第171章 原子结构

  第171章 原子结构放射性以及先前的X射线及电子的成功证实,引发了人们对原子结构的思考。 很明显,原子不是不可分,而是由微粒构成。在原子物理的基础上,量子力学发展起来。不过,我们进入奇妙的量子论时,先要弄清楚原子真正的结构,从而得知科学家在探索奇妙微观世界时的思路,这就是读史使人明智的道理。 历史的探索展示了思维的发展。 第一个较有意义模型的提出是威廉·汤姆森即开尔文爵士,其实还有约瑟夫·约翰·汤姆森。在这两位汤姆森的设想中,原子设计成球形,是一种带正电的液体。负电子像蛋糕中的葡萄干一样埋在液体中。如果正负电荷相等,原子就表现为中性,如果“葡萄干”太少或太多,原子就转为正、负离子,从而呈现带电性。 这就是布丁模型,或说枣糕模型、葡萄干蛋糕模型。 在实验中,有些事实符合布丁模型,但是有些问题却不能回答:“原子的光辐射为什么会形成?” 还有一些问题,如果枣糕是正电的,为什么有的原子特别容易得电子而有些原子则容易失电子呢? 卢瑟福进一步研究,他做了一个实验,在此之前伦纳特已经做过。他们用放射性的X射线进行穿透铝箔的尝试,铝箔中是无数排列整齐的铝原子。 卢瑟福在铝箔的前面和后面安放了荧光屏,用来观察穿过铝箔的射线和反射回来的射线。实验表明,大多数X粒子可以穿透铝箔,只是略有偏转。粒子穿过了铝原子,而少数粒子被反弹回来,撞到接收屏幕上。穿过去的射线呈现偏转。 由于大幅度的偏转,人们只能用较大的正电荷吸引来解释,进一步,他们还认识到较大的正电荷几乎占有原子的全部质量。 这样,卢瑟福设想修正汤姆森布丁电子原型,他设想原子内部的正电荷及原子质量的大部分都被压缩在一个极小的空间内,而电子在“核”的外面,距核较远。核与电子之间存在间隙。但是这样还不够,这样无法解释为什么电子不被核吸进去。卢瑟福假想了一个力,使它保证电子不被核吸进去。 1911年,卢瑟福公布了“行星模型”。这种把恒星当成核,把行星当成电子的想法发展了汤姆森布丁原型。 不久,人们又发现了困难。按照卢瑟福的设想,原子核是由带正电荷的有质量的小粒子组成,每一个这种粒子都具有与电子电荷相应的正基本电荷。比如说氢原子,就可以看作是一个正核粒子和一个电子绕质子运行。 然而人们研究氦时发现它只有两个电子,那么按照卢瑟福的理论和氦的实际原子量相比,却是4个质子,也就应该有4个电子。这下又相矛盾了。 卢瑟福假定了原子内部有“核内部电子”。 这种假定的关系十分准确,人们由这种关系出发,证实了很多卢瑟福的预言。 卢瑟福假定的物质是错误的。1932年,英国詹姆斯·查德威克发现了中子。人们认识到原子核内不是存在能抵消质子电荷的电子,而是含有不带正电也不带负电的中子。 到此,原子结构大致成形。后来量子理论更好地解决了电子轨道等问题。 卢瑟福因为原子模型而获得1908年诺贝尔化学奖,但是他坚持认为自己的研究属于物理学成就。 他的另一个巨大成就是放射性。这项研究成为现代炼金术的门户。 对于较重的核来说,如果用X射线来射击,X粒子能够碰到核之前由于电力的作用就会发生偏转。然而是否有可能冲破力的作用,而把核击穿呢? 进一步,X粒子有没有可能进入一个原子核而不出来呢? 卢瑟福用气体的微粒进行研究。他设计了一个大玻璃管,管的一端用荧光屏封口,管身有两个阀门,用其中一个阀门抽出空气,另一个阀门送进被研究的气体。 管内装的是放射性物质,以便产生粒子射线。他首先把重核分子气体充进管中,按预想,X粒子穿不透重核原子的中心。果然,荧光屏上没有结果。当卢瑟福充进氮气时,荧光屏出现带电粒子的碰撞表征。 如果是X粒子,绝对不可能,因为X粒子射不了这么远。进一步研究电性,发现带正电。于是人们确定,这是质子。 这个质子是氢原子核。首先,人们排除了一种可能:氮中的氢和氢原子被X射线电离。经实验,这是可以避免的。那么只剩下一种解释了,即X射线击中了氮,使氮原子释放出了核内质子。 核内质子一变,元素性质就变了,这就是点石成金的绝妙法术。实验证明,原子量为4,核电荷数是2的X粒子轰击原子量为14,核电荷数为7的氮可以产生氧,同时释放一个质子(一个氢核),荧屏闪光。 卢瑟福在用氟、硼、铝做实验时,发现经过X粒子的轰击,也可以转变。这个结果是使人呈现奇妙幻想的,因为这说明了人工可以使一物成为另一物,元素之间互相转化。 后来,人们可以准确地观测轨迹,统计个数。原子之外与原子之内形成宏观与微观两极,这两个世界都是无穷无尽。 无限大与无限小,常常引人遐思。

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