高三物理 第二十二章 原子核 一、原子的核式结构、原子核(备课资料)

高三物理第二十二章原子核一、原子的核式结构、原子
核(备课资料)
一、核物理之父——卢瑟福
卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871—1937)英国物理学家.1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭.1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生.1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授.1919年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任.1925年当选为英国皇家学会主席.1931年受封为纳尔逊男爵，1937年10月19日因病在剑桥逝世，与牛顿和法拉第并排安葬，享年66岁.
卢瑟福是20世纪最伟大的实验物理学家之一，在放射性和原子结构等方面，都做出了重大的贡献.
他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化.放射性能使一种原子改变成另一种原子，而这是一般物理和化学变化所达不到的；这一发现打破了元素不会变化的传统观念，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，做了开创性的工作.
他通过α粒子为物质所散射的研究，无可辩驳的论证了原子的核模型，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.由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾，才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设，成为量子力学的先驱.
人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献.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γ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.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.
卢瑟福从小家境贫寒，通过自己的刻苦努力，这个穷孩子才能完成了他的学业.这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不回勇往直前的精神.后来学生为他起了一个外号——鳄鱼，并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室门口.因为鳄鱼从不回头，他张开吞食一切的大口，不断前进.
1908年，卢瑟福获得该年度的诺贝尔化学奖，他对自己不是获得物理学奖感到有些意外，他风趣地说：“我竟摇身一变，成为一位化学家了.”“这是我一生中绝妙的一次玩笑！”
卢瑟福还是一位杰出的学科带头人，被誉为“从来没有树立过一个敌人，也从来没有失去一位朋友”的人.在他的助手和学生中，先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人.1912年度诺贝尔物理学奖的获得者玻尔曾深情地称卢瑟福是“我的第二个父亲”.科学界中，至今还传颂着许多卢瑟福精心培养学生的小故事.
更为人称道的是他罕见地实现了伟大科学家与伟大人格的和谐统一.这伟大人格的任何侧面都反射出高尚之光辉.
二、中子、质子的发现
在早期的放射性研究中，卢瑟福已经发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，他把带正电的命名为α射线，把带负电的命名为β射线，把那些不受磁场影响的电磁波称为γ射线.1910年，卢瑟福用α粒子轰击原子，发现了原子核的存在.从而建立了原子的有核模型.
如果原子有核，那么原子核是由什么构成的呢？由于原子表现出电中性，它一定是带正
电的，其带电量与核外电子所带负电量一样.1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核.卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，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.
1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子.这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，几千年来炼金术士的梦想第一次成为现实.但是，这种元素的嬗变暂时还没有实用价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中.到1924年，卢瑟福已经从许多种轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在.
发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的.但卢瑟福的学生莫塞莱（1887—1915年）注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子核只有质子和电子组成，它的质量将是不够的，因为电子的质量相比起来可以忽略不计.基于此，卢瑟福早在1920年就猜测可能还有一种电中性的粒子.
卢瑟福的另一位学生查德威克（1891—1974年）就在卡文迪许实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速办法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据.1929年，他准备对铍原子进行轰击，因为它在α粒子的撞击下不发射质子，有可能分裂成两个α粒子和一个中子.
与此同时，德国物理学家波特及其学生贝克尔已经先走一步.从1928年开始，他们就在做对铍原子核的轰击实验，结果发现，当用α粒子轰击它时，它能发射出穿透力极强的射线，而且该射线呈电中性.但他们断定这是一种特殊的γ射线.在法国，居里夫人的女婿和女儿约里奥—居里夫妇也正在做类似的实验，波特的结果一发表，就被他们进一步证实了，但他们也误认为新射线是一种γ射线.
这一年是1932年，见到德国和法国同行的实验结果后，查德威克意识到这种新射线很可能就是多年来苦苦寻找的中子.他立即着手实验，花了不到一个月的时间，就发表了“中子可能存在”的论文.他指出，γ射线没有质量，根本就不可能将质子从原子核里撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能.其次，查德威克用云室方法测量了中子的质量，还确证了中子确实是电中性的.中子就这样被发现了.约里奥—居里后来谈到，如果他们去听了卢瑟福于1932年在法国的一次演讲，就不会坐失这次重大发现的良机，因为卢瑟福那次正好讲到自己关于中子存在的猜想.查德威克由于发现中子而获1935年度诺贝尔物理奖.。