅 自己获得过诺贝尔奖 ,他还培养了十几个学子是一切元素的原子的基本组成部分.但通常情况下原子生获得诺贝尔奖, 说他是最伟大的老师一点不过分.2011是呈电中性的,这表明原子中还有与电子的电荷等量的正年是核式结构提出 10 0周年,仅以此文表示纪念.电荷,所以,研究原子的结构首先要解决原子中正负电荷怎1卢瑟福的生平简介样分布的问题. 欧内斯特 ? 卢瑟福 ,英国物理学家.187 1年 8 月 3 0日从 1901年起 ,各国科学家提出各种不同的原子模型.生于新西兰纳尔逊附近泉林村,父母都是来 自英国的移民,190 4年,汤姆逊经过研究, 提出了一个 比较有影响的原子父亲是木工,母亲是小学教师.家庭人口众多,有 5 个兄弟模型.他假设原子中的正电荷均匀而连续的分布在整个原和 5 个姐妹,他排行第 4.卢瑟福的兄弟姐妹从小就知道生子中,许多细小的电子均匀分布在其内,正像面包里的葡萄活的艰难 ,他们都知道要想生活得好一点就得 自己动手 ,需干一样 ,故形象的称其为?葡萄干面包模型 ?.这种模型能够要踏踏实实地做事.每一个成员都要分担一些责任 ,全家人定性地解释原子的稳定性和光谱.在劳动中互相帮助?团结协作,很少发焦争吵.卢瑟福在这从 18% 年开始,卢瑟福在汤姆逊的建议下开始研究 x 种家庭中成长起来 , 养成了相互协作?尊重别人 的良好品射线, 通过反复研究铀放射出来的射线后发现,有些射线带质.少年的卢瑟福就表现出一定的创造才能, 他曾设计制造正电, 有些射线带负电,而有些射线根本不带电.他用希腊过一种玩具大炮 ,可以发射更远的 ?炮弹 ?;并修复过一只坏字母分别给这 3 种射线命名,把带正电的叫做 a 射线,带负钟,让钟准确计时;而且还会用几个透镜 自制照相机以及冲电的叫做 日射线, 不带电的叫 下射线.后来知道 丫射线就是洗照片.188 6年卢瑟福以优异成绩获得奖学金, 进人纳尔x 射线 ,但 a射线 ,日射线, 是什么还是不清楚 , 只知道一种逊学院学习,在这里他选修了自然科学课 ,并且成绩优秀.粒子组成的.1 8 岁时他带着另一份奖学金进人新西兰的坎特伯雷学院189 8 年,卢瑟福受加拿大蒙特利尔 的麦吉尔大学聘 学习,他的数学和物理成绩都是名列前茅.由于成绩优秀,请,成为该校的物理系教授,继续他关于 ?粒子和 p 粒子的18 9 2 到 1 8 94 年间,共 获得了 3 个学位(文学学士 ?文学硕研究.在这里他整整呆了9 年,和青年工程师欧文斯以及助 士?理学学士).189 5 年, 几经周折, 卢瑟福获得 ?185 1年奖手索迪合作,研究牡的放射气,受居里夫妇关于镭的放射气学金 ?,能够进人英国的最高学府?剑桥大学学习.而他研究的影响, 卢瑟福用镭重新做了实验.实验证明, 铀 ?镭?即将从事的科学研究的单位,就是赫赫有名的卡文迪许实牡都是可以发生分裂的, 分裂的过程中产生了 ?粒子和 p验室 ,当时的研究室 主任就是后来发现 电子的 J.J.汤姆逊 .粒子.1898 年移居加拿大,在汤姆逊的推荐下, 担任加拿大有 ?北1907 年,卢瑟福接受 了英国曼彻斯特大学的聘请, 担 方哈佛?之称的麦吉尔大学的物理教授.1 9 0 7年返回英国任教授并主持曼彻斯特实验室的工作.他把 Q 粒子作为主出任曼彻斯特大学的物理系主任.1919 年接替退休的汤姆要的研究课题 .在助手汉斯 ? 盖革的协助下, 卢瑟福设计出 逊,担任卡文迪许实验室主任.192 5年当选为英国皇家学一种计算 a粒子数的方法,根据这种方法, 他们制成了计数会主席.193 1年受封为纳尔逊男爵, 193 7年 1 0 月 1 9日因器 ,后来这种计数器被称为盖革计数器.通过实验, 他证实病在剑桥逝世, 与牛顿和法拉第并排安葬在威斯敏斯特教a 粒子就是带正电的氢原子.190 8年, 由于其在放射性方面堂, 享年 6 6 岁.的研究成绩突出,获得诺贝尔化学奖.2原子核式结构的提出1 9 0 9 年, 汉斯 ? 盖革和恩斯特 ? 马斯登在卢瑟福指导下 公元前 5 世纪, 希腊哲学家德漠克利特把构成物质的于英国曼彻斯特大学做了一个著名的物理实验~粒子散 最小单元叫做原子, 原子一词(atom )来 自希腊语,意思就是射实验.实验的目的是想证实汤姆逊原子模型的正确性 .为一49一V bl.32 N 6 (2011)物理教师 P H Y S IC S T E A C H E R第 3 2 卷第 8 期 2011 年了要考察原子内部的结构,卢瑟福和他的助手用 a粒子轰击金箔来进行实验.在一个铅盒里放有放射性元素扑,它发出的 ? 射线从铅盒的小孔射 出,形成一束很细的射线射到 脚 厚的金箔上.当 a粒子穿过金箔后,射到荧光屏上产生一个个的闪光点,这些闪光点可用显微镜来观察.为了避免空气影响实验结果,整个装置放在一个抽成真空的容器内,带有荧光屏的显微镜能够围绕金箔在一个圆周上转动. 实验发现绝大多数的 Q粒子都沿直线直接穿过很薄的金箔,偏转很小;但有少数 a粒子发生角度较大的偏转,大约有 l沼000 的a 粒子偏转角大于 90 0 , 甚至观察到偏转角接近 1 8 0 0 的散射, 这就是 Q粒子的散射现象.发生极少数 Q粒子的大角度偏转现象是出乎意料的.根据汤姆逊模型的计算,Q粒子穿过金箔后偏离原来方向的角度是很小的, 因为电子的质量不到 Q粒子的 1刀4 0 0, a粒子碰到它 ,就像飞行着的子弹碰到一粒尘埃一样, 运动方向不会发生明显的改变.正电荷又是均匀分布的, ?粒子穿过原子时 ,它受到原子内部两侧正电荷的斥力大部分相互抵消, a粒子偏转的力就不会很大.卢瑟福后来 回忆说 :?这是我一生中从未有的最难以置信的事,它好比你对一张纸 发射出一发炮弹,结果被反弹回来而打到 自己身上 ???19 1 0 年 1 2 月, 卢瑟福对大角度散射过程进行分析, 得 出一个新的原子结构设想.经过反复思索 ?研究, 于 1911 年4 月下旬写出论文?? 和日 粒子被物质散射和原子结构? .他 认为 Q 粒子是在同金属箔原子的一次碰撞 中改变其方向的,因此原子中有一个体积很小 ? 质量很大的带正电荷的原 子核, 它对带正电荷的 a粒子的很强的排斥力使粒子发生大角度偏转;原子核的体积很小,其直径约为原子直径的万分之一至十万分之一,核外是很大的空的空间,带负电的 ?质量比核轻得多的电子在这个空间里绕核运动.按照这一模型,Q粒子穿过原子时, 电子对 a 粒子运动的影响很小,影响Q 粒子运动的主要是带正电的原子核.而绝大多数的 ?粒子穿过原子时离核较远,受到的斥力很小,运动方向几乎没有改变,只有极少数a 粒子可能与核十分接近,受到较大的斥力,才会发生大角度的偏转.卢瑟福的核式结构模型后来还得到其他实验的验证, 对于当时的科学家影响很大,可以说取得巨大的成功.但卢瑟福的原子核式结构模型也不是一点没有问题, 遇到的主要困难有两个:第一, 电子在原子核周围的运动是加速运动.按照经典理论, 加速运动的电子要不断向外辐射电磁波,随着电子能量的不断减小,其运动轨道的半径越来越小,最终落在核上 ,这就无法说明原子的稳定性.第二 , 电子绕核运动过程中,他的绕核转动频率连续改变, 这一过程应向外发射连续光谱.这些都与原子的稳定性, 与原子发射线状光谱的事实矛盾.1913 年, 他的学生丹麦物理学家玻尔将?量子化 ?引人核式结构模型 ,成功解释了原子的稳定性问题, 而且与氢原子的光谱完全吻合.从而完善了卢瑟福的核式结构模型. 卢瑟福没有活到能够看见因为他的原子核的发现以及随后的基本研究而引起伟大技术革命 的时候, 但对于今后要对原子世界进行探索的每一个人来说, 卢瑟福的开创性工作将永远指引后人前进的方向.参考文献:1熊柯 .原 子核 物理 学 的奠基 者卢 瑟 福 .北京 :商务 印 书馆 ,198 4.ZN ?玻尔, 戈革译.尼耳斯 ?玻尔哲学文选.北京:商务印书馆,19 9 9 .3罗兰(R ow ? 朋d,J.)著.欧内斯特 ? 卢瑟福.北京:原子能出版社,1978.(收稿 日期 :2011 一02 一28)(上接第4 8页)_ _ _ __ __ _尸尸产产 A A A图 103两类偶谐振子的对比 匀速直线运动的偶谐振子和匀加速直线运动的偶谐振子除质心运动性质的差异外, 整个系统的运动状态也呈现出诸 多不 同.一50一(1 ) 匀速直线运动的偶谐振子中的轻弹簧无论 A 和B质量关系如何, 总有最长 ?最短及恢复原长的状态(A 和B均有加速 ? 减速的过程),而匀加速直线运动的偶谐振子要复杂得多:? M = m 时, 在半周期奇数倍时弹簧恰有恢复原长(恰 B 的加速度为零)的状态,整个过程无压缩状态(B无减速过程)的出现;? M m 时, 在半周期奇数倍时弹簧出现压缩了最短状态(B 有减速过程).(2 ) 第 1种情况下(即 M = m )的匀速直线运动的偶谐振子在半周期奇数倍时 A 和B 交换的是速度,而第 1 种情况下(即 M = m )的匀加速直线运动的偶谐振子在半周期奇数倍时 A 和B 交换的是加速度.结论:以上通过分析质心做匀速直线运动的偶谐振子及质心做匀加速直线运动的偶谐振子速度变化的周期性,较全面地揭示了其运动的对称性及非对称性一 旦掌握了质心做匀速直线运动的偶谐振子及质心做匀加速直线运动的偶谐振子速度变化的周期性 ?对称性及非对称性, 再处理此类问题, 便得心应手了.(收稿 日期:201 0 一1 2 一06 )。