第讲科学素养之物理学篇.pptVIP

原子——“不可分的”原子atom，它的希腊文atomos原意是“不可分的”。德谟克利特认为物体不可能无限地被分割成越来越小的部分，而必然存在着终极的粒子，他把这终极粒子叫做原子。道尔顿原子这个观念被十九世纪初(1803)英国化学家道尔顿（1766-1844）采纳，并提供了可靠的实验根据。他定量地考虑原子问题，编制了第一个原子量表。打开原子的大门——电子的发现十九世纪末，物理学家注意到一种阴极射线现象。JosephThomson（1856-1940）在1897证实阴极射线在电场中偏转，从而断定阴极射线是一种带电粒子。他进而测定了阴极射线粒子的荷质比，发现这种粒子的质量只有氢原子质量的一个很小的分数值（现在值为1/1837）。电子Thomson就这样打开了亚原子的大门。后来洛伦兹把这种阴极射线粒子叫做电子。Thomson被认为是电子的发现者，并因此获得1906年诺贝尔物理学奖。此后他的七个助手先后都获得过诺贝尔奖。神秘的X射线1895年11月10日，德国物理学家伦琴（WilhelmKonradRontgen1854-1923）在做阴极射线实验时，偶然发现了一种新的辐射，它能轻易穿透一些如纸张之类不透明的物质。伦琴把它叫做X射线。放射性的发现伦琴发现的X射线引起法国物理学家贝克勒尔（AntoineHenriBecquerel,1852-1908）的兴趣。因为伦琴是通过荧光材料所发出的荧光而发现X射线的，所以贝克勒尔想知道是否有荧光材料放出X射线。太阳光下1896年2月，贝克勒尔把感光片包在黑纸里放到太阳下，再把荧光物质的晶体压在上面。他的设想是：太阳光照射晶体产生荧光，如果荧光中有X射线，那么它就能穿透黑纸使底片暴光。果然，底片冲洗出来后，上面有了阴影。这证明有放射线穿透了黑纸，贝克勒尔断定荧光确实放出X射线。阴天接着数日阴天，无法到太阳底下做实验。贝克勒尔只好把包好的底片放进抽屉，上面还是压着那块荧光物质的晶体。由于接连几天没有太阳，无所事事之下，贝克勒尔决定把抽屉里的底片先洗出来看看，也许晶体里残存的荧光能使底片出现微弱的阴影。放射性结果大出所料，底片上有很多的阴影。显然，这阴影与太阳无关、与荧光无关，而与晶体本身有关。贝克勒尔用的晶体是一种铀的化合物——硫酸双氧铀钾，这样他便发现了铀能自发辐射出能量。居里夫人在1898年把这种现象命名为放射性。居里夫人X射线和铀的放射性激发了居里夫人（MarieCurie，1867-1934）对放射线的研究兴趣。在对铀矿物放射性的研究中，她发现某些铀矿物的放射性特别强，并断定这额外的放射性是由未知的放射性元素造成的。为了寻找这种未知元素，她的丈夫居里（1859-1906）也加入到了她的工作中来。钋和镭1898年7月居里夫妇从铀矿中分离出一小点新元素的粉末，这种新元素被命名为钋，放射性比铀强数百倍，但还不足于说明一些铀矿石强烈的放射现象。1898年12月居里夫妇检测出了放射性更强的物质，并把它命名为镭。1902年他们经过了无数次的结晶处理，终于成功地制出十分之一克的镭。两个诺贝尔奖1903年居里夫人因对放射线的研究与贝克勒尔和她的丈夫分享了该年度的诺贝尔物理学奖；1911年她又因发现两种新元素而获得诺贝尔化学奖。卢瑟福作为汤姆逊的学生，卢瑟福（ErnestRutherford，1871-1937）却不喜欢汤姆逊的原子模型。他决定用一种新粒子当作炮弹来轰击原子，以探索原子的内部结构。这时物理学家从放射性研究中掌握了一种叫做?粒子的新粒子。卢瑟福知道?粒子其实就是从不稳定的原子发射出来的具有极高能量的氦离子束。?粒子散射?粒子在与原子带电部分发生相互作用时，会偏离原来的路径，由此产生的?粒子散射，可以揭示原子内部电荷分布的情况。卢瑟福让?粒子流射到不同的金属薄片上，并对穿过薄片后向不同方向散射的?粒子的数目进行计数。散射相当显著根据记数结果，卢瑟福发现?粒子穿过金属薄片后的散射是相当显著的。虽然多数粒子保持原来的运动方向，但有不少粒子偏转了很大角度，有的甚至被撞回来了。这个结果与汤姆逊原子模型预言的结果完全不符。按照汤姆逊的原子模型按照汤姆逊的原子模型，原子的质量和电荷几乎是均匀地分布在整个原子中。按照这个模型，入射粒子的电荷与原子内部的电荷之间的相互作用绝不会强到能使?粒子离开其原来的运动方向发生大角度的偏折，更不用说能把它撞回去了。需要导出一个公式唯一可能的解释是原子的中心含有一个很小的核，这个核带有正电并且拥有原子的所有质子，所以也几乎拥有原子的所有质量。为了判断这一假设是否能解释观测到的散射结果，需要根据力学定律导出一个公式，来计算?粒子在离排斥中心不同的距离