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探索比原子更小的世界

来源:石蜡 时间:2022/7/25

编译:二宗主

起原:道理(ID:principle)

对于一名研讨人员而言,倘使也许在对的时候,呈如今对的场合,实行对的研讨,那将是莫大的好运。欧内斯特·卢瑟福(ErnestRutherford)即是这么一位传说的物理学家。

年8月30日,卢瑟福出世于新西兰的尼尔森,在一个有7个儿子和5个女儿的家庭里,他是第4个儿童,也是第2个儿子。卢瑟福在公立黉舍接纳了他的初期训诲。年,他获取大学奖学金,投入新西兰惠灵顿大学。年,他以数学和物理科学双学士学位卒业,卒业以后,他连续在大学里做为研讨人职办事了一小段时候。年,他获取奖学金,得往常去剑桥大学三一学院进修,在约瑟夫·约翰·汤姆森(J.J.Thomson)的指点下,他在卡文迪什试验室从事研讨办事。

就在他抵达英国未几以后,科学界便发表了几个急迫的发觉:X射线、喷射性和电子。那时的卢瑟福相信,天然界中存在着比原子还小的物体。因而,他将研讨核心转向了对喷射性的领会。

卢瑟福的才略很快获取汤姆森的赞赏。在卡文迪什试验室初期,他创造了一种电磁波探测器。经由与汤姆森一同,他们研讨了离子在被X射线处置过的气体中的举动,到了年,他研讨了离子的转移率与电场强度之间的关联,还研讨了一些相干课题,譬如光电效应等。年,他汇报了铀辐掷中存在α和β射线,并指了解它们的一些性质。

同庚,由于加拿大麦吉尔大学的麦克唐纳物理系主任一职空缺,他获患了担当这一职务的机缘。在何处,他取患了几项首创性的成绩,这囊括:

发觉了氡(Rn),

说明了喷射局势不过某些元素的天然嬗变,

阐了解α粒子也许在电场和磁场中产生偏转,

肯定了矿物的年头,盘算出了地球的年齿。

年,牛津大学的化学家弗雷德里克·索迪(FrederickSoddy)到达麦吉尔大学,他与卢瑟福一同配合,配合创建了喷射性的“衰变理论”,他们以为喷射性局势是一种原子历程,而不是分子历程。这一理论获患了大批试验凭证的援手,大批新的喷射性物资接踵被发觉。

在曼彻斯特的日子

年,卢瑟福返回英国,成为曼彻斯特大学的物理教学。在何处,他起头连续跟进麦吉尔大学的试验。他留心到当一束α粒子穿过空气或一层薄薄的云母转瞬,就会变得朦胧,其散射角度大略为2°,这说明存在强度为MV/cm的电场。是以卢瑟福相信,原子内肯定有很强的电场存在。

在曼彻斯特,卢瑟福有了一个副手,汉斯·盖格(HansGeiger)。盖格正确地丈量了这些以小角度从金箔散射的α粒子的数目。年,在卢瑟福的指点下,盖格和一名那时年仅20岁的本科生欧内斯特·马斯登(ErnestMarsden)对一个新课题打开了研讨。卢瑟福让他们经由试验来研讨α粒子能否会从金属块上散射。很快,马斯登便发觉α粒子确实是会散射的,并且哪怕应用的不是金属块,不过一片金箔片,也会呈现到这类局势。这全面出乎他们的预料。

以后,卢瑟福毕竟想通了原子的机关,他提议了“原子核”的观点,他以为在原子的核心,有一个只据有了原子千分之一巨细的核机关。这是他对物理学的最大进献。在他的理论中,原子核根底上构成了全面原子的原料,并且原子的一切正电荷都聚集在核心的一小块空间里。

年尼尔斯·玻尔(NielsBohr)介入了卢瑟福在曼彻斯特的研讨团队,他将卢瑟福的核机关与马克斯·普朗克(MaxPlanck)的量子理论相连系,获患了一个原子机关的理论,在后来获取改革以后,这个理论因袭于今。

在年先后,卢瑟福请求马斯登用α粒子和轻原子(特为是氢原子)来玩“弹珠”玩耍。典范盘算说明,当一个α粒子与一个氢原子核正面碰撞时,会致使氢以1.6倍的速率反冲,其反冲规模是击中它的α粒子的4倍。原料较小、电荷较少的氢的反冲也许经由探测屏幕上较细小的闪烁而被考察到,屏幕地址的地位远弘大于α粒子的传布规模。

马斯登将它考察到的这类长射程的粒子定名为“H”粒子,它们是从氢气和富含氢的材料薄膜(如固体白腊)中形成的。他还留心到,α粒子在空气中活动也也许形成这类长射程的H粒子。但他不了解它们详细是怎样形成的,有人提议或者是气体中的水蒸气、仪器中吸取的水,以至有或者是α粒子源形成的辐射。

到了年中,他们的配合亲近了序幕。在接纳新西兰的一份办事往常,马斯登完全地写下了他在这段时间所做的研讨办事。与此同时,卢瑟福起航前去加拿大和美国实行演讲,在返回到曼彻斯特的三天往常,欧洲打仗了。

原子衰变

年1月,卢瑟福毕竟经由北大西洋的U型潜艇回到了曼彻斯特。那时,曼彻斯特曾经全面变为了另一个寰球,年老人都去交战了。为了协助水师部,卢瑟福将他的研讨转向了另一个题目:如安在水下探测潜水艇。这是那时在交锋中的一个亟待破译的题目,他将定向水听器用在了舰队的船只上。

直到年,卢瑟福才从头回到他底本的科学研讨上,连续研讨α粒子从轻原子散射的题目。他研讨了长射程氢粒子在几种介质中的反冲。他发觉当空气或氮气存在时,这些“反冲”粒子的数目会添加。他判断α粒子投入了氮原子的原子核,释放出一个氢原子核。这标识着一个新的发觉:氢原子核是较大原子核的构成部份。后来,卢瑟福为它们取名为质子。

年,卢瑟福收到了剑桥大学的约请,成为了卡文迪什试验室的物理学教学。由于年的研讨完毕被推延到战后才颁发,是以在年,卢瑟福颁发了四篇对于轻原子的论文。在第四篇文章《氮的反常效应》中,他写道:“咱们肯定得出如许的论断:氮原子衰变了……挣脱束缚的氢原子构成了氮原子核的构成部份。”

年,卢瑟福初次提议要从平静的α离子和H离子中建设原子。他还提议肯定存在有原料但无电荷的粒子(中子),如许才略说明同位素的存在。在威尔逊云室里,他考察到α粒子在其传布规模的止境会呈现分叉的轨迹。一名日本的拜候学者TakeoShimizu制造了一个全主动的威尔逊云室,他还制造了两台相机,以便以互为直角的角度拍照它们的轨迹。在Shimizu返回日本后,帕特里克·布莱克特(PatrickBlackett)接办了这个项目,在经由一些窜改以后,到年时,他曾经拍照了大略23,张相片,显示了约,条轨迹。布莱克特后来写道:“从这些相片从得出的别致完毕是,α被氮原子核拿获,释放出一个氢原子,尔后形成一个新的未知的同位素氧1?O。”

年,卢瑟福因“对元素衰变和喷射性物资化学的研讨”而被付与诺贝尔化学奖。在卡文迪什试验室里,他是最鼓舞民心的头领者,他引领了很多后来成为诺贝尔奖得主的科学家走向属于他们自身的庞大成果:查德威克、布莱克特、科克罗夫特和沃尔顿……再有其余一些曾在卡文迪许与他同事过的诺奖得主:G.P.汤姆森、阿普尔顿、鲍威尔和阿斯顿。

他的合著者C.D.埃利斯曾说:“卡文迪什的大大都试验现实上都是在卢瑟福的直接或直接提议下起头的”。尽管对单个α粒子的探测、对原子核机关的开掘,以及对证子的发觉没有为他迎来第二次诺贝尔奖,但很少见人会去置疑这位物理学大师所做出的庞大进献。在科学研讨中,他延续维持伶俐,直到性命的止境。

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