原子核的初期模型与质子的发现

原子核的初期模型与质子的发现1914年前后，人们已经知道原子核是所有放射性过程活动的处所，核的种类由原子量A和核电荷数Z来决定，并认为α粒子和核之间的相互作用纯粹是电磁作用。达尔文（Darwin Charles Galton，1887～1962）从已知数据得出结论：“除了反平方力外，正比于距离的其他幂次的力，都不能够给出卢瑟福散射截面依赖于初始速度υ的关系式。”根据α粒子逼近核的最小距离，卢瑟福在1911年已认识到核半径很小：r≤3×10－12厘米。达尔文在1914年已注意到：“氢和氦的［核］半径肯定小于10－13厘米。”氢原子核在那些日子常被称作“H 粒子”，“质子”的名字是以后才有的。

范登布鲁克第一个提出α粒子和电子是原子核的组分。电子对于核质量的贡献十分小，但电子的主要作用是将电荷补偿到正确的数值。并不是所有的原子核都只由α粒子和电子组成，否则核的质量Α就只能近似地是4的倍数，不过H粒子的存在会有助于克服这个困难。1914年2月，卢瑟福认为α粒子可能是有4个H粒子和2个负电子构成。1914年3月19日在一次皇家学会讨论会上，卢瑟福对核结构作了进一步的论述：“一般的证据表明，初级β粒子产生于核的扰动。因此原子核必须被考虑成一个由正粒子和电子组成的非常复杂的结构，但现在讨论原子核本身的可能的结构还为时过早。”对于卢瑟福，以及对于所有那时的物理学家来说，把电子说成是原子核的建筑部件的说法是合乎情理。实际上原子核的H粒子－电子图像这个想法是受简单性的原则支配下的必然想法。

由于原子核内存在H粒子，人们自然会去寻找原子核的“自发的H衰变”。1915年，实验显示了“一个极强烈的可能性，即H粒子是从放射性的原子中发射出来的”。但随即这一可能又消失了，这就是人类在核中寻找亚结构的开始。1914年卢瑟福就已经写道：“氦核是个非常稳定的构造，当它从放射性原子里以高速被逐出时，它在这种强烈的扰动下仍然能够保持不变；氦核可能是组成大多数原子的基本单位之一。”“原子核线度虽然非常小，但它是由正负带电体形成的非常复杂的系统，并由非常强的电力把它们紧紧地束缚在一起。”当时的情况就像1921年卢瑟福给博特伍德（Boltwood Bertram

Borden，1870～1927）的信中所说：“写出这些东西极其容

易，但是要得到实验证据以形成一个正确的决定却是极其困

难。”

1916年，马斯敦观察到过一种奇特现象，当他用α粒

子轰击空气的时候。出现一些粒子具有长得不寻常的射程。

一种可能的解释是，这些粒子是氢核，因为如此长距离的反

冲在用α位于轰击氢时是常常出现的。但卢瑟福却怀疑它是

某种别的极其重要的东西。为此，他主要利用履行公职多余的时间，做了长期而耐心的研究，决心搞清楚这种出射粒子的性质。在1917年11月的一篇论文中卢瑟福自问道，那些粒子到底是氮原子、氦原子、氢原子呢，还是锂原子？

卢瑟福大约花了三年的时间做了每一个可能的对照性实验。他想要使结果绝对地可靠，他使用如图所示的实验装置，并亲自用显微镜观察。图1表示出可充入气体（氮）的一个密封容器，并在D中装有一α粒子源．因为距离DS大于α粒子的射程，人们就可以断定，在荧光屏F上产生闪烁的粒子，是在被α粒子轰击的氮核的蜕变过程中发射的。1919年6月，卢瑟福发表了一篇题为“α粒于与轻原子的碰撞”的论文。论文共分四个部分，第四部分的小标题为“氮图11-4为卢瑟福观察首次核蜕变用的装置

图11-6为布拉凯特在威尔逊云室拍摄到的

照片

的反常效应”中讲道：我们必须推断，在与高速α粒子切近碰撞过程中产生的强力作用下，氮原子蜕变了。释放的氢原子是构成氮核的一个组成部分。这个过程被称为核蜕变。在卡文迪许实验室的布拉凯特拍摄到了威尔逊云室的照片，观察到氮核在云室中的蜕变，证实了卢瑟福结论的正确性（如图2）。布莱克特所用其源含有处于放射平衡状态的P b212+B i212＋P o212，发射8．6厘米和4．8厘米两种射程的α粒子。射程较长的一种α粒子轰击氮核，且核反应方程式为：

N14+2He4＝8O17+1H1

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图中击中氮核后产生横向较长的一条径迹是属于质子（1H1）的，另外一条是氧核（8O27）的。

质子发现以后，人们立即意识到，原来假想的H粒子其实就是质子。接着，有人提出原子核是由质子和电子构成的；那么α粒子呢？α粒子应由4个质子组成，但其中有2个质子各自粘有一个电子，于是α粒子的质量为4，带电量恰好为＋2。卢瑟福开始也有同样的想法，但后来他更前进了一步，他认为，自然界是喜欢简单，与其假设质子粘有一个电子去中和质子的电量，还不如直接假设存在一种不带电而质量与质子质量相同的中性粒子更简单。1920年，卢瑟福去法国讲学时首先提出了“中子”的概念，随后在英国著名的贝克（Becker）讲座中对这一“中子”作了更明确的阐述。但发现中子的任务却留给他的学生查德威克（Chadwick Sir James，1891～1974）了。