#每日科普# 如果一层一层“剥开”原子核,你会发现……

在道尔顿、布朗、爱因斯坦、佩兰的共同努力下,人类已经达成了共识:原子是切实存在的。

但道尔顿的现代原子论里提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是构成物质的最小单元吗?原子里面还能不能继续拆分?

解决这一问题的,是三代师生,约瑟夫·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、詹姆斯·查德威克。

剥开原子的第一层面纱

最早打开原子内部结构的科学家,是汤姆森。

汤姆森在研究β射线的时候,发现β射线是由一种带负电粒子构成的,这种粒子被称作电子。

汤姆森认为,在每个原子里面应该都有这样的电子。而且,汤姆森还提出了他的葡萄干布丁原子模型:每个原子就像是一个葡萄干布丁,正电荷和布丁一样,均匀分布在整个原子里,带负电荷的电子,和葡萄干一样,撒在布丁上。

虽然在教科书上对这个模型的评价并不高,只是一带而过,但这个模型自有它的重要意义,它说明了一点,原子是可以继续拆分的。而继续拆分的任务,就交给了他的学生——卢瑟福。

1901年,卢瑟福在研究放射性元素“钍”的时候,发现钍元素能够向外释放出α射线,更令人惊讶的是,在衰变之后,钍元素变成了另一种元素。

一种元素能够转变成另一种元素,过去这件事只存在于炼金术士的幻想中,现在卢瑟福竟然证实了,这一重大的发现,让卢瑟福获得了1908年的诺贝尔化学奖。

顺便提一下,卢瑟福拿到诺贝尔化学奖之后并不高兴。他觉得自己明明是个物理学家,怎么都应该拿诺贝尔物理学奖。

但诺奖对卢瑟福来说并不重要,他通过对放射性元素的研究,认定了一件事:放射性元素释放出来的能量,来自原子内部。当时,包括居里夫人在内的很多人都认为,放射性物质的能量是从外部吸收来的。所以,卢瑟福认为居里夫人对放射性还不够了解。

如果原子内部能够放出各种各样的射线,这又指向了一件事情:原子还可以继续往下拆。

那原子里面到底有什么呢?于是,卢瑟福开始用α粒子,对原子发动了轰击。这就是著名的“金箔实验”。

1908年,卢瑟福在助手盖革的帮助下,一起用α粒子继续轰击金箔。他们发现,α粒子在透过金箔的时候,大部分粒子都是直直地穿过,而很少一部分粒子发生了偏移,卢瑟福称之为散射,而还有极少数粒子,发生了非常大的偏移。

异常现象背后一定有原因,卢瑟福就把研究重点放在这些偏转很大的粒子身上,他甚至让助手去找,有没有被反弹回来的α粒子。虽然卢瑟福本人没抱什么希望,可助手竟然真的发现了,有非常非常少的粒子,被直直地反弹回来了。

用卢瑟福自己的话来说,这就像你拿一门炮去轰一片纸巾,结果炮弹竟然被纸巾弹回来了。这些被弹回的粒子,就犹如一发炮弹,击中了卢瑟福的想象力。

当时,卢瑟福已经知道了,α粒子是带有正电荷的,如果发生了这么大幅度的偏转,一种可能是,它们受到了非常大的电磁力作用。被弹回的粒子,应该是直直撞上了这个电荷集中的地方,这个地方就是原子核。

根据推算,原子核应该非常非常小,就像鸟巢体育馆当中放了一个网球。

可是按照他老师汤姆森的葡萄干布丁模型,原子里的正电荷应该是均匀分布的,不应该有哪个地方存在这么集中的正电荷。难道老师之前说的一直是错的?

卢瑟福是一个极其严谨的人,他并没有急着公开自己的发现。他花了将近4年时间,确认了大量的数据,在确认万无一失之后,在1911年,卢瑟福模型首次公布了。

卢瑟福认为:原子不是坚不可摧的,原子中间是一个极小的带正电的原子核,外面是绕着它高速旋转的电子。

美国原子能委员会的标志,就是卢瑟福模型。还有你今天看到的用来表示原子的符号,大部分也都是这个模型。

早期美国原子能协会标志(图片来源Wikipedia)

提出这个模型之后,卢瑟福还有更重要的事情要做,他需要搞清楚原子核里头到底是什么。

卢瑟福继续用他钟爱的α粒子轰击其他原子。在轰击氮原子的时候,卢瑟福发现了一个现象,α粒子和氮原子碰撞的时候,会出现氢原子核,也就是后来的质子。

能撞出氢原子核,这说明了一个问题,氢原子核可能是氮原子核的组成成分。而且,氢原子核的质量非常轻,其他原子核的质量都是它的整数倍,有没有可能,氢原子核是所有原子核的组成成分?

如果是这样,这又会是一个重大的发现。

1920年,卢瑟福公布了他的发现:氢原子核是构成所有原子核的基本单元。他给这个基本单元起了一个名字,质子[1]。

但卢瑟福依然保持了自己的谨慎态度,在公布这个发现之后,他找到另一位物理学家帕特里克·布莱克特利一起做更多的研究,验证自己的猜想。

在观察了23000张照片上的40多万条轨迹之后,他们在其中找到了8条特殊的轨迹。再一次,从异常情况中,卢瑟福做出了重大发现,这8条轨迹能够说明,氢原子核确实是构成其他元素原子核的成分(这8条轨迹表示,氮原子核α粒子碰撞后形成了极其不稳定的氟原子,之后,衰变成了一个氧原子核一个氢原子核)。

由此,原子核里最重要的一种粒子被发现了。

小居里夫妇与中子擦肩而过

卢瑟福发现质子之后,跟他的助手查德威克又发现了一个神奇的现象。

氮原子的原子核重量大约是氢原子核的14倍(大约跟14个质子重量相当),而电子只有7个,如果原子核里只有质子,那氮原子应该带电才对,这不太可能。于是,卢瑟福推测,原子核内应该还有一种不带电的中性粒子,重量跟质子差不多。

这个中性粒子,就是中子。但到目前为止,这只是一个推测,卢瑟福并没有直接证据证明中子存在。

最先发现这个证据的,是德国两位科学家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年,他们用α粒子轰击锂、铍、硼等元素,轰击完之后,发现了一种奇怪的射线。这种射线能量很高,而且不带电,他们认为,这应该是γ射线(一种电磁波辐射)[2]。

有些材料上说,最早发现中子证据的,是居里夫人的女儿和女婿,即小居里夫妇,但并不是。不过,小居里夫妇确实很快就投入到了对这种射线的研究中,他们利用这种辐射轰击其他物质,得到了非常高能的质子[3]。

可惜的是,他们并没有怀疑这种射线本身到底是不是γ射线。所以,他们确实和中子,以及一块诺贝尔奖奖牌擦肩而过。

卢瑟福的助手查德威克倒是敏锐地意识到,这种射线根本就不是什么γ射线,应该就是卢瑟福预言的中子。于是,查德威克赶紧重复了实验,并且证明了,射线是由一种不带电,而且质量和质子非常接近的小粒子构成,证实了中子的存在。因为这个发现,查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

顺便提一句,另一位叫劳伦斯的科学家,也发现Walther Bothe和小居里夫妇的解释有问题,同样投入研究,但还是慢了查德威克一步,但劳伦斯后面在后面因为另一项研究,对人类开发核能作出了极其重大的贡献,也拿回了属于自己的诺贝尔奖。

至此,人们不光发现原子核内的质子、中子,而且,也知道了通过改变原子核的组成,一种物质能够转变为另一种物质。

接下来,人们要开始将手伸进原子核内部了,摘取原子核内的能量果实。

参考文献:

[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.

【#年轻人的工资为什么不如老人的退休金#?】

前阵子有个热搜,说年轻人工作几年到手工资还没家里老人的退休金高,马马哥今天就和大家详细聊聊什么情况下会出现退休金倒挂,以及虽然还很遥远但大家一定关心的,就是这一代年轻人退休之后,到底能拿多少退休金。

分析为什么退休金高低有别之前,需要先了解下退休金的基本常识。和大多数国家一样,咱们国家的退休金也分三大支柱:第一个是基本退休金,第二个是职业退休金,第三个是个人退休金。基本退休金就是基本养老保险,是由政府主导的,所有个人和企业缴纳的钱都放到一个大账户里,给已经退休的人发退休金,或者说是养老金。目前它是咱们国家退休金体系的大头,这是最基本的保障,如果你的工作单位连这个都没有,我劝你赶紧换工作。

第二支柱主要是企业年金和职业年金,这笔钱也是单位和个人各缴纳一部分,区别是放在你的个人账户里,退休之后账户里钱只给你一个人发。当然,这个目前在退休金体系里比例还不高。机关事业单位工作人员基本都有,叫职业年金;央企、国企和一部分效益好的私企也会给员工办理企业年金,根据人社部统计,2021年末,企业年金覆盖人群只有不到3000万。

今年4月,国务院发布《关于推动个人养老金发展的意见》,提出的每年最多缴12000元的个人退休金账户,这就属于第三支柱,个人退休金。它同样是个人账户,专款专用,和第二支柱的区别是只有个人缴费,企业不缴费。个人买的各种商业保险属于这一类,它的本质和储蓄存款、长期理财没啥区别。一般来说,各国统计退休金、养老保险的时候,都是只看第一支柱第二支柱,不看第三支柱的。

有了这些基础知识储备,咱们就可以分析一下退休金的高低问题了。根据人社部最新公报,参加城镇职工基本养老保险的离退休人员有1.32亿,平均每人每月3500多元。决定退休金高低的第一个因素,是缴存金额、缴纳年限,这里面有复杂但统一的标准,我们就不细说了。

第二个因素,你是从机关事业单位退休还是从企业退休,这里差距很大。我根据统计年鉴的数据算了一下,2020年中央机关离退休人员平均基本退休金有8000出头,是全国平均水平的2倍多。我又算了一下江苏省的数据,2021年企业职工平均退休金是2667元,机关事业单位有8233元,是企业退休人员的3倍。

第三个因素,不同地区的退休金差距挺大。退休金最高的几个地区是:西藏、北京、青海、上海和新疆,西藏、青海和新疆是有政策照顾,而北京上海是经济发达省市。如果不考虑政策照顾的因素,陕西、广东、山西、天津退休金也比较高。

最后说说年轻人都关心的,我们退休的时候能拿到多少退休金。先说个概念,叫退休金替代率,就是退休金和退休前一年平均工资的比值,国际上认为啊,要想保持生活水平不明显下降,替代率不能低于70%。如果低于50%,生活水平就会大幅下降。

我们国家基本养老保险也就是第一支柱的替代率,是不断下降的。2000年时,平均替代率有70%左右,2020年已经降到了41%左右。也就是说,如果你退休前工资8000,退休后只能拿3000出头,而且根据专家的预测,替代率还会持续下降。虽然这个数据让我有点郁闷,但也不得不承认,第一支柱替代率降低符合国际大趋势。

很多高福利国家,都是靠第二支柱,也就是个人账户的企业年金来提升养老金替代率。我前面也提到,由国家统筹的养老保险和退休金,本质上都是工作的年轻人缴费养活已经退休的老年人。90年代时,大概是4个人供养1个,大约十年前变成了3个养1个,现在大约是两个半养1个。据中国社科院世界社保研究中心预测,到了2050年,几乎每个劳动者都要赡养1个退休人员。

压力真的是太大了。所以退休金已经出现了当期缺口,未来还会进一步扩大。当期缺口的意思是,一个年度里支出大于收入,2020年,城镇职工基本养老保险基金当期缺口就有近7千亿,当然之前累计的结余还有4.8万亿。

但是,我觉得年轻人也没必要太过悲观,我们隔壁,老龄化已经很严重的日本,2017年时,公共退休金的替代率是34.6%,年金等个人账户的替代率是23.1%,总替代率是57.7%,在大体量的发达国家里属于中等水平,到2050年左右老龄化极其严重时,预计才会降到45%左右。与其去为了那些根本扭转不了的趋势去抱怨甚至陷入焦虑,不如从现在开始,做好长期的积累。https://t.cn/A6Sklo2k(作者:想不到的马马哥 )

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