纪念卢瑟福提出原子有核模型100周年_王卫东

2011年第9期 物理通报 物理学史与教育

纪念卢瑟福提出原子有核模型100周年

王卫东

(湖北师范学院化学与环境工程学院

湖北黄石 435002)

(收稿日期:2011-05-03)

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英国物理学家欧内斯特 卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871~1937) 是20世纪最伟大的实验物理学家之一, 他生活在从19世纪末到20世纪30年代物理学发生革命性变革的时代, 是这个时代勇于进取的开路先锋之一, 他在原子核物理学方面的研究有许多重大的发现. 在此之前, 原子的概念经过了漫长的古代时期和近代时期. 古代哲学家认为, 原子是不可分割的最小物质单元. 19世纪末, 近代科学家已通过各种各样的物理和化学的分析研究, 形成了关于原子的科学的初步概念. 人们知道了电子在原子中的存在, 但原子内部情形如何, 一直无法解答. 卢瑟福通过实验证实了原子核的存在. 他所建立的原子有核模型, 为原子核物理学最终确立迈出了决定性的一步. 因在放射性和原子结构等方面, 都做出了重大的贡献, 卢瑟福被誉为 原子核物理学之父 .

卢瑟福的 原子有核模型 是关于原子结构的一种模型, 1911年由卢瑟福提出. 原子有核模型 认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的原子核心区域, 电子在原子核外绕核作轨道运动. 原子核带正电, 电子带负电.

卢瑟福

[1]

学物理学教授及卡文迪什实验室主任. 1925年当选为英国皇家学会主席. 1930年成为英国政府科学和研究部的顾问委员会主席. 1937年10月19日, 因病逝世于英国剑桥, 享年66岁, 与牛顿和法拉第并排安葬

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图1 欧 卢瑟福

1 卢瑟福原子有核模型建立过程1. 1 原子模型发展史

19世纪末, 经典物理学已经建立了比较完善的理论体系, 力学、电磁理论、热力学及统计物理已成为19世纪末科学技术发展的理论支柱, 致使有些物理学家认为, 物理学的理论大厦已经基本建成, 剩下的问题只是把一些常量测得更精确些, 把现有的理论应用到各个具体问题上去. 在人们陶醉于 尽善尽美 的时候, 物理学许多领域里出现了一系列新发现, 这些新发现与经典物理学理论有着尖锐的矛盾, 使经典物理学理论体系面临着诸多挑战.

1895年伦琴发现的X 射线. 1896年, 贝克勒尔发现的铀放射性. 1897年, J J 汤姆孙发现的电子等都是用过去的经典物理学知识和概念所不能解释的. X 射线、放射性及电子的发现推动人们去研究原子内部结构, 导致建立新的原子模型. 原子是不可分

于1871年8月30日生于新西兰约尔

孙. 1889~1894年, 就读于新西兰大学坎特伯雷学院, 获学士、硕士学位. 1895~1897年, 被选送到英国剑桥大学深造, 成为卡文迪什实验室的第一个海外研究生, 是著名物理学家约瑟夫 约翰 汤姆孙(Jo seph John T homson. 1856~1940) 的学生. 1898年, 在J J 汤姆孙的推荐下, 担任加拿大麦吉尔大学的物理学教授, 1903年当选为英国皇家学会委员. 1907年返回英国出任曼彻斯特大学物理系主任. 1908年获得诺贝尔化学奖. 1919年担任剑桥大

*湖北省教育厅重点科研资助项目, 编号:D20082202; 湖北师范学院教学研究项目, 编号:2009061

作者简介:王卫东(1964-) , 男, 辽宁锦州人, 教授. 主要从事结构化学、物理化学教学与科学史研究.

割的最终质点, 是20世纪以前人们坚信的概念. 但是, 当1897年电子发现后, 使原子不可分割的观念被冲破, 原子结构的探讨成了中心议题. 在这一时期, 有许多物理学家纷纷开始探讨原子的内部结构. 既然原子是中性的, 而电子又是原子的组成部分, 那么, 原子一定有带正电荷的部分, 而且原子所带正电荷与负电荷在数量上应该相等. 电子的发现, 引起了人们对原子内部结构的兴趣, 根据推测当时科学家提出了多种不同的假说和原子结构模型. 主要有以下几种[2~5].

(1) 勒纳德的中性微粒原子模型. 勒纳德(Philipp Edw ard Anton Lenar d, 1862~1947) 在1894年研究阴极射线时, 在放电管的玻璃壁上开了一个小窗口, 用金属箔把窗口盖住. 实验时发现, 阴极射线很容易穿过金属箔窗口射到空气中去. 1903年, 勒纳德根据阴极射线穿透金属箔的实验, 断定金属中的原子不是实心的弹性球, 必有部分体积是空无所有的空间. 他假设原子内部的电子与相应的正电荷组成 中性微粒 . 这个中性微粒取名为 动力子 , 无数的动力子在原子内部的空间游荡. 这种原子结构模型没有得到实验证实, 因此影响不大.

(2) 长岗半太郎的土星原子模型. 1904年, 长岗半太郎(Nag ao ka H antar o, 1865~1950) 根据土星的卫环理论, 提出原子内部, 电子组成电子环, 围绕一个核心转动的假设. 长岗的土星原子模型由于不能满足经典理论提出的稳定性要求, 所以, 这个模型提出不久, 就有人驳斥. 长岗的原子模型虽然很不完善, 但是, 他的提法中已孕育了原子有核的概念, 为后来卢瑟福提出原子有核模型奠定了基础.

(3) W 汤姆孙的实心带电球原子模型. 英国著名物理学家、发明家W 汤姆孙(William Thom son, 1824~1907) 于1902年提出了实心带电球原子模型, 把原子看成均匀带正电的球体, 里面包含着带负电的电子, 正常状态下处于静电平衡. 这个模型后由W 汤姆孙的儿子J J 汤姆孙加以发展, 统称汤姆孙原子模型.

(4) J J 汤姆孙的葡萄干蛋糕原子模型. 在1910年以前, 影响较大、寿命较长的原子模型是1903年J J 汤姆孙的原子模型. 他假设正电荷连续分布在原子中, 而电子埋置在某些固定位置上. 由于电子质量很小, 他又假设原子的质量存在于分散分布的正电荷中. 另外, 考虑到电子一方面受正电荷

的吸引, 另一方面电子之间又互相排斥, 所以电子在原子中的位置要满足一定的条件, 这个条件就是使电子处于平衡状态. J J 汤姆孙设想的原子模型常常在实验中暴露出与实验之间的严重矛盾, 虽然他本人千方百计改进自己的理论, 但终究未能圆满. 因为, 该原子模型在很大程度上带有人为性. 尽管如此, 因J J 汤姆孙当时在物理学界有较高的声誉, 好长时间没有人对他的观点提出异议.

上述各种原子模型, 是根据原子是中性的而做的各种猜测, 没有可靠的实验基础, 究竟原子内部是什么样的结构, 尚需要不断地在实验中进行研究. 1. 2 卢瑟福原子有核模型[6~13]

卢瑟福1895年来到英国曼彻斯特大学卡文迪什实验室, 跟随J J 汤姆孙学习, 成为他的第一位来自海外的研究生. 卢瑟福勤奋好学, 在导师的指导下, 卢瑟福在做他的第一个实验 放射性吸收实验时发现了 射线. 卢瑟福设计了巧妙实验, 他把铀、镭等放射性元素放在一个铅制的容器里, 在铅容器上只留一个小孔. 由于铅能挡住放射线, 所以只有一小部分射线从小孔中射出来, 成一束很窄的放射线. 卢瑟福在放射线束附近放了一块很强的磁铁, 结果发现有一种射线不受磁铁的影响, 保持直线行进. 第二种射线受磁铁的影响, 偏向一边, 但偏转得不厉害. 第三种射线偏转得很厉害.

卢瑟福在放射线的前进方向放不同厚度的材料, 观察射线被吸收的情况. 第一种射线不受磁场的影响, 说明它是不带电的, 而且有很强的穿透力, 一般的材料如纸、木片之类的东西都挡不住射线的前进, 只有比较厚的铅板才可以把它完全挡住, 称为 射线; 第二种射线会受到磁场的影响而偏向一边, 从磁场的方向可判断出这种射线是带正电的, 这种射线的穿透力很弱, 只要用一张纸就可以完全挡住它. 这就是卢瑟福发现的 射线. 第三种射线由偏转方向断定是带负电的, 性质同快速运动的电子一样, 称为 射线. 卢瑟福经过深入细致的研究后指出, 射线是带正电的粒子流, 这些粒子是氦原子的离子, 即少掉两个电子的氦原子.

1911年5月, 卢瑟福在做了大量的实验和理论计算以及深思熟虑后, 大胆地提出了原子有核模型, 推翻了他的老师J J 汤姆孙的原子模型. 受长岗的土星模型的启示, 卢瑟福提出了 太阳系式 原子有核模型. 他认为, 原子中有一个非常小的带正电的中

心核, 即原子核; 电子绕核心旋转, 就像行星绕太阳旋转一样; 原子核集结了原子的大部分质量. 这就是卢瑟福的 太阳系式 原子模型. 在这个 太阳系 中, 支配的作用力是电磁相互作用力. 他解释说, 原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上, 而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上. 当 粒子正对着原子核心射来时, 就有可能被反弹回去. 这就圆满地解释了 粒子的大角度散射. 在卢瑟福原子有核模型中, 电子绕核旋转, 就必有加速度, 按经典理论, 原子就要向外辐射电磁波(即辐射能量) , 随着能量的减少, 最后电子就会落到原子核上, 出现原子坍缩现象. 这与事实并不相符合. 是不是卢瑟福的原子模型不成立了呢? 卢瑟福在其一篇著名的论文 物质对 和 粒子的散射和原子构造 中指出: 原子的稳定问题先不必考虑, 因为这个问题显然取决于原子的微细结构和带电部分的运动. , 这就是说, 如何解释稳定性问题, 是以后要解决的事情, 但它丝毫不影响原子有核模型的建立.

1911~1913年间盖革(H ans Geiger, 1882~1945) 和马斯登(E. M arsden, 1889~1970) 在卢瑟福指导下做了一系列 粒子的散射实验, 所有实验结果都和卢瑟福原子有核理论符合的很好. 结果都证明:原子中心有很强的电荷, 这个中心比原子直径要小的多. 此后盖革和马斯登又重复着这个已经做过多次的实验, 奇迹出现了! 他们不仅观察到了散射的 粒子, 而且观察到了被金箔反射回来的 粒子. 卢瑟福在晚年的一次演讲中曾描述过当时的情景, 他说: 我记得两三天后, 盖革非常激动地来到我这里说: 我们得到了一些反射回来的 粒子 , 这是我一生中遇到的最难以置信的事情, 简直就像15in 的炮弹去轰击一张薄纸, 而炮弹却掉过头来击中你自己一样难以相信. 是什么把 粒子弹了回去呢? 若按J J 汤姆孙的原子模型, 粒子不可能产生大角度散射, 更没有被弹回的可能. 他认为, 粒子之所以被弹回, 一定在原子内部受到了极强电场的作用. 这样, 就可设想所有正电荷都集中在一个核心上, 粒子与这个核心接近时, 受到极强的作用力, 以至于把 粒子抛回去.

卢瑟福检验了在他学生的实验中反射回来的确是 粒子后, 又仔细地测量了反射回来的 粒子的总数. 测量表明, 在他们的实验条件下, 每入射约8000个 粒子就有一个 粒子被反射回来. 用J J

汤姆孙的原子模型和带电粒子的散射理论只能解释 粒子的小角散射, 但对大角度散射无法解释. 多次散射可以得到大角度的散射, 但计算结果表明, 多次散射的几率极其微小, 和上述8000个 粒子就有一个反射回来的观察结果相差太远. 卢瑟福经过仔细的计算和比较, 发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内, 粒子穿过单个原子时, 才有可能发生大角度的散射. 也就是说, 原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内. 在这个假设的基础上, 卢瑟福进一步计算了 散射时的一些规律, 并且作了一些推论. 这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实.

1913年, 在卢瑟福指导下, 盖革和马斯登又仔细进行了 粒子散射实验, 证实了散射公式的正确性, 从而证实了卢瑟福提出的原子有核模型. 至此, 卢瑟福的原子有核模型得到了公认, 并取代了J J 汤姆孙的原子模型. 原子核和原子有核结构的发现, 是物理学史上一个划时代的贡献. 它宣告了原子核物理学的诞生, 使卢瑟福成了原子核物理学的奠基人, 也为人们深入探索原子结构打开了大门. 2 原子有核模型的现实意义与发展[9~15]

卢瑟福的原子有核理论开拓了研究原子结构的新途径, 为原子科学的发展立下了不朽的功勋. 然而, 在当时很长的一段时间内, 卢瑟福的理论遭到物理学家们的冷遇. 卢瑟福原子有核模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求, 即无法解释电子是如何稳定地待在核外. 1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获得成功. 因此, 当卢瑟福又提出原子有核模型时, 很多科学家都把它看作是一种猜想, 或者是形形色色的模型中的一种而已, 而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础. 卢瑟福的原子有核结构模型与经典物理学理论是有矛盾的. 卢瑟福的原子核式结构模型是依据 粒子散射实验建立的, 在实验中他遇到的主要困难有两个:第一, 电子在原子核周围的运动是加速运动. 按照经典理论, 加速运动的电子要不断向外辐射电磁波. 随着电子能量的不断减小, 其运动轨道的半径越来越小, 最终落在核上, 这就无法说明原子的稳定性. 第二, 电子绕核运动过程中, 它的绕核转动频率连续改变, 这一过程应向外发射连续光谱, 原子光谱应是连续的

光谱. 而实验测得原子光谱是不连续的谱线. 卢瑟福认为自己提出的模型还很不完善, 有待进一步的研究和发展.

卢瑟福的原子有核模型, 成功地解释了许多物理和化学现象, 但后来的研究发现, 它有很大的局限性. 他的学生、丹麦著名物理学家N 玻尔, 综合了普朗克的量子论、爱因斯坦的光子论, 在卢瑟福原子有核模型的基础上, 提出了原子的玻尔模型, 合理地解释了核外电子沿轨道运行的稳定性问题. 因此, 人们把原子有核结构模型称为卢瑟福-玻尔原子模型, 这个模型比卢瑟福模型有很大改进, 但它是经典力学与量子论相结合的产物, 故随着科学的发展, 出现了很多不符合实际的情况, 所以后来被量子力学原子模型所取代.

3 卢瑟福的主要科学成就

1899年, 卢瑟福在做铀射线对薄铝板的穿透实验时, 发现铀放射出两种射线, 并将它们分别命名为 射线和 射线. 他通过 粒子为物质所散射的研究, 无可辩驳的论证了原子的有核模型, 因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道, 于是他被誉为原子物理学之父.

1900年起, 他和英国化学家索迪(Frederick Soddy, 1877~1956) 合作, 首先发现了放射性元素的半衰期. 自从元素的放射性衰变被确证以后, 人们一直试图用各种手段, 如用电弧放电, 来实现元素的人工衰变, 而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径. 这种用粒子或 射线轰击原子核来引起核反应的方法, 很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段, 人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献. 在卢瑟福的晚年, 他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应.

1904年, 卢瑟福首先提出了放射性元素的蜕变理论, 他发表的物理学经典巨著 放射学 系统地提出了一套全新的理论 放射性元素蜕变理论. 同年, 他进一步提出非放射性元素或一切元素都经受一种缓慢的变化过程的重要理论, 以此彻底动摇了传统的以原子为始基和元素不可变的旧原子论. 并首次成功地实现了元素的人工蜕变. 他也因 元素蜕变和放射性物质化学方面的研究 而被授予1908年的诺贝尔化学奖

[16]

型, 使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次, 为开辟一个新的科学领域 原子物理学, 做出了开创性的工作. 使他成为放射学的开拓者和原子物理学的奠基人.

1919年, 卢瑟福发现了质子, 做了用 粒子轰击氮核的实验. 他从氮核中打出的一种粒子, 并测定了它的电荷与质量, 它的电荷量为一个单位, 质量也为一个单位, 卢瑟福将之命名为质子[17~18].

1920年, 卢瑟福预言组成原子核的另一个重要成员中子的存在, 并相当详细地描述了中子的特性. 中子 这个概念也是卢瑟福确定的. 在卢瑟福的指导下, 他的学生查德威克于1932年用 粒子轰击了金属铍, 释放出一种质量与质子相同但不带电荷的粒子, 这就是中子. 这一发现使卢瑟福12年前的预言在大部分细节上得到证实, 查德威克也因这一发现获得了1935年诺贝尔物理学奖. 至此, 人们终于弄清楚了, 原子核是由质子和中子组成的. 质子和中子的发现对于建立原子核结构理论具有关键性的意义[11].

卢瑟福的研究成果对20世纪上半叶物理学的发展具有重要作用, 著有 放射学 、 放射性物质及其辐射 、 放射性变化 等书籍[19].

卢瑟福为人正直, 尽瘁科学, 还是一位伟大的教育家; 他一生中培养了大批优秀的科学家, 其中有12位诺贝尔奖获得者. 4 感想与启示

实验是物理学发展的动力和源泉, 也是检验物理理论正确与否最直接、最根本的标准. 前期原子模型大都根据零星实验事实而提出, 带有很大的猜测成分, 而卢瑟福原子有核模型的提出基于可靠的物理实验, 并且经过了实验的进一步验证; 虽然卢瑟福原子有核模型与经典电磁理论存在尖锐矛盾, 但卢瑟福仍然勇敢地提出了自己的观点, 因为实验是理论的基石. 这启示我们:科学需要创新, 创新不仅需要勇气, 更需要坚实的物理实验和敏锐的洞察力作为基础

[2]

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是什么力量使卢瑟福在科学道路上不断作出贡献, 并培养出一大批卓越人才呢? 又是什么力量吸引着他的学生和助手, 使他们形成一个科学整体并在各自的领域中取得巨大的成就呢? 从卢瑟福的科学道德的治学精神中可以找到答案. 卢瑟福在攀登科

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1911年, 他完整地阐述了具有核结构的原子模

学高峰的道路上, 表现出了大胆的想象力和富于创新的精神. 他具有非凡的洞察力, 因而常常能够抓住本质作出科学的预见. 同时, 他又有十分严谨的科学态度. 他从实验事实出发作出应该作出的结论. 科学赖以发展的基本方法是对自然现象的实验、调查和对调查结果所得出的理论概念的不断检验. 在物理学的发展中, 如同在其他实验科学中一样, 具有意义的是对科学的基本观点不断加以修正. 从这个意义上说, 科学家必须具备大胆的想象力. 如果说科学中的创新精神能使卢瑟福及其助手们的研究具有价值的话, 那么他的科学预见则往往能把研究工作引向正确的方向

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室和剑桥大学的卡文迪什实验室的领导者, 在组织科学研究和培养人才方面所提供的宝贵经验, 已经并将继续对现代科学管理与造就优秀的科学人才产生深远的影响.

今年正值卢瑟福提出原子有核模型理论100周年暨卢瑟福诞辰140周年, 谨以此文纪念, 让我们缅怀伟大的科学先驱 欧内斯特 卢瑟福.

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技, 2004, (7) :93~9619 阎康年. 卢瑟福与现代科学的发展. 北京:科学技术文

献出版社, 1987

. 卢瑟福总是尽自己最大努力培养学

生们的个性, 并且因势利导, 指导学生向正确的方向前进. 卢瑟福为什么把自己的科学预见归功于自己的学生呢? 他曾经说过:一位教师最高尚的品德是不忌妒他的学生的成功, 而这一点当教师年事已高的时候更是不易做到. 培养学生乐于进取的精神, 这是卢瑟福在科学研究中的又一个重要特点. 这种特点被他的学生称为 鳄鱼精神

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. 卡皮查曾说过: 卢

瑟福不仅是一位伟大的科学家, 而且也是一位伟大的导师 科学史告诉我们, 一位杰出的科学家不一定是一位伟人, 而一位伟大的导师则必须是伟人.

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卢瑟福还有一个特点, 就是谦逊豁达的品质和平易近人的作风. 他从来都不把一切荣誉和成就都记到自己的功劳簿上, 他认为: 科学家不是依赖于个人的思想, 而是综合了几千人的智慧, 所有的人想一个问题, 并且每人做它的部分工作, 添加到正在建立起来的伟大的知识大厦之中. , 卢瑟福就是靠着集体的智慧而在科学研究中取得一个又一个的成就.

卢瑟福的贡献受到以后科学家们的高度评价, 人们称他是 现代原子物理的奠基者 , 修改了我们的全部原子理论 , 有人称他和爱因斯坦是 我们时代两个最伟大的人 , 一个是最伟大的实验物理学家, 一个是最伟大的理论物理学家. 并称 卢瑟福是原子时代的牛顿, 研究原子的分裂和构成, 他是微观宇宙之王 , 科学史上最伟大的人物之一 . 卢瑟福是个伟大的科学家, 也是个伟大的教师. 他曾作为现代著名的科研中心 曼彻斯特大学的物理实验