【能源史話02】原子核內(nèi)部有什么？打開(kāi)看看

在道爾頓、布朗、愛(ài)因斯坦、佩蘭的共同努力下，人類已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)：原子是切實(shí)存在的。

但道爾頓的現(xiàn)代原子論里提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是構(gòu)成物質(zhì)的最小單元嗎？原子里面還能不能繼續(xù)拆分？

解決這一問(wèn)題的，是三代師生，約瑟夫·湯姆森、歐內(nèi)斯特·盧瑟福、詹姆斯·查德威克。

葡萄干布丁模型——撥開(kāi)原子的第一層面紗

最早打開(kāi)原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的科學(xué)家，是湯姆森。

湯姆森在研究β射線的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)β射線是由一種帶負(fù)電粒子構(gòu)成的，這種粒子被稱作電子。

湯姆森認(rèn)為，在每個(gè)原子里面應(yīng)該都有這樣的電子。而且，湯姆森還提出了他的葡萄干布丁原子模型：每個(gè)原子就像是一個(gè)葡萄干布丁，正電荷和布丁一樣，均勻分布在整個(gè)原子里，帶負(fù)電荷的電子，和葡萄干一樣，撒在布丁上。

葡萄干布丁模型（圖片來(lái)源Wikipedia）

雖然在教科書(shū)上對(duì)這個(gè)模型的評(píng)價(jià)并不高，只是一帶而過(guò)，但這個(gè)模型自有它的重要意義，它說(shuō)明了一點(diǎn)，原子是可以繼續(xù)拆分的。而繼續(xù)拆分的任務(wù)，就交給了他的學(xué)生——盧瑟福。

“煉金術(shù)士”盧瑟福的原子模型

1901年，盧瑟福在研究放射性元素“釷”的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)釷元素能夠向外釋放出α射線，更另人驚訝的是，在衰變之后，釷元素變成了另一種元素。

盧瑟福（圖片來(lái)源Wikipedia）

一種元素能夠轉(zhuǎn)變成另一種元素，過(guò)去這件事只存在于煉金術(shù)士的幻想中，現(xiàn)在盧瑟福竟然證實(shí)了，這一重大的發(fā)現(xiàn)，讓盧瑟福獲得了1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。

順便提一下，盧瑟福拿到諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)之后并不高興。他覺(jué)得自己明明是個(gè)物理學(xué)家，怎么都應(yīng)該拿諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

但諾獎(jiǎng)對(duì)盧瑟福來(lái)說(shuō)并不重要，他通過(guò)對(duì)放射性元素的研究，認(rèn)定了一件事：放射性元素釋放出來(lái)的能量，來(lái)自于原子內(nèi)部。當(dāng)時(shí)，包括居里夫人在內(nèi)的很多人都認(rèn)為，放射性物質(zhì)的能量是從外部吸收來(lái)的。所以，盧瑟福認(rèn)為居里夫人對(duì)放射性還不夠了解。

如果原子內(nèi)部能夠放出各種各樣的射線，這又指向了一件事情：原子還可以繼續(xù)往下拆。

那原子里面到底有什么呢？于是，盧瑟福開(kāi)始用α粒子，對(duì)原子發(fā)動(dòng)了轟擊。這就是著名的“金箔實(shí)驗(yàn)”。

1908年，盧瑟福在助手蓋革的幫助下，一起用α粒子繼續(xù)轟擊金箔。他們發(fā)現(xiàn)，α粒子在透過(guò)金箔的時(shí)候，大部分粒子都是直直地穿過(guò)，而很少一部分粒子發(fā)生了偏移，盧瑟福稱之為散射，而還有極少數(shù)粒子，發(fā)生了非常大的偏移。

異?，F(xiàn)象背后一定有原因，盧瑟福就把研究重點(diǎn)放在這些偏轉(zhuǎn)很大的粒子身上，他甚至讓助手去找，有沒(méi)有被反彈回來(lái)的α粒子。雖然盧瑟福本人沒(méi)抱什么希望，可助手竟然真的發(fā)現(xiàn)了，有非常非常少的粒子，被直直地反彈回來(lái)了。

用盧瑟福自己的話來(lái)說(shuō)，這就像你拿一門(mén)炮去轟一片紙巾，結(jié)果炮彈竟然被紙巾彈回來(lái)了。這些被彈回的粒子，就猶如一發(fā)炮彈，擊中了盧瑟福的想象力。

當(dāng)時(shí)，盧瑟福已經(jīng)知道了，α粒子是帶有正電荷的，如果發(fā)生了這么大幅度的偏轉(zhuǎn)，一種可能是，它們受到了非常大大的電磁力作用。被彈回的粒子，應(yīng)該是直直撞上了這個(gè)電荷集中的地方，這個(gè)地方就是原子核。

根據(jù)推算，原子核應(yīng)該非常非常小，就像鳥(niǎo)巢體育館當(dāng)中放了一個(gè)網(wǎng)球。

可是按照他老師湯姆森的葡萄干布丁模型，原子里的正電荷應(yīng)該是均勻分布的，不應(yīng)該有哪個(gè)地方存在這么集中的正電荷。難道老師之前說(shuō)的一直是錯(cuò)的？

盧瑟福是一個(gè)極其嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娜?，他并沒(méi)有急著公開(kāi)自己的發(fā)現(xiàn)。他花了將近4年時(shí)間，確認(rèn)了大量的數(shù)據(jù)，再確認(rèn)萬(wàn)無(wú)一失之后，在1911年，盧瑟福模型首次公布了。

盧瑟福認(rèn)為：原子不是堅(jiān)不可摧的，原子中間是一個(gè)極小的帶正電的原子核，外面是繞著它高速旋轉(zhuǎn)的電子。

美國(guó)原子能委員會(huì)的標(biāo)志，就是盧瑟福模型。還有你今天看到的用來(lái)表示原子的符號(hào)，大部分也都是這個(gè)模型。

提出這個(gè)模型之后，盧瑟福還有更重要的事情要做，他需要搞清楚原子核里頭到底是什么。

盧瑟福繼續(xù)用他鐘愛(ài)的α粒子轟擊其他原子。在轟擊氮原子的時(shí)候，盧瑟福發(fā)現(xiàn)了一個(gè)現(xiàn)象，α粒子和氮原子碰撞的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)氫原子核，也就是后來(lái)的質(zhì)子。

能撞出氫原子核，這說(shuō)明了一個(gè)問(wèn)題，氫原子核可能是氮原子核的組成成分。而且，氫原子核的質(zhì)量非常輕，其他原子核的質(zhì)量都是它的整數(shù)倍，有沒(méi)有可能，氫原子核是所有原子核的組成成分？

如果是這樣，這又會(huì)是一個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)。

1920年，盧瑟福公布了他的發(fā)現(xiàn)：氫原子核是構(gòu)成所有原子核的基本單元。他給這個(gè)基本單元起了一個(gè)名字，質(zhì)子[1]。

但盧瑟福依然保持了自己的謹(jǐn)慎態(tài)度，在公布這個(gè)發(fā)現(xiàn)之后，他到找另一位物理學(xué)家帕特里克·布萊克特利一起做更多的研究，驗(yàn)證自己的猜想。

在觀察了23000張照片上的40多萬(wàn)條軌跡之后，他們?cè)谄渲姓业搅?條特殊的軌跡。再一次，從異常情況中，盧瑟福做出了重大發(fā)現(xiàn)，這8條軌跡能夠說(shuō)明，氫原子核確實(shí)是構(gòu)成其他元素原子核的成分（這8條軌跡表示，氮原子核α粒子碰撞后形成了極其不穩(wěn)定的氟原子，之后，衰變成了一個(gè)氧原子核一個(gè)氫原子核）。

由此，原子核里最重要的一種粒子被發(fā)現(xiàn)了。

早期美國(guó)原子能協(xié)會(huì)標(biāo)志（圖片來(lái)源Wikipedia）

小居里夫婦與中子擦肩而過(guò)

盧瑟福發(fā)現(xiàn)質(zhì)子之后，跟他的助手查德威克又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)神奇的現(xiàn)象。

氮原子的原子核重量是大致是氫原子核的14倍（大約跟14個(gè)質(zhì)子重量相當(dāng)），而電子只有7個(gè)，如果原子核里只有質(zhì)子，那氮原子應(yīng)該帶電才對(duì)，這不太可能。于是，盧瑟福推測(cè)，原子核內(nèi)應(yīng)該還有一種不帶電的中性粒子，重量跟質(zhì)子差不多。

這個(gè)中性粒子，就是中子。但到目前為止，這只是一個(gè)推測(cè)，盧瑟福并沒(méi)有直接證據(jù)證明中子存在。

最先發(fā)現(xiàn)這個(gè)證據(jù)的，是德國(guó)兩位科學(xué)家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年，他們用α粒子轟擊鋰、鈹、硼等元素，轟擊完之后，發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的射線。這種射線能量很高，而且不帶電，他們認(rèn)為，這應(yīng)該是γ射線（一種電磁波輻射）[2]。

有些材料上說(shuō)，最早發(fā)現(xiàn)中子證據(jù)的，是居里夫人的女兒和女婿，即小居里夫婦，但并不是。不過(guò)，小居里夫婦確實(shí)很快就投入到了對(duì)這種射線的研究中，他們利用這種輻射轟擊其他物質(zhì)，得到了非常高能的質(zhì)子[3]。

可惜的是，他們并沒(méi)有懷疑這種射線本身到底是不是γ射線。所以，他們確實(shí)和中子，以及一塊諾貝爾獎(jiǎng)獎(jiǎng)牌擦肩而過(guò)。

盧瑟福的助手查德威克倒是敏銳的意識(shí)到了，這種射線根本就不是什么γ射線，應(yīng)該就是盧瑟福預(yù)言的中子。于是，查德威克趕緊重復(fù)了實(shí)驗(yàn)，并且證明了，射線是由一種不帶電，而且質(zhì)量和質(zhì)子非常接近的小粒子構(gòu)成，證實(shí)了中子的存在。因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)，查德威克獲得了1935年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

順便提一句，另一位叫勞倫斯的科學(xué)家，也發(fā)現(xiàn)Walther Bothe和小居里夫婦的解釋有問(wèn)題，同樣投入研究，但還是慢了查德威克一步，但勞倫斯后面在后面因?yàn)榱硪豁?xiàng)研究，對(duì)人類開(kāi)發(fā)核能做出了極其重大的貢獻(xiàn)，也拿回了屬于自己的諾貝爾獎(jiǎng)。在后面我們還會(huì)提到他。

至此，人們不光發(fā)現(xiàn)原子核內(nèi)的質(zhì)子、中子，而且，也知道了通過(guò)改變?cè)雍说慕M成，一種物質(zhì)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N物質(zhì)。

接下來(lái)，人們要開(kāi)始將手伸進(jìn)原子核內(nèi)部了，摘取原子核內(nèi)的能量果實(shí)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". American Journal of Physics. 65 (8): 707.

[2] Bothe, W.; Becker, H. (1930). "Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen" [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3] Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). "émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons γ très pénétrants" [Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays]. Comptes Rendus. 194: 273.

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