自然科学基础知识课件第五章 放射性和原子能

• 在此之后，贝克尔对铀元素和铀的化合物进行了一系列的 研究。发现这种辐射不依赖于任何的激发方式，这是一种
新型的自发现象，这种新型的辐射的强度不随时间变化。
还发现这种辐射能穿透物质，能引起电离，引起验电器放 电。贝克勒尔得出：“一切铀盐……都放射相同性质的辐 射，这一性质是同铀这种元素相关的一个原子的性质相类
其后，居里夫人发现铀、钍混合物的辐射强度比
其中铀和钍的含量所应发射的要强得多，经反复
实验后，认为这些矿物中一定含有一种放射性较
强而未被人们所知的新元素。她把这些初步成果
写成报告，由她的老师李普曼转交给了巴黎科学 院。
• 居里先生立即认识到这一研究的重要性，暂时放 下自己正在进行的有关晶体的研究，与夫人一起
• 这时，有一名新西兰的年轻物理学家欧内斯特·卢
瑟福开始了这项研究。他用强磁铁使细射线偏转
，发现射线分为方向相反的两束，他还证明两束
射线有不同的贯穿本领，并在报告中指出：铀射
线中至少包含两种不同的射线，一种非常容易被
吸收，称为α射线；而另一种具有较强的贯穿本领
，称为β射线。
•
1900年，法国科学家维拉德观察到镭同时辐
• 首先，贝克勒尔把他的实验室里的许多能发出 荧光和磷光的物质逐个放到密闭的照相底片上， 在阳光下暴晒，发现磷光和荧光物质并不发射X射 线。1896年2月，为了弄清荧光和X射线之间是否 存在必然的联系，贝克勒尔用一种荧光物质作实 验材料，并精心设计了试验方案：他用一张黑纸 包好一张照相底片，在底片上放置两块这种铀盐 和钾盐的混合物，并在其中一块和底片之间夹了 一枚银元，然后放在日光下照射几个小时，使之 发出荧光。他发现底片感光了，有可辨认的银元 影像。因此，贝克勒尔认为：是一种伴随着荧光 现象所发出的射线使底片感光。这种射线可能就 是X射线。但是进一步的实验事实证明他的想法是 错误的。
• 1913年，英国年轻的物理学家莫塞莱求出了各种 金属的特征X射线的波长，并且得到了一个重要的 发现：各种元素的波长非常有规律地随着他们在
周期表中的排列顺序而递减。利用此规律，他准
确地确立了各元素的原子序数，并发现与核电荷
数相等，这个发现对认识原子内部结构和元素周 期律有重要意义。由于X射线谱是原子内层电子跃 迁发射产生的，其某些特性反映了原子内部结构 情况，因此精细研究X射线谱是对原子内部成分进 行实验研究的最好手段，为我们认识物质的微观 结构提供了重要途径。
体元素越重，新生的X射线就越强。
•
(2)新射线沿直线传播，通过棱镜时不发生反
射和折射，不被透镜聚焦。
•
(3)新射线可使荧光物质发出荧光。
•
(4)新射线具有较强的穿透能力，几乎所有物
质对它都是透明的，只是程度不同而已。
•
(5)阴极射线和X射线的行为的另一个显著的区
别是：尽管多次实验，我未能借助于一磁体(即使
时任维尔茨堡大学校长的伦琴也投入了阴极射线
的研究。
• 伦琴分别使用勒纳德管和克鲁克斯管重做了赫兹和勒纳 德等人的实验，发现当放电管的薄铝窗和涂有亚铂氰化钡 的荧光屏相距几个厘米时，荧光屏有荧光产生。实验证实 了勒纳德关于阴极射线可以穿透几厘米空气的性质。当进 一步实验时，为了阻止紫外线可见光的影响，并且不使管 内的可见光漏出管外，伦琴用黑色的硬纸板，把放电管严 密地封好。当他在暗室里接通高压电源时，意外发现1米 以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了荧光；而一断开电 源，荧光就即刻消失。他把荧光屏逐渐移远，发现到2米 左右，屏上仍有荧光出现。这一现象使他很惊讶，因为他 明白阴极射线只能穿透空气几个厘米，而绝不能使一二米 外的荧光屏发光，而且阴极射线是不能透过玻璃管的。那 么透过玻璃管使荧光屏发光的究竟是什么射线呢?
似的，并且金属铀比在第一批实验中所用的盐类要强大约
三倍半。”结论是放射性是原子本身所具有的。这个结论
在以后的放射性研究中具有指导性的意义，所以说，是贝 克勒尔迈出了通向原子核研究的第一步。
•
研究放射性使贝克勒尔的健康受到了严重的损害。由
于当时对放射性危害性的无知，研究工作都是在无防护的
条件下进行的，结果他成了第一位被放射性物质夺去生命
二、贝克勒尔射线
• X射线发现不久，法国科学家彭加勒收到了伦琴 寄给他的第一批X射线照片的复制件。在1896年1 月20日法国科学院每周的例会上，他展示了有关 照片。当时在场的法国物理学家贝克勒尔非常敏 感地想到：既然X射线是从阴极射线打到玻璃管壁 而产生的，而玻璃管壁同时也发出荧光，那么X射 线有可能同荧光物质有关。
二、汤姆孙的实心带电球模型
• 第一个影响较大的原子模型，是汤姆孙于1904 年提出的“电子浸浮于均匀正电球中”的模型。 他设想原子是由带负电荷的电子与另一部分带正 电荷的主体组成。为了解释原子中电子质量远小 于原子质量的事实，他设想带正电荷部分的、主 体像流体一样均匀地分布在球形的原子体积内， 而带负电荷的电子，则像“葡萄干”一样嵌在球 体内对称的位置上。另外他还假设，原子光谱是 由于在对称的固定位置上的电子受正荷的作用力 作简谐振动的结果。这个模型俗称“面包夹葡萄 干”模型。
• 伦琴在经过反复实验之后，他确信发现了一种尚 未为人所知的新射线。由于当时新射线的本质还 不太清楚，所以他把这种新射线称为“X射线”。
为了检验这种射线的穿透本领，伦琴选用多种物
质，逐个放在放电管和荧光屏之间进行实验。他
发现：“一切物体对这种作用都是透明的，只是 程度极为不同……纸是最透明的，在一本约有1 000
氦同数量级。但当时的实验精度，还不足以区分 它是带1个正电荷还是带2个正电荷。
• 1908年，德国物理学家盖革发明了一种计数管。 卢瑟福和盖革一起利用计数管和闪烁计数法，计 数了1克镭1分钟之内放出的α粒子数，并测量了由 镭源得到的总电量，计算出α粒子带有2个正电荷 。由此，卢瑟福推测出α粒子是带有2个正电荷的 氦离子(氦核)。
页的带封面的书的后面，我仍然清楚地看到了荧 光……在两副纸牌的后面荧光可以看见……厚的木 块也是透明的；二三厘米厚的松木(对射线的)吸收 很少。15毫米厚的铝条使效应大为减弱，但并不 能使荧光完全消失。”
•
当伦琴进行铅的吸收能力试验时，无意中看
到了自己拿铅片的手的骨骼轮廓。伦琴请他的夫
人把手放在用黑纸包严的照相底片上，然后用X射
• 在对铀盐的放射性强度进行了测量之后，居里夫 人开始探索除铀以外是否还有别的元素具有类似 的性质。1898年，首先发现了“钍”也具有放射 出类似射线的性质。大约同时，德国的物理学家 格哈德·施密特在爱尔兰也观察到同样的情况。居 里夫人建议把某些原子放出射线的性质叫做“放
射性”，而把放射性物质称为“放射性元素”。
射出三种射线，除上述两种射线外，还存在一种
不受磁场影响且比X射线还短的电磁波，称为γ射
线。
• 1899年，贝克勒尔发现一束射线在磁场中发生偏
转，居里夫人证明其带负电。次年贝克勒尔测定 了荷质比，确认了β射线是电子流。1902年，卢瑟 福用强磁场使α射线发生偏转，证明了α射线带正 电荷。1906年，测定了荷质比，证明了它与氢或
共同致力于放射性新元素的研究。经过艰苦努力 ，1898年7月18日，居里夫妇宣布发现了一种新的
放射性元素。为了纪念居里夫人的祖国波兰，命 名新发现的元素为“钋”。
•
此后，居里夫妇在试验一种从沥青铀矿中提
炼出来的含钡的化合物时，发现这种含钡的化合
物具有比纯铀强百万倍的放射性。1898年12月，
他们宣布分离出了与钡伴存的又一个放射性元素
的人，终年才56岁。
三、居里夫妇与镭
• “贝克勒尔射线”的发现，立即引起了人们的注 意，居里夫人怀着极大的兴趣阅读了贝克勒尔的 报告。1897年，为了取得博士学位，她选择了贝 克勒尔刚发现的尚不完全清楚的射线来源，作为 考博士学位的研究课题。于是居里夫人在丈夫工 作的学校的储藏室里开始了实验工作。
第五章 放射性和原子能
自然科学基础知识
目录
• 第一节放射性的发现 • 第二节原子模型理论的演变 • 第三节核反应及核能利用
第一节 放射性的发现
• 一、伦琴发现X射线
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1876年，德国物理学家哥尔德斯坦在实验中
发现阴极射线后，围绕“阴极射线是什么?”展开
了激烈的争论，争论引起许多科学家的兴趣。当
箔的实验表明，原子中大部分空间是空无所有的
，刚性物质大约占全部空间的10-9，于是他设想
，由正、负电荷组成的“刚性配偶体”飘浮于原
子太空中。
• 1903年底，日本的长冈半太郎提出一个“土星 型模型”：电子均匀地分布在一个环上，中心是 一个大质量的正电球。这实际上已提出原子内有 一个中心(即核的意思)、原子内部存在相互作用的 库仑力及电子绕中心旋转的概念，只是对核大小 的数量级及原子稳定性等问题，尚未予以足够的 重视和阐明，也没有实验的验证。可见，原子的 有核模型由来已久，只是未获得充分证据而已。
•
早在1871年，为了解释安培分子假设，W.韦
伯曾提出一个原子模型：质量极小的正电粒子围
绕质量较大的负电粒子旋转。
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1901年，法国的佩兰在讲演中设想原子的中
心是带正电的粒子，外面围绕着电子，电子运动
的周期对应于原子发射光谱线的频率，这就把原
子结构同光谱谱线联系起来了。
•
1903年，德国的勒纳德用阴极射线透过金属
• 至此，关于放射性物质发出的三种射线及基本性 质都清楚了。
第二节 原子模型理论的演变
•
1897年，汤姆孙发现电子并证明电子比原子
还小4倍，是不同原子的共同组成部分之后，人们
开始探讨原子结构理论，尝试建立原子结构模型
。为此，物理学家们根据自己的实践和见解从不
同的角度提出了各种不同的模型。
一、原子有核模型的早期概念
磁场很强)使X射线发生任何偏转。
• 这引起了医学界的重视，在X射线发现后的3个月 以后，维也纳的医院在外科治疗中便首次应用了X 射线来拍片。X射线发现的传播，应用之迅速，反 应之强烈是科学史上罕见的。
•
X射线的发现，是科学史上一次重大革命，
它展示了物理学尚有亟待探索的新领域，鼓舞人
们去研究新现象，寻求新现象的科学解释。它对
•
汤姆孙模型的重要意义在于：指出了原子内
部是有结构的，打破了原子内部带正负电荷的物
质均匀分布的概念，也可初步解释原子的稳定性
、电中性及与光谱的关系，标志着拉开了原子科
学新时代的序幕。更由于是他发现了电子，因此
人们称他是“一位最先打开通向基本粒子物理学
大门的伟人”。
•
但是，从汤姆孙的模型中只能算出一个特征
• 2月26日后，遇到连续几天的阴雨天，使实验无法 继续进行，他就把铀盐和密封的底片一起放进了 抽屉。3月1日，天刚晴朗，他想接着做中断了的 实验。一贯严谨细心的贝克勒尔首先检查了底片 ，发现密封的底片已经感光了，上面有铀盐的轮 廓，这使他惊喜异常。因为没有阳光的照射和荧 光的作用，那只能是由于铀盐本身发出的某种神 秘的射线所致。科学界为表彰他的这一杰出贡献 ，把放射性物质发出的射线称为“贝克勒尔射线 ”。
，取名为“镭”。
四、三种射线的本质
• 放射性元素的接连发现，促进人们更深入地去 研究放射性现象，为了弄清这些天然放射性物质 所辐射出的射线的成分，1899年，贝克勒尔使用 居里夫妇提供的镭样品，发现镭发出的射线能被 强磁铁偏转；钋发出的射线又似乎不受磁铁的影 响，而且镭的辐射比钋的辐射穿透力大得多。因 此，贝克勒尔认为已经证明了两种射线。
物理学的进一步发展具有深远影响。
• 人们对X射线的本质和产生原因的研究，又导致了
新的重大发现。伦琴关于其发现的第一篇报告， 就直接导致了放射性的发现。1912年，德国物理 学家劳厄，用晶体作光栅得到了X射线的衍射图， 证明了X射线是一种波长很短的电磁波。X射线成 为研究晶体结构的有力工具。1906年，英国物理 学家巴克拉发现当X射线被金属散射时，散射后的 X射线的穿透本领会随金属的不同而迥然不同，表 明每一种金属都有自己的“特征X射线”。
线照射，显影后得到了一张清晰的人手骨骼像，
这表明，从此人类可以借助于X射线，隔着皮肉透
视骨骼。
•
1895年12月28日，伦琴向维尔茨堡物理医学
学会递交了他的关于X射线的第一篇论文《论一种
新的射线》。论文中记述了实验装置和实验方法
，初步说明了X射线的性质，归纳起来，有如下几
条：
•(1)阴极射线打Fra bibliotek固体表面上会产生X射线。固