卢瑟福的α粒子轰击氮核试验.DOCVIP

第十二章 物质的微观结构参考资料 1．电子的发现 对原子内部结构的认识是20世纪最伟大的发现之一，这是从1897年英国物理学家J．J．汤姆孙发现电子开始的。电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是从真空管放电现象开始的。早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时就发现了阴极射线。普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光。当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化。可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。 阴极射线究竟是什么呢？在19世纪30年代，许多物理学家投入了研究。当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，并根据偏转角度算出阴极射线粒子的比荷（），要比氢离子的比荷大1 000倍之多。当时，赫兹和他的学生勒纳德在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电。实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场。J．J．汤姆孙设计了新的阴极射线管（图1），在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过A和B聚焦，从另一对电极D和E间的电场中穿过。右侧管壁上贴有供测量偏转用的标尺。他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转。但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的偏转，根据偏转方向可明确判断阴极射线是带负电的粒子。他还在管外加上了一个与电场和射线速度方向都垂直的磁场（此磁场由管外线圈产生），当电场力eE与磁场的洛伦兹力evB相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经推算可知，阴极射线粒子的比荷≈1011C/kg。通过进一步的实验，汤姆孙发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的比荷保持不变，可见这种粒子是各种材料中的普适成分。 1898年，汤姆孙和他的学生们继续做直接测量带电粒子电荷量的研究。其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷量是1.1×10-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的。于是，汤姆孙最终解开了阴极射线之谜。这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷量值，其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e＝1.34×10-19C，1913年最后测得e＝1.59×10-19C。在当时条件下，这是一个高精度的测量值。近代精确测得的电子电荷量e＝1.602 173 3（49）×10-19C（括号中的值是测量误差）。 2．气泡室 气泡室是探测高能粒子的仪器。鲍威尔的核乳胶技术和威尔逊的云室在检测低能粒子时很有用，但要探测和测定高能粒子，在技术上就要能在比云室更快和更长的路径上做出记录。 气泡室是一种装有透明液体（如液态氢、氦、丙烷、戊烷等）的耐高压容器。它的工作原理是：在特定温度下突然减压，使工作液体在极短时间内（一般为50 ms）处于过热的亚稳状态，而不会马上沸腾。这时若有高能带电粒子通过，就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量的气泡，从而显示出粒子的径迹，根据径迹的长短、浓淡等数据，能清楚地分辨出粒子的种裂和性质。气泡室因密度大、循环快，它所搜集到的各种信息大约是云室的1 000倍。 美国物理学家格拉泽（D．A．Glaser，1926－）因发明气泡室获得了1960年度诺贝尔物理学奖。气泡室在高能物理研究中起着重要的作用，人们借助它与高能加速器联用，发现了许多基本粒子以及100多种共振态。气泡室为粒子物理的研究开拓了新的领域，在原子核科学技术史上也是一个创举。 3．14C鉴年法 来自地球外的宇宙线含有大量质子，入射到大气层后，与大气中的原子核发生反应，产生许多次级中子。这些次级中子又与大气中的氮（主要是14N）发生反应而产生放射性同位素14C： n＋14N→14C＋p（放热）， 14C自发地进行β衰变： 14C→14N＋e-。 由于宇宙线中的质子流是恒定的，大气的组成也是恒定的，从而次级中子流也是恒定的，这使得14C的产生率保持恒定。经过一定时间后14C的产生和衰变达到平衡，其数量保持不变。在大气中本来存在着稳定的12C，根据实验测定，大气中14C与12C的数目之比为1.3×10-12，此比例基本上与纬度无关。 植物吸收空气中的二氧化碳（包括14C和12C），动物又以植物为食物，通过食物链和新陈代谢，动植物和大气中的碳经常进行着交换，所以活体内14C和12C的比例与大气中的一样。当生物死亡后，这种交换停止了，生物体内的14C因衰变而减少，却得不到补充，从而生物遗骸中14C和12C的比例下降，下降率与14C的半衰期有关。这样，我们就可以从生物遗骸中14C和12C的