原子结构的探究和发现

1897年，汤慕荪在发现电子后提出了原子模型——葡萄干蛋糕模型。他认为原子是一个带正电荷的球(饼)，其中带负电荷的电子(葡萄干)均匀分布。在一个实验中，卢瑟福建议马斯登做一个实验，让粒子A从金属表面直接反射，这导致了著名的“A射线大角度散射”的显著结果。1911年，卢瑟福根据粒子a的散射实验提出了一个“核结构模型”:所有的正电荷都集中在原子球体的中心，原子核约占原子大小的十分之一，几乎所有的原子质量(占99.9%以上)都集中在原子核中，电子被原子核外层空间的负电荷的电磁引力吸引，并围绕原子核旋转。至于稳定的问题，他直言不讳。在论文的开头，他说:“在这个阶段，没有必要考虑被提议的原子的稳定性。因为这显然取决于原子的精细结构和带电成分的运动。”然而，科学家如何研究原子核的内部结构呢？1914年，卢瑟福的学生马斯登用闪烁镜进行观察。当光线在空气的范围内时，人们注意到在实验中出现了一些射程极远的粒子。卢瑟福在助手的帮助下前后进行了大约3年的实验，并于1919年宣布实现了轻元素原子的转变。卢瑟福最终证实了氮原子在粒子a的轰击下经历了核转变，并从氮核中释放出氢核。他的研究为人工核反应开辟了道路。后来，布雷克特利用威尔逊云室记录了粒子的轨迹，并发现了氮在Q粒子轰击下产生氢核的证据，但这种可能性非常小。在20000多张照片中，只有8条轨道显示出氢核轨道的分叉。1920年以前，人们普遍认为根据积累的事实，原子核是由质子和电子组成的。这个概念包含了普劳特1815年的假设，即所有元素的原子都是由氢原子组成的。它还解释了唐木孙和阿斯顿使用质谱仪的新发现。然而，新的矛盾也出现了。莫泽勒精确地建立了核电荷量Z和原子序数之间的常数关系，证明了质子数和电子数不能相等。这促使卢瑟福在1920年提出了一个大胆而又深思熟虑的新假说:“在某些情况下，电子可能与氢原子核结合得更紧密。一个中立的双子座形成了。这样的原子可能有非常新颖的特性。除非它非常靠近原子核，否则它的外场实际上可能是0。因此，它可以*渗透物质。它的存在可能很难被光谱仪检测到，或者不可能将其限制在密封的容器中。换句话说，它应该很容易进入原子结构，与原子核结合，或者被原子核的强位置分解。四川将解释重元素原子核的组成。这种原子的存在似乎几乎是必要的。“这就是著名的卢瑟福中子假说。为了检验卢瑟福的假设，卢瑟福的学生查德威克在1921年后的1932年终于找到了确切的证据。他对皮皮特别感兴趣，因为它在粒子A的轰击下不发射质子，而且据说矿井里经常含有大量的氦，这些氦在辐射的作用下可能是原子核。会分裂成两个粒子和一个中子。查德威克安排他的学生继续辐射，并做了大量实验。一度，实验中有有利的证据。然而，由于弱放射源(车布)，信号太弱，无法做出判断。根据查德威克的记忆，当他读到八神的时候？居里告诉卢瑟福，当他报道关于辐射惊人特性的文章时:“我不相信。“卢瑟福的潜意识认为，他寻找多年的中子很可能出现在这里。查德威克立即用准备好的针源和新的检测仪器进行了几天的密集实验。1932年2月17日，查德威克给《自然》写了一封题为“中子可能存在”的信，并在此时离开了八神。居里夫妇的论文发表不到一个月。然后，查德威克在《皇家学会通报》上发表了一篇题为“中子存在”的文章，详细报道了实验结果和理论分析。他首先证明了高速质子流不是来自含氢的成分，如石蜡，因为即使没有氢的物质也会产生高速质子流，这必须经历一个分解过程。然后他用吸收法测量质子能量。测量值约为6.7兆电子伏..根据能量守恒定律，如果被照射的光子是射线，那么下一个光子的能量应该是55兆电子伏..使用相同的轰击氮，计算氮原子的最大反冲能量。。烂兆电子伏，但实验数据是1.2兆电子伏，这不符合能量守恒定律。查德威克在他的论文中写道:“显然，在这些碰撞中，我们要么放弃能量和动量守恒，要么采用另一种关于辐射性质的假设。如果我们假设这种辐射不是量子辐射(即亚光子)，而是与质子质量几乎相同的粒子。所有这些与碰撞相关的困难都将被消除。”查德威克进一步用云室法测量了中子质量，结果与质子质量非常接近。根据质谱仪数据，准确的中子质量估计为1.0067u。各方面的事实充分证明了中子的存在。发现中子的意义主要体现在三个方面:第一，它为核模型理论提供了重要的基础，从此核物理进入了一个崭新的阶段。其次，它激发了一系列新的研究课题和一系列新的发现，其中最重要的是人工放射性、慢中子和核裂变。第三是打开核能实际应用的大门。在研究原子核性质的过程中，人们逐渐知道原子核之间的核力是一种强烈的相互作用。核力量是一种短程力量。作用半径接近1.5，只有10 1 'sm，在这个范围内它的强度是相同的，超过这个范围它的强度降低到可以忽略不计的程度。原子核中的质子之间有很强的静电排斥力。单个粒子可以结合7兆电子伏的能量，这显然不是电磁力或引力的结果。1934年10月，日本的汤川秀树提出了核力介子理论，解决了核力问题。他认为电子和电子之间的库仑力是由于一个电子发射的光子被另一个电子接收，而库仑相互作用发生在两个电子之间。因为这个光子没有离开电子，所以它被称为“虚拟粒子”；质子和中子通过交换原子核之间的“虚拟粒子”间接起作用，这意味着它们都是“交换力”，也就是说，核力也是“交换力”，并且随着它们之间的距离而变化。汤川秀树估计，被交换的“虚拟粒子”的质量大约是电子质量的200倍，电子在电子和质子之间，根据核力之间的距离(大约101 'sm)被称为“介子”。自20世纪80年代以来，获得的强子数量大大增加。20世纪20年代的电子散射实验表明，质子和中子不是点粒子，中子具有一定的正负电分布。19世纪，盖尔曼提出了“夸克”模型。他认为所有的基本粒子都是由三个更基本的“夸克”粒子组成的，分数电荷从此进入了历史阶段。“夸克”是一首模仿长诗中描述的鸟鸣。这似乎有点奇怪。也许模型的创建者仍然对分数收费有疑问。20世纪70年代早期，用高能电子轰击质子的实验为“夸克模型”找到了证据。