物理學(xué)史--原子原子核物理的發(fā)展

1、“原子原子”一詞來自希臘文，含義是一詞來自希臘文，含義是“不可不可分割的分割的”。公元前四世紀，古希臘哲學(xué)家。公元前四世紀，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，通過卡文迪許和拉瓦錫等許多化學(xué)世紀，通過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，燃燒只不過是元素和氧起激烈反應(yīng)等等。隨著幾十只不過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)，英國化學(xué)家道爾頓提出了新的種元素的發(fā)現(xiàn)，英國化學(xué)家道爾頓提出了新的原子學(xué)說。他認為物質(zhì)是由許多種類不同的元原子學(xué)說。他認為物質(zhì)是由許多種類不同的元素所組成，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，英國科學(xué)家年，英國科學(xué)家約約翰翰 道爾頓道爾頓( (John Dalton)John Dalton)提出原子論。他認為原子類提出原子論。他認為原子類似于剛性的小球，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)說說明了化學(xué)中道爾頓用他的學(xué)說說明了化學(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。道爾頓的原子說是根據(jù)事實概括的結(jié)果，能夠用說是根據(jù)事實概括的結(jié)果，能夠用來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說更進一步。代原子說更進一步。 1858年“陰極射線”被發(fā)現(xiàn)，它是由什么組成的，一直眾說紛紜，并引起了一場英、法、德科學(xué)家的大爭論.由德國一些物理學(xué)家組成的論戰(zhàn)一方主張，陰極射線是以太的特殊振動；由英國、法國一些物理學(xué)家組成的論戰(zhàn)另一方認為，陰極射線是帶負電的粒子流.問題一直得不到公認.本來，克魯克斯在1879年的幾個實驗就足以證明粒子論者的

4、觀點是正確的，但由于當(dāng)時普遍認為原子不可再分，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)時還未結(jié)束.到1897年，湯姆生走上了科學(xué)實驗的舞臺，他用不同的方法測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，“電原子”概念就開始進入了法拉第的電解定律.利用這個定律來測量離子的荷質(zhì)比變得方便起來了.人們特別感興趣的是法拉第常數(shù)F，因為它表示了用多少電量來析出1克當(dāng)量元素. 對于一價氫離子，這正好是它的荷質(zhì)比.我們現(xiàn)在知道，F(xiàn)=9649.4庫克當(dāng)量.對于氫元素，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，人們進行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實了這個比值是唯一的。許多科學(xué)家為測量電子的電荷量進行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國科學(xué)家密立根于1917年用實驗測得的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進行基本電荷量e的測量，他作了上百次測量，一個油滴要盯住幾個小時，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗，精確地測定基本電荷量e的過程. 19 19世紀后半期，分子運動論有了進一步發(fā)展，人們逐步建世紀后半期，分子運動論有了進一步發(fā)展，

6、人們逐步建立起近代的原子分子學(xué)說。但是原子分子是否存在，一直沒立起近代的原子分子學(xué)說。但是原子分子是否存在，一直沒有用實驗證實。有用實驗證實。 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，通過實驗發(fā)現(xiàn)合作，通過實驗發(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原子自然衰變的理論。的理論。這些事實這些事實打破了道爾頓以來人們認為原子不可再分割打破了道爾頓以來人們認為原子不可再分割的觀念。的觀念。 1905

7、1905年，年，愛因斯坦愛因斯坦用分子運動論的觀點從理論上解釋布朗用分子運動論的觀點從理論上解釋布朗運動獲得成功，他還提出了運動獲得成功，他還提出了測定分子大小的新方法測定分子大小的新方法。 1908 1908年，法國物理學(xué)家年，法國物理學(xué)家佩林佩林按愛因斯坦的方法，用實驗測按愛因斯坦的方法，用實驗測定了分子的大小，結(jié)果跟愛因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)定了分子的大小，結(jié)果跟愛因斯坦預(yù)言的一致，終于在科學(xué)界界確認了現(xiàn)代分子原子學(xué)說確認了現(xiàn)代分子原子學(xué)說。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間電場加速，間電場加速，A上有一小孔，所以只有一細束的電子可以通過上有一小孔，所以只有一細束的電子可以通過P與與P兩平行板間的區(qū)域，電子通過這兩極板區(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，長度為長度為L，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)平行板間不加電場和磁場時，當(dāng)平行板間不加電場和磁場時，電子水平打到熒光屏的電子水平打到熒光屏的O點；當(dāng)兩平行板間電壓為點；當(dāng)兩平行板間電壓為U時，在熒光屏上

9、時，在熒光屏上S點出點出現(xiàn)一亮點，測出現(xiàn)一亮點，測出OS=H；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應(yīng)強度為；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應(yīng)強度為B垂直紙面向里的垂直紙面向里的勻強磁場時，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的勻強磁場時，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的O點點 1909年，英國物理學(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，大約每八千個 粒子中有一個被反射回來。湯姆遜模型無法對該實驗結(jié)果做出解釋。盧瑟福根據(jù)實驗結(jié)果于1911年提出了原子的“核式結(jié)構(gòu)模型”(也被稱為“盧瑟福行星模型”)E. Rutherford，1908年諾貝爾化學(xué)獎

10、得主，外號：鱷魚。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 粒子散射實驗結(jié)果，粒子散射實驗結(jié)果，因此比因此比湯姆遜模型更符合實際湯姆遜模型更符合實際情況。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 粒子散射實驗結(jié)果，但該模型卻粒子散射實驗結(jié)果，但該模型卻無法解釋原子的穩(wěn)定性無法解釋原子的穩(wěn)定性無法解釋氫原子光譜的規(guī)律。無法解釋氫原子光譜的規(guī)律。 為了解釋上述問題，盧瑟福的一個學(xué)生為了解釋上述問題，盧瑟福的一個學(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，二十世紀世丹麥人，二十世紀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年諾貝爾物理獎得主。年諾貝爾物理獎得主。 玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進。索末菲從實驗事實出發(fā)，玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進。索末菲從實驗事實出發(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量子數(shù)。四個量子數(shù)。這第四個量子數(shù)直到這第四個量子數(shù)直到19251925年才被科學(xué)家弄清楚，年才被科學(xué)家弄清楚，原來是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。原來是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。 19251925年泡利年泡利在研究四個量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系在研究四個量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原

13、子內(nèi)，時，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個原子中在一個原子中不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(shù)不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(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。起來。 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，費米主持了的組織協(xié)調(diào)下，費米主持了原子反應(yīng)堆的建造和實驗

14、原子反應(yīng)堆的建造和實驗。 康 普 頓 ( A r t h u r Compton, 1892-1962)，美國著名物理學(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。羅伯特安德魯密立根(Robert Andrews Millikan,18681953)，美國著名實驗物理學(xué)家。1896年-1921年間，密立根在世界頂級學(xué)府芝加哥大學(xué)進行了一系列測定電子電荷以及光電效應(yīng)的卓越工作，包括著名的油滴實驗，因而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎。測定元電荷密立根以其實驗的精確著名。從1907年一開始，他致力于改進威耳遜云霧室中對粒子電荷的測量甚有成效，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力平衡下把電壓加到10000伏時，他發(fā)現(xiàn)的是云層消散后“有幾顆水滴留在機場中”，從而創(chuàng)造出測量電子電荷電子電荷的平衡水珠密立根油滴實驗法、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，使油滴可以在電場力與重力平衡時上上下下地運動，而且在受到照射時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，就從實驗上確證了元電荷的存在。他測的精確值最終結(jié)束了關(guān)于對電子離散性的爭論，并使許多物理常數(shù)的計算獲得較高的精度。利用密立根油滴實驗儀驗證利用密立根油滴實驗儀驗證電荷的不連續(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。實驗內(nèi)容 1、正確選擇