百元纽币藏大咖!农民之子卢瑟福,如何一路改写原子认知?

嘉慧浏览趣事 2025-01-22 00:07:37

你手上这张纸币,是新西兰元,面值高达100新西兰元。你能猜到上面印着谁吗?居然是一位赫赫有名的物理学家——卢瑟福。

想当年,汤姆森发现电子后声名远扬,年仅28岁就出任剑桥大学卡文迪许实验室主任,引得不少学子慕名而来,卢瑟福便是其中之一。

卢瑟福出身新西兰的农民家庭,质朴憨厚,据说收到剑桥大学录取通知书时,他还在地里刨土豆呢,当时就感慨:“这是我这辈子挖的最后一个土豆了。”随后,他借来路费,漂洋过海奔赴剑桥,师从汤姆森。

1898年,仅仅三年后,卢瑟福就被借调到加拿大的麦克吉尔大学担任教授。到了那儿,他盯上的首个研究课题便是放射性。

早在前些年,贝克勒尔与居里夫妇就发现了天然放射性,也就是含铀的岩石会自发地释放放射线。卢瑟福琢磨的是,这些射线到底是什么呢?

经过反复实验,他发现铀盐放出的射线并非单一的一束,在磁场作用下,射线竟往两个方向偏转,这意味着存在两束电性不同的射线,一正一负。于是,他把带正电的那束命名为阿尔法射线,带负电的则叫贝塔射线。

实际上,还有一束射线不带电,径直往前跑,当时卢瑟福没留意到,是法国物理学家维拉尔发现并顺势命名为伽马射线。如今我们都清楚,伽马射线属于高能电磁波。

经过测算,人们发现贝塔射线就是汤姆森发现的电子,只不过天然放射出的这束电子速度极快、穿透性超强,属于高能电子束。

可为啥这放射出来的电子能量如此之高?阿尔法射线又是什么呢?当时人们只知道原子整体不带电,电子带负电,这俩问题在卢瑟福心里,成了难解之谜。

贝塔射线

不过到了1902年,卢瑟福搞清楚了阿尔法粒子的来历,知晓它是某些元素的原子自发衰变时放射出来的,还提出了放射性半衰期的概念。

像铀、居里夫妇发现的镭等元素,衰变过程中会放出阿尔法粒子,进而转变为其他元素。这在当时可是重磅消息,元素之间居然还能相互转化,虽说离“点石成金”还远着呢,毕竟只有特定的放射性元素才会发生衰变,但也足够让人兴奋不已。

又过了几年,卢瑟福把阿尔法射线单独引入一根管子里研究,结果让他大为震惊,这管阿尔法粒子竟然是氦气!

反复实验多次,结果都一样,卢瑟福只能得出结论:阿尔法粒子就是带正电的氦原子。

实际上,现在我们知道,阿尔法粒子是氦原子核,也就是缺失了电子的氦原子,所以才带正电,只是当时卢瑟福还没提出原子核的概念。1907年,他公布了这一成果,诺贝尔奖委员会动作很快,1908年就把奖颁给了他,不过颁的是化学奖。

卢瑟福更为重大的发现还在后头。那时,他已经回到英国,在曼彻斯特大学任教。他对阿尔法粒子青睐有加,毕竟这是天然放射出来的,无需实验制备,经济又实惠。

他灵机一动,想用阿尔法粒子去轰击别的原子,看看会发生什么。当时,汤姆森发现电子后,提出了一种原子模型,叫西瓜模型,也叫枣糕模型,电子如同西瓜子般镶嵌其中,电子带负电,其余部分带正电,整体原子呈电中性。

阿尔法粒子速度极快,每秒将近200万米,按常理,轰击金箔肯定能直接穿过去。

一开始,也确实如此,阿尔法粒子顺利穿过金箔,打到后面的接收屏上。可有一天,卢瑟福突发奇想,把接收屏往前挪,想看看能不能接到散射的阿尔法粒子。

这一看可不得了,居然真有阿尔法粒子被反弹回来了!用卢瑟福自己的话说,这就好比用15英寸的炮弹打在一张纸上,炮弹还被弹回来了,太不可思议!

冷静下来后,他意识到,阿尔法粒子能反弹,说明原子内部肯定有极为坚硬的东西,也就是原子核。

紧接着,他们依据实验数据计算阿尔法粒子的散射截面,发现原子内部大部分是空的,中间有个硬核,但还不确定电子的位置,有可能在硬核里,也可能绕着硬核运动。

1911年,卢瑟福向全世界公布了自己的行星原子模型。但这一模型起初并未受到广泛认可,大家觉得汤姆森的枣糕模型就够用了。

同年召开的第一届索尔维会议上,物理学家们讨论原子结构时,用的依旧是枣糕模型。后来,卢瑟福通过实验发现,不管用阿尔法粒子轰击钠、金这些金属原子,还是磷这类非金属元素,都会有一种带正电、质量与氢原子相同的粒子被轰击出来。

卢瑟福明白了,这东西想必是所有原子核都含有的。于是,他给这个带正电的原子起名为质子,并在1920年再次公布成果。

至此人们才明白,原子内部大部分是空的,中间有个坚硬的原子核,外围环绕着带负电的电子,原子核由带正电的质子组成。

卢瑟福还预测,原子核里可能还存在一种中性粒子,这便是中子概念的萌芽。

23年前,汤姆森发现电子;23年后,他的学生卢瑟福再次拓展人类认知边界,发现了质子。

那么,下一个基本粒子又会是什么呢?



文本来源@返朴的视频内容

0 阅读:0
嘉慧浏览趣事

嘉慧浏览趣事

感谢大家的关注