说到原子,很多人脑中都会回忆起高中学过的化学知识:带正电的质子和不带电的中子黏在一起,形成一个紧凑的原子核,而带负电的电子则围绕着原子核在特定轨道上运动。
这个半经典的模型虽然简单,但却抓住了原子最重要的的几个特征。不过在历史上,为了总结出这样一个看似简单的模型,我们可是费了不少功夫。
1、发现原子
原子这个词可以追溯到上千年以前,代表“不可分割”的意思。但人们清楚的认识到原子的存在却是近两百年左右的事情。
18世纪末19世纪初,人们开始从杂乱的化学反应中总结出一些规律。其中最为重要的莫过于道尔顿的倍比定律,即参与化学反应的元素总是成整数比例。这一发现确认了原子的存在,表明原子是化学反应的最小单元,无法被任何化学反应摧毁。
随着越来越多的元素被发现,在1869年,化学键门捷列夫意识到,随着元素质量的增加,其化学性质似乎呈现周期性变化。基于这些发现,他提出了大名鼎鼎的元素周期表。表上的很多元素在当时甚至还未被发现,而门捷列夫却通过周期性十分准确的预测了这些元素的基本性质。不过这时候人们依然坚信原子不可分割,还没办法解释出现周期性的原因。
2、发现电子
直到1897年,汤姆森做了一个著名的实验,他在部分抽真空的管子两端加上了很高的电压,然后观察到了一种射线从阴极上发出。通过磁场偏转实验他发现这种射线带负电荷,并且电荷/质量比极大。这种粒子也就是我们熟知的电子(阴极射线其实早就被观察到了,但由于它带电,在空气中的射程很短,一直没搞清楚它是什么)。
电子的发现对原子不可分割的理论提出了挑战。由于原子整体不带电,电子带负电,那么剩余部分肯定就带正电,汤姆森据此提出了原子的枣糕模型,认为电子均匀的镶嵌在带正电的物质中:
3、发现原子核
枣糕模型是个短命的模型,不久之后,卢瑟福用氦离子轰击金箔,发现大部分氦直接穿透了金箔,同时有极少部分的氦被大角度散射甚至反射了回来。卢瑟福因此断定,原子内的正电荷并不是均匀分布的 ,而是集中在一个非常小的范围内,这样才能让大部分氦透过去。而电子则围绕着原子核运动。这也就是我们所熟知的原子核:
卢瑟福还观察到了元素衰变的指数衰减规律,并发现衰变放出的能量比化学反应高了许多个量级。卢瑟福断定,放射反应不是化学变化,应该是原子核内部的变化。也就是说,原子核内部应该还有其他结构。
4、发现质子和中子
再后来,卢瑟福继续将氦离子加速并轰击其他元素,然后发现这个过程产生了氢元素。这个过程产生了新的元素,完全违背了化学反应的元素守恒规律,同时也证明氢核——即质子——是原子核的基本组成单元。
质子的发现也带来一个问题:大部分原子的质量都比其中的质子加电子重很多。此外,差不多在质子被确认的同时,1920年,同位素也被发现了,即同样质子数的原子却具有不同的质量。卢瑟福猜测原子内可能还有一种不带电的中性粒子,并把这种粒子称为中子。
后卢瑟福投入了很多精力去寻找中子的存在,但一直没有找到证据,其中子假说也一直不被认可。直到1930年,德国的几个物理学家用高能氦撞击锂/铍/硼后,观测到了一直极具穿透性的不带电射线,他们认为这是伽马射线(光子)。
卢瑟福和他的学生查德威克不相信这种射线是光子,1932年查德威克重复了这个实验,通过和氢的碰撞散射行为,发现这种未知射线的质量和质子相当,确定它就是卢瑟福预测的中子。到这里,原子的几个基本组成,以及经典的电子+质子+中子结构模型才算是被建立起来了。
卢瑟福的研究可以说打开了原子核内世界的大门,因此他也被称为核物理之父。