α射线的研究和原子核的发现.docVIP

备课资料/物理学史与技术发展史 备课资料/物理学史与技术发展史 清华同方教育技术研究院 清华同方教育技术研究院 备课资料/物理学史与技术发展史 清华同方教育技术研究院 卢瑟福专攻α射线 α散射导出原子核 —— α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α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J．J．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??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α射线，穿透本领强的叫做β射线。 不久，贝克勒尔证明了β射线带负电，在磁场中会偏转，后来又确定了β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β射线穿透本领强得多，但不受磁场偏转。他把这种成分叫做γ射线。后来他也搞清楚了，γ射线是比X射线频率更高的一种电磁辐射。α、β、γ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α射线，因为当时人们并不知道α射线在磁场中会偏转。 卢瑟福知难而进，以大量实验确定了α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α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α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 α、β、γ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α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α射线在磁场中也有偏转。为了判定α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α射线不能通过的条件。从这个实验，卢瑟福判定α射线带的是正电荷，和阴极射线不同，α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α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α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α粒子与原子相近。还有迹象表明，α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α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α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，α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α粒子果真是氦原子。 就这样，卢瑟福彻底查清了α射线的底细，为阐明放射性规律和利用α射线探测物质奥秘做好了必要的准备。 图3 卢瑟福的α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α射线与物质的相互作用。就在用α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α射线轰击各种物质，以了解α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α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J．J．汤姆生的实心正电球模型——也叫葡萄干蛋糕模型。J．J．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（H．Geiger）进行α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，