α射线的研究和原子核的发现.doc

备课资料/物理学史与技术发展史卢瑟福专攻射线 散射导出原子核 射线的研究和原子核的发现 在探索原子奥秘的征途中，发现电子是一大胜利，发现原子核又是一大胜利，它们都是物理学发展中的里程碑。只有在发现了电子和原子核之后，才有可能建立正确的原子理论，对光谱作出合理的解释。 原子核的存在是卢瑟福在多年研究射线的基础上，经过周密分析和计算后作出的理论判断。 卢瑟福原是新西兰人。1895年到英国剑桥大学卡文迪什实验室当研究生。他的导师就是电子的发现者JJ汤姆生。他和汤姆生一起，研究X射线对空气的游离作用。贝克勒尔发现铀辐射的消息促使他转向铀辐射。1898年，为了比较X射线和铀辐射在穿透本领上的差别，他用铝片挡在铀辐射的前面，观测经铝片吸收后的辐射强度。就在这个实验中，卢瑟福发现铀辐射有两种不同的成分，它们的穿透本领相差悬殊。他把容易吸收的成分叫做射线，穿透本领强的叫做射线。 不久，贝克勒尔证明了射线带负电，在磁场中会偏转，后来又确定了射线就是高速电子流，和阴极射线没有本质区别。1900年，法国物理学家维拉德发现，在铀辐射中还有一种成分，比射线穿透本领强得多，但不受磁场偏转。他把这种成分叫做射线。后来他也搞清楚了，射线是比X射线频率更高的一种电磁辐射。、射线都可从铀辐射中得到，但它们的本质却很不相同，现在人们都知道，这三种射线在磁场中的行为是截然不同的（图1）。这三种射线中最复杂的是射线，因为当时人们并不知道射线在磁场中会偏转。卢瑟福知难而进，以大量实验确定了射线的本质。对于卢瑟福来说，他要研究的是射线与物质的相互作用，他意识到射线有重要价值，因为它比其他射线更易于吸收。在发现这些射线之后，他就集中精力弄清射线的性质和来源。为此，他做了大量实验，其中关键的有两个： 图1 、射线在磁场中的行为（1）电磁偏转实验。其装置如图2所示。放射性物质镭搁在容器的底部，射线由下而上，经过平行隔板，穿过铝箔进入金箔验电器，造成空气电离，使金箔验电器原来的偏转减小，偏转减小的程度代表了辐射的强度。与此同时，氢气由上而下，穿过铝箔和隔板，以驱赶镭释放的放射性气体（氡）。 图2 卢瑟福的射线电磁偏转实验 然后，他在平行隔板区域内垂直纸面加一磁场，果然发现电离减小了，说明射线在磁场中也有偏转。为了判定射线所带电荷的正负，他在隔板上加了一排小钢条C把通道挡去一半，同时改变磁场的方向，直到找到射线不能通过的条件。从这个实验，卢瑟福判定射线带的是正电荷，和阴极射线不同，射线是由带正电荷的粒子组成的。 卢瑟福进一步又在隔板间加电压，使射线在电场的作用下通过隔板，求出不能通过隔板的条件。根据电场和磁场的截止值，求出了射线的速度与荷质比。 （2）光谱实验。从上面测得的荷质比，初步得知粒子与原子相近。还有迹象表明，粒子可能就是带电的氦原子。但科学论断不能凭猜想，必须有真凭实据。卢瑟福想到用光谱方法，并设计了一个巧妙的实验。实验装置如图3。图中A是射线管，是由极薄（仅0.01毫米厚）的玻璃做成，内封有放射性气体氧，发出的粒子可以穿过薄玻璃壁，进入外层玻璃管T，被收集在管内，以气体形态储存起来。大约过了两天，粒子收集足够以后，将水银提升，把它们压缩到放电管中。结果，从放电得到的光谱显示氦的黄线，证明粒子果真是氦原子。就这样，卢瑟福彻底查清了射线的底细，为阐明放射性规律和利用射线探测物质奥秘做好了必要的准备。 图3 卢瑟福的射线光谱实验 然而卢瑟福并没有到此止步，他和他的合作者继续探讨射线与物质的相互作用。就在用射线打击金原子时，他们作出了原子物理实验中最重要的一项发现原子核的发现。 对于卢瑟福来说，他的目标是要用射线轰击各种物质，以了解射线和物质的相互作用。这就好比为了探测气象，向高空放出气球；为了了解化学物品的成分和属性，加上几滴试剂一样。所以他研究射线的目标是明确的，但是他从来没有想到这项工作会导致原子核的发现。他一直相信的是JJ汤姆生的实心正电球模型也叫葡萄干蛋糕模型。JJ汤姆生假设，正电荷是均匀分布在整个原子中的。图4是卢瑟福和助手盖革（HGeiger）进行粒子散射的实验设备。这是一根长约2米的玻璃管，拍成真空，放射源R置于一端，粒子打到金箔S后散射到荧光屏Z上。荧光屏每接到一个粒子，就会发出一次闪烁，观察者用肉眼经显微镜 图4 用闪烁法观测散射M读取闪烁数。然后，沿支架PP移动显微镜读取不同位置的闪烁。根据实验统计结果绘成如图5所示的曲线。从曲线的坐标可以看出，即使经过两片金箔的散射，打到荧光屏的位置所离开中心的距离最大也不过是10毫米，计算下来，偏角不超过l。 为了比较金箔与铝箔对粒子的散射作用，盖革和学生马斯登（EMarsden）继续进行散射实验。然而，实验的进行并不如人意，得不到尖锐的射线束，计数很难精确，重复性甚差。于是他们把“枪管加长到4米，以为管子长了，准直性可以改善。实际上仍然很糟。他 图5 盖革的散射曲线们那里知道，一种意想不到的现象大角度散射正在干扰他们的实验，有些粒子经器壁反射也会使荧光屏发出闪光。 盖革和马斯登正在束手无策之际，卢瑟福到实验室巡视来了。对于他们的困境，卢瑟福沉思片刻，向他们建议说：“你们是不是试试让粒子从金属表面直接反射，看看有什么效果。”于是，年轻的学生马斯登就在盖革的帮助下，用最简易的装置（图6）做了一个实验。图中AB是源，铅板P当屏蔽，粒子不会直接打到荧光屏S上，当他们把金属片RR放在距管口1厘米远处时，荧光屏上竟立即出现了闪烁。马斯登大惊，他立即报告卢瑟福。这个结果是如此的出乎意料，以至于卢瑟福在许多年后回忆说：这就像大炮打到香烟纸上，又被反弹回来一样的不可思议。 为了证实这一反常现象，他们将实验做了一番改进。如图7所示，用放射性更强的镭作源A。粒子从A发出，投向铂反射片R（R面积约为1平方厘米），用显微镜在荧光屏S的不同位置上进行观测，统计闪烁的总数。粒子的发射总数可从放射源的剂量估算。经过比较，结论是：入射的粒子每8 000个有一个要反射回来。从汤姆生的正电球原子模型出发，也可对大角度散射进行解释，不过估算的 图6 盖革和马斯登用一金属板 图7 盖革和马斯登的改进装置 反射观测到粒子的大角度散射几率不大于1l03 500，这是一个极其微小的数字，而实际所得却为