蘇教版人類對原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)-“黃岡杯”一等獎(jiǎng)

三代師生的努力盧瑟福研究中這震撼世界的一步，是在1910年的圣誕老人即將來臨時(shí)邁出的。也許，我們應(yīng)稍稍提前一些說起。盧瑟福的老師湯姆生在發(fā)現(xiàn)了電子后，給原子王國描繪了這樣一副圖像：原子里充滿了帶正電的液體，電子都浸在這種正電荷液體中，就像許多軟木塞浸在一盆水里一樣。這一原子模型假設(shè)在當(dāng)時(shí)能成功地解釋許多事實(shí)，為此得到了公認(rèn)。1910年底，盧瑟福正帶領(lǐng)一批學(xué)生在進(jìn)行關(guān)于α粒子的研究。一天，盧瑟福安排蓋革帶馬斯頓去做用α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，順便練習(xí)怎樣用熒光屏來記錄那些穿過金箔的α粒子。因?yàn)槊慨?dāng)α粒子打到熒光屏上時(shí)，在打中的地方就會(huì)閃現(xiàn)一下熒光，記錄出現(xiàn)的熒光次數(shù)就等于記錄到打中熒光屏的α粒子數(shù)。而且根據(jù)熒光屏上熒光點(diǎn)的位置，可以判斷經(jīng)過金箔后的α粒子射線的方位。這個(gè)實(shí)驗(yàn)純粹是練習(xí)性的，沒有多大意義。因?yàn)棣亮Ｗ拥馁|(zhì)量是電子的七八千倍，當(dāng)這樣的一顆“重型炮彈”射入原子王國時(shí)，小小的電子是根本抵擋不住它的入侵的。而帶正電的那些物質(zhì)，雖然與α粒子帶同種電荷，但由于它們是均勻分布在整個(gè)原子中的，力量太分散了，所以也不可能產(chǎn)生什么有意義的抵抗力。一句話，完全可以預(yù)料，α粒子這個(gè)強(qiáng)大的入侵者，將通行無阻地穿過原子，幾乎不會(huì)遇到什么抵抗。其結(jié)果是，α粒子在穿出原子后，充其量稍稍改變一下它的前進(jìn)方向。不料，第二天，盧瑟福正在辦公室里備課，蓋革慌慌張張地跑進(jìn)來，拉起老師就往實(shí)驗(yàn)室走：“先生，我們看到有些α粒子被金箔彈回來了！”“彈回來了？”盧瑟福大吃一驚。他核對了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，知道射出去的每8000個(gè)α粒子中就有一個(gè)被彈回來或者偏在一旁?！斑@太令人不可思議了！”盧瑟福足足思索了3個(gè)星期，才悟出了其中的道理：原子中的正電荷并非像湯姆生先生所想象的那樣，是連續(xù)分布在整個(gè)原子體積中的，而是集中在一個(gè)很小的核心上。它對α粒子有一個(gè)很強(qiáng)的電荷排斥力，所以α粒子一碰到它就會(huì)被一把推了回來。而且這個(gè)核一定很小，所以每發(fā)射約8000個(gè)α粒子才有一個(gè)可能撞上它。蓋革和馬斯頓后來做了一系列這樣的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了盧瑟福的這個(gè)推論。這時(shí)，已是1910年的圣誕節(jié)了。1911年，盧瑟福提出了他著名的原子“太陽系模型”：原子猶如一個(gè)極小的“太陽系”，“太陽”是帶正電的原子核，在核外空蕩蕩的天空里有一些質(zhì)量很小、帶負(fù)電的電子像行星一般在繞它運(yùn)行。后來他的學(xué)生玻爾（1885~1962）又把量子論引入到原子結(jié)構(gòu)中來，修改了這個(gè)模型，使之更加完善，人們就把這個(gè)模型稱為盧瑟?！栐印＿@個(gè)模型成功地解釋了許多物理、化學(xué)現(xiàn)象，大大地促進(jìn)了以后的原子能研究。在提出原子模型的同時(shí)，盧瑟福意識(shí)到：一種元素的原子核所帶的正電荷數(shù)就是該元素在周期表中的座位號(hào)。這實(shí)際上已接觸到索迪假說的實(shí)質(zhì)了，眾多疑問如從這點(diǎn)展開的話，也不難找到答案。可盧瑟福認(rèn)為這種實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性不很高，因此不敢貿(mào)然下此結(jié)論。1913年，盧瑟福的得意門生、英國青年學(xué)者莫斯萊（1887~1915），設(shè)計(jì)了一個(gè)出色的實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了老師的預(yù)感。他從X射線的研究入手，發(fā)現(xiàn)以不同元素作為產(chǎn)生X射線的靶子，所產(chǎn)生的特征X射線的波長不同。他將各元素按所產(chǎn)生的特征X射線的波長排列后，就發(fā)現(xiàn)排列次序與周期表中的次序是一致的。他把這個(gè)次序稱為原子序數(shù)。莫斯萊的發(fā)現(xiàn)與盧瑟福等人的α粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，就可得出結(jié)論：原子序數(shù)在數(shù)量上正好等于核的電荷數(shù)。這個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)證明了原子序數(shù)是原子的基本參數(shù)。這使人們對周期律的認(rèn)識(shí)又深入了一步，認(rèn)識(shí)到元素周期性的根源不是基于表觀上的原子量，而是基于原子內(nèi)部的構(gòu)造——原子核所帶的電荷多少。在這里還要向讀者介紹一下，莫斯萊是一個(gè)極有才華的青年，人們都推測他可能是第二代的盧瑟福。可正當(dāng)他的研究漸入高潮時(shí)，第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)了，莫斯萊上了前線。盧瑟福為科學(xué)的長久利益考慮，說服了有關(guān)方面采取措施要調(diào)他回來，但調(diào)令還未發(fā)出，一顆子彈已擊中了莫斯萊的頭顱。盧瑟福為此慟哭，痛訴這是英國在戰(zhàn)爭中最大的損失。1919年，由湯姆生推薦，盧瑟福重返卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，擔(dān)任第四任主任。上任伊始，盧瑟福就作出了一個(gè)大發(fā)現(xiàn)：1919年，當(dāng)他用α粒子（即氦原子核）轟擊氮原子時(shí)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生出氫原子核，便取名叫“質(zhì)子”。這也是第一個(gè)人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)：1920年，盧瑟福又提出了原子核中存在著中子的假說。后來，1932年2月，他的學(xué)生查德威克（1891~1974）通過云霧室實(shí)驗(yàn)果然發(fā)現(xiàn)了中子。湯姆生、盧瑟福、查德威克等三代師生努力的結(jié)果，便是今天中學(xué)化學(xué)教材里對原子構(gòu)成的描述：質(zhì)子（帶正電）原子核原子中子核外電子（帶負(fù)電）同位素的問題至此也全部解決：同位素是含有相同的質(zhì)子數(shù)和不同的中子數(shù)的一類原子的總稱。如氫元素有3種同位素，普通的氫的原子核，只含有1個(gè)質(zhì)子；有一種氫原子的原子核，有1個(gè)質(zhì)子和1個(gè)中子，叫“氘”；還有一種氫原子的原子核，含有1個(gè)質(zhì)子和2個(gè)中子，叫“氚”。由于質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)的總和不同，這3種同位素原子量也不同。又由于它們的質(zhì)子數(shù)一樣，所以原子序數(shù)也一樣，當(dāng)然占據(jù)在周期表的同一個(gè)位置里。1937年10月19日，盧瑟福在劍橋大學(xué)去世。人們將他安葬于牛頓、達(dá)爾文和法拉第的墓地之側(cè)?，F(xiàn)在，人們在談?wù)摫R瑟福的成就時(shí)，總要提到他在培養(yǎng)人才方面的貢獻(xiàn)：1921年，他的助手索迪，因發(fā)現(xiàn)放射性同位素，獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1922年，他的學(xué)生玻爾，因發(fā)展了他的原子結(jié)構(gòu)模型獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1922年，他的學(xué)生阿斯頓，因發(fā)明質(zhì)譜儀，獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1927年，他的助手威爾遜，因發(fā)現(xiàn)云霧室，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1935年，他的學(xué)生查德威克，因發(fā)現(xiàn)中子，獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)；1944年，他的學(xué)生哈恩，因發(fā)現(xiàn)鈾核裂變，