物理學(xué)史--原子原子核物理的發(fā)展

1、“原子原子”一詞來(lái)自希臘文，含義是一詞來(lái)自希臘文，含義是“不可不可分割的分割的”。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特德謨克利特( (Democritus)Democritus)提出了這一概念，提出了這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。 1717世紀(jì)，通過(guò)卡文迪許和拉瓦錫等許多化學(xué)世紀(jì)，通過(guò)卡文迪許和拉瓦錫等許多化學(xué)家的工作，發(fā)現(xiàn)了水可分解為氧和氫兩種元素；家的工作，發(fā)現(xiàn)了水可分解為氧和氫兩種元素；空氣是由氧、氫和氮等元素混合而成的，燃燒空氣是由氧、氫和氮等元素混合而成的，燃燒只不過(guò)是元素和氧起激烈反應(yīng)等等。隨著幾十只不過(guò)是元素和氧起激烈反應(yīng)

2、等等。隨著幾十種元素的發(fā)現(xiàn)，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了新的種元素的發(fā)現(xiàn)，英國(guó)化學(xué)家道爾頓提出了新的原子學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為物質(zhì)是由許多種類(lèi)不同的元原子學(xué)說(shuō)。他認(rèn)為物質(zhì)是由許多種類(lèi)不同的元素所組成，元素又由非常微小的，素所組成，元素又由非常微小的，不可再分的、不可再分的、不能毀滅又不能創(chuàng)生的原子不能毀滅又不能創(chuàng)生的原子所組成所組成。 1807 1807年，英國(guó)科學(xué)家年，英國(guó)科學(xué)家約約翰翰 道爾頓道爾頓( (John Dalton)John Dalton)提出原子論。他認(rèn)為原子類(lèi)提出原子論。他認(rèn)為原子類(lèi)似于剛性的小球，它們是物似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。

3、不可分割的。 道爾頓用他的學(xué)說(shuō)說(shuō)明了化學(xué)中道爾頓用他的學(xué)說(shuō)說(shuō)明了化學(xué)中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說(shuō)是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用說(shuō)是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用來(lái)研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古來(lái)研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說(shuō)更進(jìn)一步。代原子說(shuō)更進(jìn)一步。 1858年“陰極射線”被發(fā)現(xiàn)，它是由什么組成的，一直眾說(shuō)紛紜，并引起了一場(chǎng)英、法、德科學(xué)家的大爭(zhēng)論.由德國(guó)一些物理學(xué)家組成的論戰(zhàn)一方主張，陰極射線是以太的特殊振動(dòng)；由英國(guó)、法國(guó)一些物理學(xué)家組成的論戰(zhàn)另一方認(rèn)為，陰極射線是帶負(fù)電的粒子流.問(wèn)題一直得不到公認(rèn).本來(lái)，克魯克斯在1879年的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)就足以證明粒子論者的

4、觀點(diǎn)是正確的，但由于當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)為原子不可再分，因而不能解釋勒納德在1893年將“陰極射線”引出陰極管外的現(xiàn)象，致使論戰(zhàn)截至倫琴射線發(fā)現(xiàn)時(shí)還未結(jié)束.到1897年，湯姆生走上了科學(xué)實(shí)驗(yàn)的舞臺(tái)，他用不同的方法測(cè)定了陰極射線粒子的荷質(zhì)比，證明它們是一種更基本的粒子，導(dǎo)致了電子的發(fā)現(xiàn)，以致真相大白. 早在1881年，亥姆霍茲在倫敦發(fā)表“法拉第講演”時(shí)，“電原子”概念就開(kāi)始進(jìn)入了法拉第的電解定律.利用這個(gè)定律來(lái)測(cè)量離子的荷質(zhì)比變得方便起來(lái)了.人們特別感興趣的是法拉第常數(shù)F，因?yàn)樗硎玖擞枚嗌匐娏縼?lái)析出1克當(dāng)量元素. 對(duì)于一價(jià)氫離子，這正好是它的荷質(zhì)比.我們現(xiàn)在知道，F(xiàn)=9649.4庫(kù)克當(dāng)量.對(duì)于氫元素，1

5、克當(dāng)量等于1，而它的質(zhì)量為NM，它的正離子所帶電量為Ne，N表示洛喜米德常數(shù).1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測(cè)量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實(shí)了這個(gè)比值是唯一的。許多科學(xué)家為測(cè)量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國(guó)科學(xué)家密立根于1917年用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測(cè)量，他作了上百次測(cè)量，一個(gè)油滴要盯住幾個(gè)小時(shí)，可見(jiàn)其艱苦的程度。密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)，精確地測(cè)定基本電荷量e的過(guò)程. 19 19世紀(jì)后半期，分子運(yùn)動(dòng)論有了進(jìn)一步發(fā)展，人們逐步建世紀(jì)后半期，分子運(yùn)動(dòng)論有了進(jìn)一步發(fā)展，

6、人們逐步建立起近代的原子分子學(xué)說(shuō)。但是原子分子是否存在，一直沒(méi)立起近代的原子分子學(xué)說(shuō)。但是原子分子是否存在，一直沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。有用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。 1897 1897年年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并證明了，并證明了電子是各種元素的基電子是各種元素的基本組成部分本組成部分。19031903年年盧瑟福盧瑟福和化學(xué)家和化學(xué)家索迪索迪合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)合作，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了一種物質(zhì)可以變成另一種物質(zhì)，提出了了一種物質(zhì)可以變成另一種物質(zhì)，提出了原子自然衰變?cè)幼匀凰プ兊睦碚?。的理論。這些事實(shí)這些事實(shí)打破了道爾頓以來(lái)人們認(rèn)為原子不可再分割打破了道爾頓以來(lái)人們認(rèn)為原子不可再分割的觀念。的觀念。 1905

7、1905年，年，愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦用分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)從理論上解釋布朗用分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)從理論上解釋布朗運(yùn)動(dòng)獲得成功，他還提出了運(yùn)動(dòng)獲得成功，他還提出了測(cè)定分子大小的新方法測(cè)定分子大小的新方法。 1908 1908年，法國(guó)物理學(xué)家年，法國(guó)物理學(xué)家佩林佩林按愛(ài)因斯坦的方法，用實(shí)驗(yàn)測(cè)按愛(ài)因斯坦的方法，用實(shí)驗(yàn)測(cè)定了分子的大小，結(jié)果跟愛(ài)因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)定了分子的大小，結(jié)果跟愛(ài)因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)界界確認(rèn)了現(xiàn)代分子原子學(xué)說(shuō)確認(rèn)了現(xiàn)代分子原子學(xué)說(shuō)。盧瑟福手跡盧瑟福手跡湯姆生用如圖所示的裝置（湯姆生用如圖所示的裝置（陰極射線管陰極射線管）發(fā)現(xiàn)了電子電子由陰極）發(fā)現(xiàn)了電子電子由陰極C射出，射出

8、，在在CA間電場(chǎng)加速，間電場(chǎng)加速，A上有一小孔，所以只有一細(xì)束的電子可以通過(guò)上有一小孔，所以只有一細(xì)束的電子可以通過(guò)P與與P兩平行板間的區(qū)域，電子通過(guò)這兩極板區(qū)域后打到管的末端，使末端兩平行板間的區(qū)域，電子通過(guò)這兩極板區(qū)域后打到管的末端，使末端S處處的熒光屏發(fā)光（熒光屏可以近似看成平面）水平放置的平行板相距為的熒光屏發(fā)光（熒光屏可以近似看成平面）水平放置的平行板相距為d，長(zhǎng)度為長(zhǎng)度為L(zhǎng)，它的右端與熒光屏的距離為，它的右端與熒光屏的距離為D當(dāng)平行板間不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，當(dāng)平行板間不加電場(chǎng)和磁場(chǎng)時(shí)，電子水平打到熒光屏的電子水平打到熒光屏的O點(diǎn)；當(dāng)兩平行板間電壓為點(diǎn)；當(dāng)兩平行板間電壓為U時(shí)，在熒光屏上

9、時(shí)，在熒光屏上S點(diǎn)出點(diǎn)出現(xiàn)一亮點(diǎn)，測(cè)出現(xiàn)一亮點(diǎn)，測(cè)出OS=H；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B垂直紙面向里的垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的勻強(qiáng)磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的O點(diǎn)點(diǎn) 1909年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福(E. Rutherford) 在他的學(xué)生蓋革(H. Geiger)和馬斯登(E. Marsden)的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn) 粒子轟擊原子時(shí)，大約每八千個(gè) 粒子中有一個(gè)被反射回來(lái)。湯姆遜模型無(wú)法對(duì)該實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解釋。盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果于1911年提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”(也被稱(chēng)為“盧瑟福行星模型”)E. Rutherford，1908年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

10、得主，外號(hào)：鱷魚(yú)。原子核原子核電子電子盧瑟福原子盧瑟福原子模型模型盧瑟福的盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)模型核式結(jié)構(gòu)模型” 可可以以解釋解釋 粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此比因此比湯姆遜模型更符合實(shí)際湯姆遜模型更符合實(shí)際情況。情況。盧瑟福的盧瑟福的“行星模型行星模型”的雖然可以解的雖然可以解釋釋 粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但該模型卻粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但該模型卻無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性無(wú)法解釋原子的穩(wěn)定性無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律。無(wú)法解釋氫原子光譜的規(guī)律。 為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生為了解釋上述問(wèn)題，盧瑟福的一個(gè)學(xué)生丹麥物理學(xué)家丹麥物理學(xué)家尼爾斯尼爾斯 玻爾玻爾( (Niles Bohr)Niles

11、Bohr)在盧瑟福的在盧瑟福的“行星模型行星模型”的基礎(chǔ)的基礎(chǔ)之上于之上于19131913年提出了年提出了原子的量子理論原子的量子理論，即，即“玻爾模型玻爾模型”。e+e玻爾的原子模型玻爾的原子模型(Bohrs Atom)尼爾斯尼爾斯 玻爾玻爾(Niles Bohr)，丹麥人，二十世紀(jì)世丹麥人，二十世紀(jì)世界最偉大的物理學(xué)家之一，量子理論的主要奠基界最偉大的物理學(xué)家之一，量子理論的主要奠基人。人。1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。 玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并

12、且他將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化的，從而引入了主量子還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化的，從而引入了主量子數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。數(shù)、角量子數(shù)和磁量子數(shù)的概念。19201920年索末菲又引入了第年索末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到這第四個(gè)量子數(shù)直到19251925年才被科學(xué)家弄清楚，年才被科學(xué)家弄清楚，原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。原來(lái)是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。 19251925年泡利年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原

13、子內(nèi)，時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)量子數(shù)(n, l, ml, ms)。利用玻爾、索末菲理論加上泡利不相容原理可。利用玻爾、索末菲理論加上泡利不相容原理可以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)完全建立了起來(lái)。起來(lái)。 19411941年底年底，在物理學(xué)家康普頓，在物理學(xué)家康普頓( (Arthur Compton)Arthur Compton)的組織協(xié)調(diào)下，費(fèi)米主持了的組織協(xié)調(diào)下，費(fèi)米主持了原子反應(yīng)堆的建造和實(shí)驗(yàn)

14、原子反應(yīng)堆的建造和實(shí)驗(yàn)。 康 普 頓 ( A r t h u r Compton, 1892-1962)，美國(guó)著名物理學(xué)家，因?qū)灯疹D效應(yīng)的研究而被授予1927年諾貝爾物理獎(jiǎng)。羅伯特安德魯密立根(Robert Andrews Millikan,18681953)，美國(guó)著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。1896年-1921年間，密立根在世界頂級(jí)學(xué)府芝加哥大學(xué)進(jìn)行了一系列測(cè)定電子電荷以及光電效應(yīng)的卓越工作，包括著名的油滴實(shí)驗(yàn)，因而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。測(cè)定元電荷密立根以其實(shí)驗(yàn)的精確著名。從1907年一開(kāi)始，他致力于改進(jìn)威耳遜云霧室中對(duì)粒子電荷的測(cè)量甚有成效，得到盧瑟福的肯定。盧瑟福建議他努力防止水滴蒸發(fā)。

15、1909年，當(dāng)他準(zhǔn)備好條件使帶電云霧在重力與電場(chǎng)力平衡下把電壓加到10000伏時(shí)，他發(fā)現(xiàn)的是云層消散后“有幾顆水滴留在機(jī)場(chǎng)中”，從而創(chuàng)造出測(cè)量電子電荷電子電荷的平衡水珠密立根油滴實(shí)驗(yàn)法、平衡油滑法，但有人攻擊他得到的只是平均值而不是元電荷。1910年，他第三次作了改進(jìn)，使油滴可以在電場(chǎng)力與重力平衡時(shí)上上下下地運(yùn)動(dòng)，而且在受到照射時(shí)還可看到因電量改變而致的油滴突然變化，從而求出電荷量改變的差值；1913年，他得到電子電荷的數(shù)值：e=（47740009）10-10esu，這樣，就從實(shí)驗(yàn)上確證了元電荷的存在。他測(cè)的精確值最終結(jié)束了關(guān)于對(duì)電子離散性的爭(zhēng)論，并使許多物理常數(shù)的計(jì)算獲得較高的精度。利用密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀驗(yàn)證利用密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并求出電電荷的不連續(xù)性，并求出電子所帶的電量。子所帶的電量。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、正確選擇