中子与质子的发现

中子与质子的发现

人类祖先还没有学会使用火的时候，他们就已经在不知不觉地享受着核能的赐予了。几十亿年来，太阳一直在照耀着地球，促进了地面生命的演化和发展。太阳的能量从何而来？今天，科学家已经有足够的证据证明：太阳的能量来自核能。古代的人们曾有设想太阳是个大火球，不断地燃烧着。然而科学家们根据对太阳质量和辐射强度进行了分析发现，不管通过什么化学反应引起的燃烧，要维持太阳辐射的光和热的强度，只要1500年左右，就会把所有燃料耗尽。但是地球已经存在了大约46亿年，在此期间，太阳基本像现在一样照耀着地球，只有比化学能大过几百万倍的核能，才有可能长期维持着太阳的不断辐射。原子核的内部怎么会蕴藏着这么巨大的能量？我们可以如何利用？原子核里到底有什么秘密？

1945年8月6日和8日，美国在日本的广岛和长崎先后投下了两颗原子弹，城市变成了一片废墟，8月15日，日本宣布投降，第二次世界大战结束了。原子弹的空前破坏力给全世界的人们留下了极其深刻的印象，就连美国也惊诧于这种新武器的威力。战后，许多国家开始致力于核武器和核能的开发，人们开始广泛关注核军备竞赛和核反应堆的发展。前苏联切尔诺贝利核电站的放射性泄漏事件，使人们能核能的利用既感到有希望，有带着几分恐惧。然而，不管你愿意不愿意，核能已经开始进入我们的生活，成为继木材、煤炭和石油之后的又一能源。

近代的原子－分子学说

宇宙万物的原始组成，自古以来在世界各地都引起人们有极大的兴趣。我国古代的五行学说认为，万物是由金、木、水、火、土五种基本元素组成的。古代希腊人把气与水、火、和土并列为世界的四种基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特主张宇宙万物只有一种起源，即他称为“原子”的一种极小颗粒，他认为原子不可分割，无质的区别而只有大小、形状的差异，“原子”和“虚空”是万物的本原。随着人类文明的进步和近代科学的兴起，古代的五种（或四种）基本元素的概念越来越不能说明化学研究是出现的新现象。“原子”这一模糊的概念随着控化学和物理学的发展而获得了更加明确和丰富的意义。

19世纪，英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论，他认为，化学元素是由非常微小的、不可再分割的物质粒子即原子组成，原子是不可改变的。化合物由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。接着，意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念，他指出：所有相等体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子，同等体积的气体原子数日虽然不同，但分子数目是一样的。但是在接着的近半个世纪，人们没有重视阿伏加德罗的理论，化学家们根据不同的标准，测得的相对原子量也不同。到了1858年，意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗定律，才能真正解决化学式问题和原子量问题，

他的观点得到了人们的赞同，近代的原子-分子论确立了。接着，人们发现了大量的元素并测定了精确的原子量，到1869年，俄国化学门捷列夫提出元素性质与元素的原子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表，1871年，他又发表了修正的第二张元素周期表。

放射性和电子的发现

十九世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质是否与X射线有关时意外地发现铀能使用黑纸包起来的底片感光，进一步研究后，他得出结论，这是新射线是从铀原子本身发射出的，铀具有放射性。放射性的发现打开了一个巨大的新的研究领域，这不仅使原有的原子观念发生了重要变化，也是人们认识原子核的开始。接着，居里夫妇发现钍、钋、镭等元素也具有放射性，并发现了放射性衰变的定量规律并引入了半衰期的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率进行特定的衰变，有N个原子的元素在一段时间后就会因为衰变而只剩下N/2个，这段时间就叫做该元素的半衰期。由于研究放射性的贡献，贝克勒尔和居里夫妇被共同授予1903年的诺贝尔物理奖。

X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明，阴极射线（真空管内金属电极在通电时其阴极发出的射线）是一种粒子流，其质量只有氢离子的千分之一，汤姆逊将其命名电子，它是电荷的最小单位，比原子更小，是一切化学原子的共同组成部分。电子是从阴极内释放出来的，而这种阴极则是由金属原子组成，可见电子是从原子中放出来的。

卢瑟福的原子模型和原子核

在放射性研究中，人们发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，放射性以α、β或γ射线三种方式释放出来，它们后来被更加具体地加以识别，α射线是高速的氦原子核，带正电；β射线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波称为γ射线（实际上是高能量的质子）。

新西兰物理学家卢瑟福发现：在聚集起来的、电中和了的α粒子中显示出氦的黄色光谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，也证明了氦元素起源于其他元素。除了少数例外，一种放射性元素或者发射α射线、或者发射β射线，发射α射线的元素变成周期表中居于前两位的元素，其质量减少4，发射β射线的变成周期表中居于下一位的元素，质量不变。伴随着α或β衰变，常常会放射出γ射线，γ射线贯穿力特别强，是一种能量高的电磁辐射，γ射线不会引起元素在周期表上位置的变化，只是释放该元素原子内部过剩的能量。

放射性的发现说明了原子具有复杂的内部结构，也打破了长期以来人们认为原子是永恒不变的观念，因为天然放射性元素的原子就在不断地以一定规律进行变化。但是，能不能使自然界是稳定的元素原子也发生变化？卢瑟福想到，α粒子是从放射性元素的原子是释放出来的，如果将α粒子当作"炮弹"打进稳定元素的原子去，会有什么结果？

1910年，卢瑟福与其他科学家合作进行了α粒子在金和其他金属薄膜中的散射试验。根据试验的结果，卢瑟福建立了原子的有核模型：原子的正电荷和质量集中在原子中心一个很小的区域内，并把它叫做原子核，原子中的电子像行星绕着太阳那样绕着原子核运动，原子中的空间也像太阳系中的空间一样，绝大部分是空荡荡的。由于原子表现出电中性，原子核一定是带正电的，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，也是最轻的原子核。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，卢瑟福将它命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的半径约为10-14米，大约只有原子半径的万分之一。原子的绝大部分质量集中在如此小的原子核内，因此核内物质的密度极高，它比通常物质的密度大约高出1012倍，1立方厘米的核物质将有约千吨重的量级。

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，但是，这种元素的嬗变暂还没的衫价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。

卢瑟福在实验基础上建立了原子的核模型，提示了原子核这一物质更深层次的存在，他和他直接或间接指导过的许多世界各地的物理学家形成了一个大的学派，一切从实际出发了几十年原子核物理研究和核技术应用的兴旺发达局面。他是原子核物理的开拓者，也是探索原子核奥秘的带头人。

中子的发现

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，如果原子核光由质子和电子组成，它的质量是不够的，因为电子的质量可忽略不计。在此基础上，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--英国物理学家查德威克在卡文迪什实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速方法使质子获得高能，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。

与此同时，德国物理学家博特及其学生贝克尔已经先行一步。他们共同合作用α粒子轰击一系列元素，在对铍元原子核进行轰击实验时，发现有一种未知辐射产生。为了确定这种辐射的一些性质，他们试着把各种物体放在辐射经过的路途上，结果发现这种辐射的贯穿能力极强，能穿透几厘米厚的铅板。当时知道，能有这样强辐射能力的只有γ射线。因此，他们认为这种辐射是γ射线的一种。