#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.

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今天上午练车跑到一个村里去了,想上厕所在路上停了。前面清理垃圾的一位阿姨问我们去哪,我们说练车呢,忠哥说我是新手,阿姨说慢点开,啥事都慢慢就会了。就这一瞬间,明明是陌生人,可是是她的主动询问,也是她的关心和鼓励,内心觉得好感动。

下午决定出发去一个在山上的景区,路上遇见了放牛羊的村民,第一次来这不知道路线,停车问路边放牧的人,当他低头和我们车窗一个高度回答我们问题的那一刻,我真的看见了一张鲜活的淳朴的脸:黝黑、咧着嘴露着一口不齐又黄的牙。它是厚重生命里的一种表现。第一次只凭着一个人的面貌给我心灵带来冲击的感觉。尽管最近看了隐入尘烟里的马有铁,可没在现实生活中碰到过和马有铁不论在外貌和神情上都如此相似的鲜活的人。

后来路上遇见好几个放着牛或者羊的村民,他们都有着相似的黝黑的面容。当我们已经爬到很高的山上,路中有个牧民拦住了我们:他想搭我们的车。忠哥第一句是他要搭车不能搭他。我没有问为什么,因为有的时候他的一些考虑也是有原因的。牧民说他的两只牛不见了,他想让我们捎他一段,忠哥不停推脱,给他烟,不停说抱歉理解一下,但也没说原因。他说他不会抽烟,有种执意想搭车的感觉,意思是稍他两里地,但同时也告诉我们还有五六里地就到我们要去的目的地了。推阻了可能7、8次后,我们还是搭他了。

路上问了他关于他放牛的一些情况,他们村的情况,很快就到他要去找牛的地方了,他下车让我们慢慢开。我问忠哥为啥不搭他,他说在路上捎上他不出事就是一件好事,要出了事就谁都说不清了。你要是一个女生开车,你也不会搭他。但我说你是男的啊,他说万一突发心脏病或者啥的呢。反正就是任何不好的情况。我当时还以为是他才开车不久,怕不安稳不好意思载人家,其实我当时觉得你都开得不错了,载个人也没啥问题。但我也没说出来。

但在车上和牧民的对话,以及下车后他对我们的叮嘱,我都感觉他是一个没啥坏意的人。下车的时候,忠哥对牧民说你也多多理解一下我们刚才的推脱。那一下,可能牧民也没想啥,忠哥也不会在意,可我却对那7、8下的推脱多少产生一点内疚感。可是在没接触前,好像真的也分不清人到底是怎么想的。

后来下山的时候,在捎他那段路又遇上牧民了,他赶着他那几十头牛,忠哥摇下车窗问他走丢的牛找到没,他说找到了,让我们慢慢回。那一刻我觉得真好。

又往下走,前面可能有上百只羊在下山,三个放羊的人赶着。但却堵住了我们。当时天快黑了,忠哥担心黑夜走山路,想趁太阳落山前下山,眼前这一幕多少是有点让忠哥无语的。慢慢的前面的车辆走动了,当我们在这一个山脊处看到下一个山脊拐弯处,第一辆车似驱赶着羊群。三个放羊的人,一个紧跟羊群后面,另外两个放羊的人,遗落在后面,被我们赶上了,忠哥问在赶羊回家呢,是一个大概二十左右的人回答,是啊,车赶得人都快追不上羊了。他明明看其他才二十岁左右,却和放牛羊的那一群五六十岁的人一样的着装,面色。我当然没听到他在说什么了,是忠哥翻译的。再到前面,路边都是悬崖,但是有一块可能刚好能放上那上百只的羊群的地,它们为我们让路了。

它们可能循着山就下去了,可是放羊的人不好走啊,走公路赶不了它们,也赶不上它们。快到山底,我抬头看山坡上有白花花的一片,看不太清也不确定是花还是石头,但是凭着拐弯处的标志,我知道那是羊群让我们的地方,是羊,是羊真顺着山坡走了。我还震惊一会掉下来咋整,忠哥说羊可会走山路了。我心里也有点为我们刚才着急下山时被堵住的无语,和前面第一辆司机驱赶羊群的急促感到抱歉。

没有经历过的事情,很多时候我们都无法体会,尽管在电视或者书上也看到过放牛羊的情景,但不接触就不会有深入的感悟。我们开车上山需要一个多小时,那可是蜿蜒的盘山公路,放牛羊的人有从山脚放到山顶,他们得至少得走3、4小时吧,下来也得3、4个小时。背个包,太阳很大,一天就这样过了。一头牛可能值一万多,也不知道是不是和猪一样,一年能长多大。虽然感觉挺值钱的,可是买牛仔的钱或者自己家下牛仔的本领,也不是每个人都能拥有的。所以那句“人赚不到认知外的钱”用这件事也能解释。

慢慢的每去一个地方,其实最吸引我的是感受那里的人情和文化。每个地方都有每个地方的特色,见得多了,理解了,心胸也就宽广了。


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