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数学物理化学通俗演义: 第二十陆回茫茫太阳系

时间:2019-10-30 16:29来源:文学资讯
卢瑟福对这些“孩子们”真是倾注了父亲般的爱。战争期间,助手莫利斯上了前线,这是一个极有才华的青年,人们都推测他可能是第二代的卢瑟福。人才难得,卢瑟福通过有关方面采

  卢瑟福对这些“孩子们”真是倾注了父亲般的爱。战争期间,助手莫利斯上了前线,这是一个极有才华的青年,人们都推测他可能是第二代的卢瑟福。人才难得,卢瑟福通过有关方面采取措施要调他回来。但是调令还未发出,一颗子弹已打中了他的头颅,他死时才27岁。卢瑟福大哭一场,痛呼这是英国在战争中最大的损失。苏联青年卡皮查在他的精心培养下已经成为一名有成就的物理学家,但是1934年当卡皮查回苏联开会时却被扣留下来,再不许返回。卢瑟福立即写信向苏联政府交涉,还是没有结果。他叹息道:“卡皮查的研究刚刚起步,他离开这里的实验室将一事无成。既然他们不让人回来,我就将仪器送去吧。”他真的派了一个代表团将卡皮查工作急需的仪器送到了莫斯科。平时,每星期五下午卢瑟福都要让妻子准备一个茶会,来招待他的学生。大家边喝茶,边讨论问题,许多新思想,新的实验设计方案就在这时诞生。助手们后来回忆说:“他倾听一个学生发言时,就好像在恭听一个公认的科学权威的意见。”这样一个严格而又民主的科研集体,怎能不成果累累呢?闲话少叙,我们看现在卢瑟福和他的这群“孩子们”又创造出了什么奇迹。

6、为什么从α粒子的散射现象中就可以概括出原子的核式结构?

卢瑟福早就有用α射线探索原子结构的想法.1903年他就发现α射线的能量比β和γ射线大99倍左右,1906年他又发现α射线通过云母片时,出现了偏转2°的小角度散射现象.1908年6月,盖革发现α射线的散射角与靶材料的原子量成正比.同年10月,布拉格写信给卢瑟福,告诉他用α粒子轰击原子时发生α粒子急转弯的现象.这些现象促使他和盖革决定用重金属靶进行散射实验.1909年3月,卢瑟福向正在实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应?”

  “对不起,我这里的名额已经满员。”

3、实验方法的设计原理和设计思想

意大利人马可尼后来的成就中包括了对卢瑟福检波器的改进,但卢瑟福不计较个人名利,未与马可尼争无线电发明的优先权,还在1932年5月3日向马可尼颁发奖章时赞扬了马可尼的功绩.

  1919年4月2日,卢瑟福正式到卡文迪许上任。这是他一生中的第三个阶段,也是最后一个阶段。他自任教授以后三易其地,但是由于他的刻苦、谦虚,每到一地都干出了惊人的成果,而且每到一地在他的周围就立即团结了一批有为的年轻人。这次他到卡文迪许一上任就宣布了一个新课题——研究原子核的构成。在曼彻斯特时,他打碎了原子,现在他又要打碎原子核了。

1、什么叫散射实验?

卢瑟福是20世纪初最伟大的实验物理学家,他1908年获诺贝尔化学奖.一生发表论文约215篇,著作6种,培养了10位诺贝尔奖获得者.1937年10月19日患肠阻塞并发症逝世,葬于伦敦威斯敏斯特大教堂牛顿墓旁.

  “实验室里的名额允许不允许有一点误差啊?”

1918年,卢瑟福继J.J.汤姆生之后,担任卡文迪许实验室领导,将卡文迪许实验室发展到一个新的高峰.将物质微观结构的研究推向崭新的阶段,同时也培养出了许多青年科学家.

  大家各就各位,而卢瑟福坐在一边喝茶,有时还讲一个幽默的小故事。卡文迪许实验室有着最优秀的人才,最严格的科学精神,却有一种最和谐的气氛。人们把这里称为“科学天才的幼儿园”,研究生们都尊称卢瑟福为“父亲”,而卢瑟福也常常高兴地喊他们“孩子们”。这群“孩子”来自世界上不同的地区,不同制度的国家,他们离开家寻找自己事业上的父亲,都有一些曲折的经历。查德威克在曼彻斯特时期就曾追随他,战争中曾被德军俘虏,但是战争一结束便又回到他的身边。从苏联来的青年彼得•卡皮查,初登卡文迪许的门时卢瑟福并不准备收他,因为这里几乎每天都有人想跻身其中,能当卢瑟福的一名研究生是青年人的最高荣誉。卡皮查问:“卢瑟福先生,我能来卡文迪许做一名研究生吗?”

α粒子散射实验的现象是沿不同散射角度的方向上均观察到散射的α粒子,但数量不同,如图所示为α粒子的全面散射路径。可把这些散射的α粒子分为三类:绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向运动;少数α粒子发生了较大角度的偏转;极少数α粒子的偏转角度超过了90°,有的甚至达到180°。对实验现象的解释:首先,由于α粒子的质量是电子质量的7000多倍,电子是不可能使α粒子发生大角度偏转的;其次,若原子中带正电的物质按照汤姆生的原子模型均匀分布,那么在α粒子穿过原子时,其散射的情况对所有的α粒子来说应大致相同,因为均匀分布在α粒子两侧的带正电的物质对α粒子的库仑斥力大部分将会相互抵消,因而不可能使α粒子获得较大的偏转力。而“绝大多数”、“少数”和所谓的“极少数”这三部分α粒子在散射过程中的行为的差异,则充分地说明原子中的那部分带正电的物质必须高度地集中在一个很小的区域内,即原子应具有核式结构的特征。在1925年的一次讲演中曾讲到1909年3月这次实验后的心情。他说:“如果将一张金叶放一束α射线的径迹上,某些射线进入金的原子并被散射,那只是所期望的。但是,一种明显而未料想到的观察是一些快速的α粒子的速度和能量之大,那是一张极其惊人的结果。正好像一个炮手将一颗炮强射在一张纸上,而由于某种其他原因弹头再弹回来一样”。

  助手们闻听此言一齐欢呼起来:“您是说我们在小小的原子内部又发现了一个太阳系?”

4、为什么α粒子的散射实验用的是金箔?能否用轻金属?

1896年春末,卢瑟福接受卡文迪许实验室主任J.J.汤姆生的建议,把研究方向转到放射性上.1897年卢瑟福发现,铀射线由两种成分组成,一种是易被吸收的射线,他称之为α射线;另一种是穿透性强的射线,他称之为β射线.同时他还根据实验预言,可能存在一种穿透能力更强的射线,这就是后来发现的并由他命名的γ射线.

  在一间专用实验室里,窗帘拉得很严,屋角点着一盏光线微弱的煤气灯。助手们已经提前来到,他们必须先适应一会儿屋内暗淡的光线。对面是一架很简单的仪器,使α粒子穿过氮气打到靶子上,再通过显微镜观察荧光屏上的闪光点。走廊上响起卢瑟福咚咚的脚步声,他连走路也像个结实的农民。接着助手们听见了他哼的小调“前进,基督的士兵”。大家相视一笑,这是教授的习惯,每当哼这支歌时实验就快接近成功,如果哼起“大干一场”,不用问,是实验遇到了麻烦。门开了,背后叫起卢瑟福宏亮又亲切的声音:“孩子们,准备好了没有?”

用各种粒子——X射线、电子和α粒子轰击很薄的物质层,通过观察这些粒子穿过物质层后的偏转情况,获得原子结构的信息,这种实验叫做散射实验。

指出放射性元素的原子衰变时释放荷电粒子而变成性质不同的新元素,列出了早期的镭、钍、铀的衰变图谱,确认α射线的能量占放射性元素辐射能量的99%以上,为他们后来以α射线作为研究原子结构的炮弹提供了根据.1905年他应用放射性元素的含量及其半衰期,计算出太阳的寿命约为50亿年,开创了用放射性元素半衰期计算矿石、古物和天体年纪的先河.

  “果真是全部吗?要多看,细看,实验要重复几次、几十次、上百次,只有重复才能发现偶然的现象,而必然的规律又常常寓于这偶然之中,居里夫人不是重复测试了几乎能找到的所有元素,才找到有放射性的镭吗?”

在真空环境中,使放射性元素钋放射出的α粒子轰击金箔,然后通过显微镜观测用荧光屏接收到的α粒子,借助于对轰击金箔前后的α粒子的运动情况的分析和对比,进而了解金原子的结构情况。与某一金原子发生作用前后的α粒子运动情况的差异,必然带有金原子结构特征的烙印,而这正是α粒子散射实验的设计思想。实验要求在真空环境中进行,是为了避免气体分子对α粒子的运动产生影响,原因主要是由于α粒子的电离作用,若在空气中由于电离α粒子只能前进几厘米。

卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937)1871年8月30日生于新西兰纳尔逊附近的泉林村.父亲是农民和工匠,母亲是乡村教师.他在小学就对科学实验产生了兴趣.由于成绩优秀,学习期间曾获一系列奖学金.1894年从坎特布雷学院毕业时,以该校空前的数学和物理双第一名的成绩获硕士学位,还因无线电实验研究方面有成绩获理学学士学位.毕业后,留校工作一年.1895年考取大英博览会奖学金,进英国剑桥大学卡文迪许实验室学习.开始时是以研究无线电为主,用自己的发射器和检波器实现了3.2 km的收发距离.

  正是:

在α粒子散射实验中,卢瑟福是采用“闪烁法”来观测α粒子的散射情况的。但在实际观测中,要想把打到硫化锌屏上的α粒子所引起的闪烁一个不漏地精确地统计出来,并不是一件轻而易举的事情。造成困难的因素主要有:单位时间内α粒子打到屏上引起的闪烁次数太多(每分钟可多达90至100次);α粒子依次打到屏上引起闪烁的时间间隔的不确定所造成计数节奏的变化影响到计数的准确性。卢瑟福采用的具体做法包括:训练和挑选优秀的观测者。卢瑟福让他的研究生先跟着查德威克从事六周关于α粒子实验及观测的训练课,然后从中挑选出眼睛好,能在紧张的工作中集中注意力并保持宁静的优秀的观测者;观测前对观测者作必要的心理、生理的调节。观测工作一般被安排在固定的时间内进行,每周两次,从下午4点到6点,观测者进入光线微弱的实验室后的第一件事情是品茶聊天,放松情绪,并让眼睛适应观测环境;利用观测者间的差异来提高对闪烁数的统计精度。让两个人同时观测一个硫化锌屏,由于两个人的观测效率(统计数与实际闪烁数之比)各异,分别为η1和η2,于是计数时由两个人用按电键的方式传来的信号就有三种,分别统计出从第一个观测者传来的计数n1,从第二个观测者传来的计数n2和从两个观测者同时传来的计数n12,它们分别为n1=η1n,n2=η2n,n12=η1η2n。由此可以得到实际闪烁数为n=n1n2∕n12,这样的方法使得观测的精度大大地提高。卢瑟福正是在这种方法下所获得的精确数据的基础上,做出了原子核式结构的论断。

结果,马斯登发现了等于和大于90°的大角度散射现象.卢瑟福以特有的洞察力和直觉,抓住这个反常现象,从原子内存在强电场的思想出发,1911年构思出原子的核式结构模型.1912年,盖革和马斯登用实验证实了带正电的原子核的存在.1913年莫塞莱用元素特征谱线与原子序数的关系证实了核外电子环的存在.

  卢瑟福小心地把荧光屏调离发射源,相距已经长达40厘米,可是荧光屏上仍可看到闪光点。这还是α粒子吗?不可能,α粒子射程极短,根本达不到玻璃管的这一端。看来这是在α粒子冲撞下氮原子的碎片。他们一测,果然这时的氮已经转变成另一种元素——氧,并放出了一个质子(氢核)。这样,卢瑟福就以人为的方法在世界上第一次分裂了原子。1926年他和查德威克用α粒子成功地轰击了镁和铝等轻金属原子。接着在他的指导下瓦耳顿和科克拉夫特又制成了一架巨型的原子捣碎机。这架机器就以卢瑟福的一本书的名字《当代炼金士》来命名。这架机器能使原子量为7的锂被氢所渗透,最后形成一个原子量为8的不稳定原子。它很快又分裂成两个原子量各为4的氦原子。

为了尽可能确切地研究轰击粒子与靶原子间的单个碰撞,希望靶越薄越好,否则多次碰撞将掩盖单次碰撞产生的效应。金的优点主要有五个方面:一是金是重金属;二是金的延展性强,容易做成厚为1μm的薄片,以使绝大多数α粒子穿过金箔后仍沿原来的方向前进;三是金的化学性质稳定,不易与荧光粉发生化学反应;四是金的原子序数大,带的正电荷就多,对α粒子的库仑斥力大,α粒子与其碰撞后的散射角也就很大;五是α粒子的散射角与靶材料的原子量成正比,金的原子量大,当α粒子与其碰撞时,α粒子的运动状态改变明显。

卢瑟福1898年在卡文迪许实验室研究生毕业后,由J.J.汤姆生推荐,到加拿大的麦吉尔大学任物理学教授.除教学之外,他继续研究放射性,与来自英国的青年化学家F.索迪合作,于1902年首先发现了放射性元素的半衰期,提出放射性是元素自发衰变现象,指出放射性和光谱实验表明,原子有一个很复杂的结构.1903年5月,他和索迪根据α射线和β射线在电场和磁场中的偏转度,辨别出它们分别由带正、负电的粒子构成.

  阿翁海边点沙粒,第谷深夜查星辰。
更有卢氏数原子,科学属于细心人

5、卢瑟福在α粒子散射实验中是怎样获得α粒子散射的精确数据的?

卢瑟福在放射性研究上取得的一系列重大成果,使他扬名于世.1907年他谢绝了一些著名大学的高薪聘请,而出任英国曼彻斯特大学的物理学教授,因为该校有设备先进的实验室和优越的科研条件.卢瑟福对α、β、γ射线作了大量的研究.1908年,他测算出β射线的电荷.1913年,他提出α粒子的带电量为2e,原子量为3.84,认为α粒子失去电荷后应变成氦原子.1913~1914年,他与人合作,测定γ射线的性质和波长,确认γ射线是一种比X射线频率更高的电磁辐射.

  “请问,您关于原子分裂的研究会不会使贱金属变成黄金?”

原子结构无法直接观察到,要用高速离子进行轰击,根据粒子的散射情况分析判断原子的结构,而α粒子有足够能量,可以穿过原子,并且利用荧光作用可观察α粒子的散射情况,所以选取α粒子进行散射实验。α粒子是从放射性物质中发射出来的粒子,带两个单位正电荷,质量为氢原子的4倍实际是氦原子核,射出时的速度的为光速的1/10,α粒子的电离作用很强,因此在空气中只能前进几厘米。另外,由于α粒子射出速度大,具有足够的能量,α粒子还能使荧光物质发光。

  再说1919年第一次世界大战刚结东不久,英国教育界正百废待兴。战争期间卢瑟福也被徵入海军,研究了几年怎样打潜艇。这时,科学家们又都渐渐回到了自己的实验室,而汤姆生现在已是63岁的老人,还身兼三一学院的院长,再领导卡文迪许这个处于物理世界最前沿的实验室已力不从心。他想起了自己的得意学生,便四次写信诚恳地请卢瑟福来接此重任。

2、为什么用α粒子散射实验研究原子结构

  卢瑟福笑了,他一看这就是个十分聪明的青年,便高兴地说:“好,收下你。”

在19世纪末,物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”:1895年,德国物理学家伦琴(1845~1923)发现了X射线,法国物理学家贝克勒尔(1852~1908)发现了天然放射性;1897年,英国物理学家汤姆逊(1856~1940)发现了电子。这些伟大的发现激励了卢瑟福,使他决心对原子结构进行深入研究。1898年,卢瑟福发现镭发出的射线受到磁场作用时至少分成两个组成部分。他把偏转幅度小的带正电的部分叫做α射线,把偏转幅度大的带负电的部分叫做β射线。1900年,法国化学家维拉德又发现铀的射线中还有在磁场中不偏转,且穿透力很强γ射线。1903年,卢瑟福发现α射线的能量比β和γ射线的大99倍左右,1906年他又发现α射线通过云母片时,出现了偏转2°的小角度散射现象。1908年6月,卢瑟福的助手盖革发现a射线的散射角与靶材料的原子量成正比。同年10月,布拉格写信给卢瑟福,告诉他用α粒子轰击原子时发生了α粒子急转弯的现象。这些现象促使卢瑟福和盖革决定用重金属靶进行散射实验。1909年3月,卢瑟福向正在实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应?”结果。

  为驳斥社会上就原子分裂而出现的各种奇谈怪论,卢瑟福公开发表了一个声明。这种乱哄哄的局面终于过去了。1932年4月20日,卢瑟福在皇家学会上正式解释了原子捣碎机和他做的关于原子嬗变的实验。和社会上的情况成鲜明的对比,大厅里静悄悄的,卢瑟福很平静地讲述着,分析着,台下的人仔细地听着。大家都不说话,但心里谁也明白:一个新的时代原子时代就要到来。

  “我们对自己从事的科学工作的商业利益毫无兴趣,所以从末考虑过什么炼金发财,我们的目的只在于探索元素之间相互转变的可能,只在于扩大知识领域。”

  现在连科学圣地卡文迪许实验室也不得安静了,关于炼金方面的报告不断送来,许多自命不凡的发明家常常上门自荐,一些商人也来打听有无合作的可能。为此卢瑟福只好出面举行一次记者招待会。

数学物理化学通俗演义: 第二十陆回茫茫太阳系 都已小原子,小小原子内 却有太阳系——原子核的意识德晋彩票app。  “现在常有人声明他们已能炼金,您怎么看这样的事?”

  “准备好了。”

  “开始。”

  这个时代将是什么样子?且听下回慢慢分解。

  “把一种金属变成另一种金属,并不是不可能的。不过,至少在相当长的一段时间里,要使之商品化是不可能的。”

  这件事情一传出来,报界又是一场大轰动。许多报纸都以特大标题报导:“原子分裂了”、“现代炼金术出现了”。正像当年X射线一发现就有投机商推销防X射线的衣服一样,社会上一些角落里不知怎么一下冒出那么多骗子,他们到处宣传自己已经能用普通的钢铁制造金子。而一些神经质的老妇人不断写信到报社,询问世界均末日是否真的就要来到。达尔文的进化论推翻了上帝造的物种,而卢瑟福的原子理论将上帝造物用的最小零件都打得粉碎。难怪那些唯心论的遗老们这样害怕,而那些投机商们则乘机大肆行骗、捞钱。以每一次科学发现为触媒,社会总要掀起一场不大不小的骚动。

  “那就好办,你们一共三十人,加我一个还在允许范围之内。”

  这是一种很费力又很枯燥的工作,助手们常常坐一天也看不出什么情况。一天,卢瑟福推门走进实验室,凑到显微镜前看了一会儿荧光屏上那一点点的闪光。盖革说:“也许汤姆生的模型是对的,你看α粒子全都顺利通过了。”

  “过去的许多理论已不能解释现在的现象,物理学是不是正处在一个危机时期?”

  “一般不得超过百分之十。”

数学物理化学通俗演义: 第二十陆回茫茫太阳系 都已小原子,小小原子内 却有太阳系——原子核的意识德晋彩票app。  卢瑟福说着将荧光屏和显微镜从金箔后面移到侧面,他吩咐盖革多换几个角度,多看一会儿。又过了一天,他正在办公室里备课,盖革急慌慌地跑进来,拉着老师就往实验室里走。原来他发现了一个偶然的现象,就是虽然绝大部分。粒子都沿直线穿过了金箔,但是也有极少数的α粒子却出现偏转,有的大于九十度,还有的甚至出现一百八十度的偏转,竟直直地反弹回来。卢瑟福从此就钻进实验室里,一连几天没有出来。他对学生们说:“我们发现了一个多么奇怪的现象,就好像是一群炮兵对着一张薄纸片开炮,而炮弹反而又被弹回炮筒里。虽然弹回来的极少,但这里面必定有一个我们还未发现的秘密。”他们经过大量的数据记录分析,知道了射出去的每八千个α粒子就有一个被弹回来或者偏到一旁。

  “这个问题我很难回答。我们卡文迪许的人一向注意挖掘自然界里真正牢靠的事实,决不靠一些数字和符号来编织什么理论。随着时间的推移,原子内部的秘密一定会更多地被挖掘出来,可以肯定,到那时:一是那些炼金的骗子们决不敢再这样骗人;二是世界将因新技术的使用而更文明。那些神经质的老妇人也可以放心,世界末日永不会来临。”

  “关于原子的研究会给将来带来什么影响?”

  新实验是这样设计的:要打碎原子就得找一种炮弹,当时看来最理想的就是α粒子,它速度快,质量重。原子结构如果真的是汤姆生所说的西瓜瓢型,α粒子就会顺利地穿过松软的瓜瓢而笔直地前进。而这时盖革已经帮卢瑟福设计好了一个能计算出镭放射出α粒子的仪器。这是以后所有向原子核进攻的科学家都离不开的武器,它就以盖革的名字命名,叫盖革计数器。靠盖革计数器他们已能准确地算出在千分之一克镭里,每秒钟能发射出136000个α粒子。现在他们准备好了放射源,又以金箔为靶子,靶子一边放二个荧光屏,通过显微镜观察穿过金箔的α粒子是否都落在屏上。

  卢瑟福天生一个帅才,他来曼彻斯特还没有几天,身边早已聚集了盖革、莫利斯、玻尔、查德威克、安德雷德等一批年轻人,他们来自德、英、法、丹麦等国,卢瑟福的实验室简直是一个“科学国际”,而这些人以后也都成为一个个很有建树的物理学家。当时他们一听卢瑟福的战斗动员令,就磨拳擦掌,立即开始一个新实验。

  “相反,我认为近三十年来倒是物理学史上无与伦比的,最活跃的时期,它出现的成就足可以和当年达尔文在生物学方面的开拓相比美。”

  “是的,正像伽利略、牛顿发现天上地下一个样,我们又发现太阳系和原子内部一个样。不过这微观世界会另有一套规律,还需要我们仔细去摸索呢。”1911年卢瑟福提出了原子的“太阳系模型”,是科学史上的一项伟大成就。原子和原子核物理学从此发展起来。后来他的学生玻尔又把量子论引到原子结构中来,更改了这个模型,使之更加完善,人们就把这个模型称为卢瑟福一玻尔原子。这个模型成功地解释了许多物理、化学现象,促进了以后的原子能研究。我们现在已经知道核的体积还不到原子体积的一万亿分之一,但它却占据整个原子质量的百分之九十九点五以上。就是说它本身的密度实在是大。如果设想一枚蚕豆全部以原子核组成,那么它的质量就会达到一亿吨!你绝不要想用手去拈得动这粒豆子,因为通常运输一亿吨的物资,就需要用能绕赤道一周的列车来装呢。

  上回说到物理学家卢瑟福,却收到了一张要他去领诺贝尔化学奖的通知。但是卢瑟福还是关心物理本身的问题,领奖回来之后便将助手们召集在一起说:“过去我们只是捕捉到了放射性元素自己衰变时放出的粒子,除了这些粒子到底原子内还有什么东西就不得而知。还有那些不会天然放射的元素我们就更难知其家底。不入虎穴焉得虎子。现在唯一的办法就是要将原子砸碎,看看他里面到底还有什么东西?”

  却说卢瑟福和他的学生们将反弹回来的α粒子仔细一数,立即悟出一个道理。α粒子带正电,比电子大七千倍,电子没有什么大的力气使它偏转。那么除带电子外原子内一定有一个集中了全部正电荷而且质量很大的核。它对α粒子有一个很强的电荷排斥力,α粒子一碰到它就会被一把推了回来。但是这个核很小,他在整个原子中的位置犹如太阳在整个太阳系里的位置,四周是大大的宇宙空间,难怪发射八千个粒子才有一个可能撞上它。于是卢瑟福立即抓过一支铅笔在纸上随手画了一个图说:“你们看,我认为原子模型可能不是汤姆生先生描绘的那个西瓜,倒是哥白尼描绘的太阳系。原子的中心有一个带正电、体积小、质量大的核,核外空荡荡的天空里有一些质量很小,带负电的电子在绕它运动。”

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