原子核的发现

现代原子分子理论

宇宙万物的原始构成自古以来就引起了全世界的极大兴趣。根据中国古代的五行学说，万物都是由金、木、水、火、土五种基本元素组成的。古希腊人把气、水、火、土列为世界四大基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特认为，宇宙万物只有一个起源，那就是一个他称之为“原子”的微小粒子。他认为原子是不可分的，没有质的区别，只有大小和形状的区别，并且“原子”和“空”是一切的起源。随着人类文明的进步和现代科学的兴起，古代五(或四)种基本元素的概念并不能说明化学研究是一种新现象。随着受控化学和物理的发展，“原子”这个模糊的概念获得了更清晰、更丰富的含义。

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且不可分割的物质粒子组成的，也就是原子，它们是不可改变的。化合物是由分子组成的，分子是化合物的最小粒子。同一种元素的所有原子都是相同的，但不同元素的原子是不同的。元素的原子只有按整数比例结合才会结合。在化学反应中，原子只是重新排列，而不是产生或消失。接着，意大利物理学家阿沃·伽德罗(Avo Gadereau)提出了分子的概念，他指出，所有体积相等的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都具有相同的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单个原子，而是由多个原子组成的单个分子。虽然同体积的气体原子几天不一样，但分子数是一样的。但在接下来的半个世纪里，人们并没有关注到Avon Gadereau的理论，化学家们根据不同的标准测量不同的相对原子量。1858年，意大利化学家坎尼扎罗提出，只有接受阿伏伽德洛定律，才能真正解决化学式和原子量的问题。他的观点得到了人们的认可，现代原子分子理论得以建立。然后，人们发现了大量的元素，并确定了它们精确的原子量。到1869年，俄罗斯化学家门捷列夫提出元素的性质和元素的原子量之间存在周期变化，并给出了第一张元素周期表，于1871年出版。他还出版了第二次修订的元素周期表。

放射性和电子的发现

19世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝克雷尔(Bekkerel)在研究荧光物质是否与X射线有关时，意外发现铀可以被包在黑纸中的底片敏化。经过进一步研究，他得出结论，这是铀原子本身发出的新射线，铀具有放射性。放射性的发现开辟了一个巨大的新的研究领域，不仅改变了原有的原子概念，也开启了人们对原子核的认识。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，引入了半衰期的概念:每种放射性元素的原子都有一定的概率发生特定的衰变，经过一段时间后，因为衰变将只剩下N/2种元素，称为元素的半衰期。贝克雷尔和居里因对放射性研究的贡献而被授予1903诺贝尔物理学奖。

X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，还促进了电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明阴极射线(真空管中金属电极的阴极通电时发出的射线)是粒子流，其质量只有氢离子的千分之一。汤姆逊将其命名为电子，电子是电荷的最小单位，比原子还小，是所有化学原子的同一成分。电子从由金属原子组成的阴极释放出来。可以看出，电子是从原子中释放出来的。

卢瑟福的原子模型和原子核

在对放射性的研究中发现，放射性物质发出的辐射其实是属于不同种类的，放射性的释放有三种方式:α、β或γ射线，后面会更具体地加以识别。α射线是带正电荷的高速氦核；β射线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波被称为伽马射线(实际上是高能质子)。

新西兰物理学家卢瑟福发现在聚集和中和的α粒子中显示出氦的黄色谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，证明氦来源于其他元素。除了少数例外，放射性元素发射α射线或β射线。发出α射线的元素成为周期表中的前两个元素，质量减少4，而发出β射线的元素成为周期表中的下一个元素，质量不变。随着α或β的衰变，经常会发出γ射线，这是一种能量很高的电磁辐射。γ射线不会改变元素在元素周期表中的位置，只会释放元素原子内部多余的能量。

放射性的发现表明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是按照一定规律不断变化的。然而，我们能改变自然界中稳定的元素的原子吗？卢瑟福认为α粒子是从放射性元素的原子中释放出来的。如果用α粒子做“壳”去撞击稳定元素的原子会怎么样？

1910年，卢瑟福与其他科学家合作，开展了α粒子在金和其他金属薄膜中的散射实验。根据实验结果，卢瑟福建立了原子的成核模型:原子的正电荷和质量集中在原子中心的一小块区域，称为原子核；原子中的电子像行星围绕太阳一样围绕原子核运动；原子中的空间，就像太阳系中的空间一样，大部分是空的。因为原子是电中性的，所以原子核必然带正电，其电荷与原子核外的电子相同。

1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢。结果氢原子的电子被敲出，变成了带正电荷的阳离子，这其实是氢的原子核，也是最轻的原子核。卢瑟福推测是以前人们发现的阳极射线，它有一个电荷单位和一个质量单位。卢瑟福将其命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的半径约为10-14m，大约只有原子半径的万分之一。原子的大部分质量都集中在这么小的原子核内，所以原子核内的物质密度极高，大约是普通物质的1012倍，1立方厘米的核物质会有一千吨左右的重量。

1919年，卢瑟福用加速的高能α粒子轰击氮原子，发现氮原子核被撞出质子，氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正把一种元素变成另一种元素，但这种元素的进化暂时没有价值，因为几十万个粒子中只有一个被高能粒子击中过。到1924年，卢瑟福已经把许多轻元素的原子核中的质子敲出来了，进一步证实了质子的存在。

卢瑟福在实验的基础上建立了原子的核模型，表明了核物质更深层的存在。他和他直接或间接指导的世界各地许多物理学家组成了一个大学派，几十年来一切从实际出发，核物理研究和核技术应用蓬勃发展。他是核物理的先驱，是探索核奥秘的领导者。

中子的发现

电子和质子发现后，人们最初推测原子核是由电子和质子组成的，因为α粒子和β粒子都是从原子核中发射出来的。但卢瑟福的学生莫泽尔注意到，原子核的正电荷数等于原子序数，但原子量大于原子序数。这说明，如果原子核光是由质子和电子组成的，那么它的质量是不够的，因为电子的质量可以忽略不计。在此基础上，卢瑟福早在1920年就推测可能存在电中性粒子。

英国物理学家卢瑟福的另一个学生查德威克正在卡文迪许的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，让质子获得高能量，从而撞击原子核，寻找关于中性粒子的证据。1929年，他准备轰击铍原子。

与此同时，德国物理学家伯特和他的学生贝克尔已经领先一步。他们与α粒子合作轰击一系列元素，在轰击铍原子核时发现了一种未知的辐射。为了确定这种辐射的一些特性，他们试图在辐射通过的路径上放置各种物体。结果他们发现这种辐射有很强的穿透能力，可以穿透几厘米厚的铅板。当时就知道只有伽马射线才能有这么强的辐射能力。因此，他们认为这种辐射是伽马射线的一种。

1931年，法国物理学家居里夫妇用当时最强的放射性钋源产生的α射线重复了伯特-贝克尔的实验，研究了α粒子轰击铍时的“铍辐射”。除了与Bert-Becker相同的结果外，他们还惊讶地发现，这种辐射可以敲出含氢物质中的质子。人们从未发现伽马射线有这种性质，但居里夫妇想不出这种辐射还能是什么。他们只报道说他们发现α射线可以产生一种新的效应。

这些结果在1932发表后，看到德国和法国同事的实验结果，查德威克意识到，这种新射线可能就是他寻找多年的中子。他立即在实验室的优越条件下重复了同样的实验，证明了所谓的“铍辐射”是一种电中性粒子流，这种粒子与质子的质量几乎相同。不到一个月后，查德威克发表了论文《中子可能存在》。他指出，伽马射线没有质量，不可能把质子从原子核中敲出来。只有那些与质子质量大致相当的粒子才有这种可能性。他还测量了中子的质量，并证实中子确实是电中性的。

电子的发现

随着上个世纪加速器技术的不断进步，“基本”粒子如暴雨般倾泻而下，然后被理论和实验证明是“非基本”并被一一淘汰。其中，有一种不同，它是人们所知的第一个亚原子粒子，但自从被发现以来，它就一直坐在“基本粒子”的宝座上，100多年来没有动摇过。这个基本粒子家族中最高的是电子。

虽然电子的发现是在1897年，但是为了这个发现，准备了将近一个世纪。在1811中，阿伏伽德罗提出了阿伏伽德罗假说:温度、压力、体积相同的气体含有相同数量的分子。这个人很惨。他死于1956年，但他的假说直到1960年才被普遍接受，取而代之的是“法”。在科学史上，这种死后复生的例子数不胜数。同样，数学天才伽罗瓦20岁尝尽人间苦难，死于决斗。他的成就在他死后14年才发表。波动光学的发明者惠更斯生前受到牛顿的压制，他的成就直到他死后四十年才被认可...有兴趣可以谷歌一下。

1833年，阿伦尼乌斯定律还是个假设的时候，法拉第提出了电解定律，说1摩尔中任何原子的一价离子带的总电是一样的。如果把这个结果和阿伦尼乌斯假设结合起来，就可以推断出一定存在一个最小电荷单位。但是还没有人敢做这样的组合——都是因为“假设”这个词。直到1874，阿伦尼乌斯定律被平反，柊司才迈出这一步，并结合实验结果，推导出基本电荷电量的近似值，在1881中正式命名为“电子”。

看，电子的名字在那里，但人们甚至还没有看到它的影子。也许你不会相信。19年底，人们对原子是否存在还有相当程度的争议。所以人们对物质基本结构的概念基本是空白的，也没有期待电子的发现会在什么场合，在什么现象中，和原子有什么样的关系。

虽然普遍认为电子是汤慕孙在1897年发现的，但实际上在他之前不止一个人做过类似的实验。我们来看看有什么不同的是，唐慕孙最终获得了这个荣誉。

这些人做的实验都是关于阴极射线的。所以在讲发现电子的实验之前，我们需要先看看什么是阴极射线。阴极射线，顾名思义，就是阴极发出的射线。我们现在知道它实际上是一束电子束。阴极射线是怎么产生的？高中学过物理的同学都知道光电效应和光电流的产生，即电子离开金属表面，需要光子提供一个溢出功。当然，这种溢出功不仅仅是光子提供的，任何来源的能量都是一样的。因此，我们可以加热金属，使其温度变得很高。高温相当于粒子热运动的加剧，电子热运动的动能在足够大的时候也能从金属表面溢出。这时，我们用这种金属作为阴极(负极)，并在一定距离处设置一个正极，使从金属表面溢出的电子在电场的作用下向阳极移动，形成电子束，即阴极射线。

在唐慕孙的实验之前，克鲁克斯已经提出阴极射线是由带负电的粒子组成的，所以唐慕孙可以在这个观点的指导下直接测量这种粒子的电荷和质量，而不用担心阴极射线的性质。这其实是一个重点，下面我会提到。

唐慕孙实验的原理其实很简单。电子在垂直于其运动方向的电场中会发生偏转，实验中阴极射线打在对面屏幕上的点会发生偏离。可以通过阴极射线的偏移方向来判断阴极射线带负电。再加上与电场方向相反的磁场，电子受到的洛伦兹力与电场力方向相反，也就是说当光斑偏移量为零时，两个力相等。从这两个力的比值，可以得到电子的荷质比。在这些数据的基础上，汤慕孙宣布了电子的存在。

做类似实验的两个人之一是著名的赫兹。麦克斯韦的电磁理论在他生前没有得到认可(哦，这又是一个死后康复的例子，被人遗忘了)，直到他死后八年才被赫兹的电磁波实验证实。麦克斯韦方程组很伟大，证明它的实验同样伟大，赫兹有幸发现了光电效应。但是很遗憾，上帝没有再给他一个荣誉。科研有所谓的“嗅觉”，大意就是你能不能找准方向。爱因斯坦和杨振宁都非常提倡这一点。但我不知道这种所谓的“嗅觉”是不是某种意义上的科学史上成王败寇的运气居多。毕竟爱因斯坦的“嗅觉”在他的晚年并没有起到很好的作用(后面我会详细阐述统一场论)。

赫兹的实验在原理上和唐慕孙的一样，都是在阴极射线的垂直方向施加电场，比唐慕孙早了好几年。本来是要打头阵的，结果却打错了。好吧，原因不可开脱，分为主观和客观。客观上有一个致命的原因，就是赫兹做实验的时候真空技术不够暖，残留的空气分子被电离，抵消了外部的静电场。结果阴极射线的荧光轨迹似乎根本没有偏转，所以赫兹认为阴极射线是不带电的。主观原因在于赫兹最著名的成就——电磁波。赫兹坚持认为阴极射线是一种电磁波，这个未偏转的实验进一步证实了他的观点，因此他的余生都保持着这个观点。赫兹的“嗅觉”对此有问题。唐慕孙从一开始就倾向于认为阴极射线是由粒子组成的，这在一定程度上导致了他最终的成功。

与赫兹相比，德国的考夫曼更倒霉。他也在1897做过类似的实验。但他测得的电子荷质比远比唐慕孙的精确，与现代值只差百分之一。他甚至得到了这个比例随着电子速度的变化而变化的结果。这无非是爱因斯坦的狭义相对论效应，而且还是在狭义相对论诞生的八年前！考夫曼本该因为这个实验而扬名立万，但他因为对阴极射线不可能是粒子的偏见，不敢发表自己的成果，直到1901年才发表。这样就可以看出，汤慕孙从一开始就相信阴极射线是由粒子组成的，这是多么重要。

关于电子发现的历史，我们暂且就此打住。最后，关于电子的一些更现代的事实。电子最早被发现，是最适合研究的基本粒子。看一下上一章列出的所有基本粒子。电子的寿命比其他轻子长得多(“duo”这个词太苍白了，就像属于轻子的μ子寿命是10的负6秒，电子根本不衰变)，而且它们比中微子更容易与其他粒子相互作用(一个中微子可以轻松穿过1000光年厚的铅板)，相比夸克等其他(由于)但是到目前为止，还没有发现电子有任何内部结构，它们虽然近年来实验观察到，由于真空极化机制(后面会讲到)，电子周围存在虚粒子“气体”，但显然这不能视为电子本身的结构。

另外，我们认为电子的电量与质子的电量相等，但这完全是基于实验结果的一种假设(目前精确到10的负21次方)，并没有更深层次的理论来推导这一点。

最后，由于相对论效应，电子的质量随着运动速度的增加而增加，但电子的电荷是严格不变的，原理仍然未知。