《α射线的研究和原子核的发现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《α射线的研究和原子核的发现（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院卢瑟福专攻 射线 散射导出原子核 射线的研究和原子核的发现在探索原子奥秘的征途中，发现电子是一大胜利，发现原子核又是一大胜利，它们都是物理学发展中的里程碑。只有在发现了电子和原子核之后，才有可能建立正确的原子理论，对光谱作出合理的解释。原子核的存在是卢瑟福在多年研究 射线的基础上，经过周密分析和计算后作出的理论判断。卢瑟福原是新西兰人。1895 年到英国剑桥大学卡文迪什实验室当研究生。他的导师就是电子的发现者 JJ汤姆生。他和汤姆生一起，研究 X 射线对空气的游离作用。贝克勒尔发现铀辐射的消息促使他转向铀辐射。1898 年，为了比较 X 射线
2、和铀辐射在穿透本领上的差别，他用铝片挡在铀辐射的前面，观测经铝片吸收后的辐射强度。就在这个实验中，卢瑟福发现铀辐射有两种不同的成分，它们的穿透本领相差悬殊。他把容易吸收的成分叫做 射线，穿透本领强的叫做 射线。不久，贝克勒尔证明了 射线带负电，在磁场中会偏转，后来又确定了 射线就是高速电子流，和阴极射线没有本质区别。1900 年，法国物理学家维拉德发现，在铀辐射中还有一种成分，比 射线穿透本领强得多，但不受磁场偏转。他把这种成分叫做 射线。后来他也搞清楚了， 射线是比 X 射线频率更高的一种电磁辐射。、 射线都可从铀辐射中得到，但它们的本质却很不相同，现在人们都知道，这三种射线在磁场中的行为是
3、截然不同的（图 1） 。这三种射线中最复杂的是 射线，因为当时人们并不知道 射线在磁场中会偏转。卢瑟福知难而进，以大量实验确定了 射线的本质。对于卢瑟福来说，他要研究的是射线与物质的相互作用，他意识到 射线有重要价值，因为它比其他射线更易于吸收。在发现这些射线之后，他就集中精力弄清 射线的性质和来源。为此，他做了大量实验，其中关键的有两个： 图 1 、 射线在磁场中的行为备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院（1）电磁偏转实验。其装置如图 2 所示。放射性物质镭搁在容器的底部，射线由下而上，经过平行隔板，穿过铝箔进入金箔验电器，造成空气电离，使金箔验电器原来的偏转减小，偏转减小的
4、程度代表了辐射的强度。与此同时，氢气由上而下，穿过铝箔和隔板，以驱赶镭释放的放射性气体（氡） 。图 2 卢瑟福的 射线电磁偏转实验然后，他在平行隔板区域内垂直纸面加一磁场，果然发现电离减小了，说明 射线在磁场中也有偏转。为了判定 射线所带电荷的正负，他在隔板上加了一排小钢条 C 把通道挡去一半，同时改变磁场的方向，直到找到 射线不能通过的条件。从这个实验，卢瑟福判定 射线带的是正电荷，和阴极射线不同 ， 射线是由带正电荷的粒子组成的 。卢瑟福进一步又在隔板间加电压，使 射线在电场的作用下通过隔板，求出不能通过隔板的条件。根据电场和磁场的截止值，求出了 射线的速度与荷质比。（2）光谱实验。从上面
5、测得的荷质比，初步得知 粒子与原子相近。还有迹象表明， 粒子可能就是带电的氦原子。但科学论断不能凭猜想，必须有真凭实据。卢瑟福想到用光谱方法，并设计了一个巧妙的实验。实验装置如图 3。图中 A 是 射线管，是由极薄（仅 0.01 毫米厚）的玻璃做成，内封有放射性气体氧，发出的 粒子可以穿过薄玻璃壁，进入外层玻璃管 T，被收集在管内，以气体形态储存起来。大约过了两天， 粒子收集足够以后，将水银提升，把它们压缩到放电管中。结果，从放电得到的光谱显示氦的黄线，证明 粒子果真是氦原子。就这样，卢瑟福彻底查清了 射线的底细，为阐明放射性规律和利用 射线探测物质奥秘做好了必要的准备。图 3 卢瑟福的 射线
6、光谱实验然而卢瑟福并没有到此止步，他和他的合作者继续探讨 射线与物质的相互作用。就备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院在用 射线打击金原子时，他们作出了原子物理实验中最重要的一项发现原子核的发现。对于卢瑟福来说，他的目标是要用 射线轰击各种物质，以了解 射线和物质的相互作用。这就好比为了探测气象，向高空放出气球；为了了解化学物品的成分和属性，加上几滴试剂一样。所以他研究 射线的目标是明确的，但是他从来没有想到这项工作会导致原子核的发现。他一直相信的是 JJ汤姆生的实心正电球模型也叫葡萄干蛋糕模型。JJ汤姆生假设，正电荷是均匀分布在整个原子中的。图 4 是卢瑟福和助手盖革（H G
7、eiger）进行 粒子散射的实验设备。这是一根长约 2米的玻璃管，拍成真空，放射源 R 置于一端， 粒子打到金箔 S 后散射到荧光屏 Z 上。荧光屏每接到一个 粒子，就会发出一次闪烁，观察者用肉眼经显微镜 图 4 用闪烁法观测 散射M 读取闪烁数。然后，沿支架 PP 移动显微镜读取不同位置的闪烁。根据实验统计结果绘成如图 5 所示的曲线。从曲线的坐标可以看出，即使经过两片金箔的散射，打到荧光屏的位置所离开中心的距离最大也不过是 10 毫米，计算下来，偏角不超过 l。 为了比较金箔与铝箔对 粒子的散射作用，盖革和学生马斯登（E Marsden）继续进行 散射实验。然而，实验的进行并不如人意，得不
8、到尖锐的 射线束，计数很难精确，重复性甚差。于是他们把“枪管加长到 4米，以为管子长了，准直性可以改善。实际上仍然很糟。他 图 5 盖革的 散射曲线们那里知道，一种意想不到的现象大角度散射正在干扰他们的实验，有些 粒子经器壁反射也会使荧光屏发出闪光。盖革和马斯登正在束手无策之际，卢瑟福到实验室巡视来了。对于他们的困境，卢瑟备课资料/物理学史与技术发展史清华同方教育技术研究院福沉思片刻，向他们建议说：“你们是不是试试让 粒子从金属表面直接反射，看看有什么效果。 ”于是，年轻的学生马斯登就在盖革的帮助下，用最简易的装置（图 6）做了一个实验。图中 AB 是 源，铅板 P 当屏蔽， 粒子不会直接打到
9、荧光屏 S 上，当他们把金属片 RR 放在距管口 1 厘米远处时，荧光屏上竟立即出现了闪烁。马斯登大惊，他立即报告卢瑟福。这个结果是如此的出乎意料，以至于卢瑟福在许多年后回忆说：这就像大炮打到香烟纸上，又被反弹回来一样的不可思议。为了证实这一反常现象，他们将实验做了一番改进。如图 7 所示，用放射性更强的镭作 源 A。 粒子从 A 发出，投向铂反射片 R（R 面积约为 1 平方厘米） ，用显微镜在荧光屏 S 的不同位置上进行观测，统计闪烁的总数。 粒子的发射总数可从放射源的剂量估算。经过比较，结论是：入射的 粒子每 8 000 个有一个要反射回来。从汤姆生的正电球原子模型出发，也可对大角度散射进行解释，不过估算的 图 6 盖革和马斯登用一金属板 图 7 盖革和马斯登的改进装置反射观测到 粒子的大角度散射几率不大于 1l0 3 500，这是一个极其微小的数字，而实际所得却为 18 000。卢瑟福为此苦思了很长的时间。到 1910 年底，他终于作出决断：只有假设正电球的直径远小于原子作用球的直径，才能满足 粒子穿越单个原子时产生大角度偏折的要求。这个正电球占有原子绝大部分质量，处于原子的中心，这就是后来人们普遍称呼的原子核。
