物理學(xué)史--原子原子核物理的發(fā)展

1、“原子”一詞來自希臘文，含義是“不可分割的”。公元前四世紀(jì)，古希臘哲學(xué)家德謨克利特(Democritus)提出了這一概念，并把它當(dāng)作物質(zhì)的最小單元。,17世紀(jì)，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；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(rèn)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，不可再分的、不能毀

2、滅又不能創(chuàng)生的原子所組成。,1807年，英國科學(xué)家約翰 · 道爾頓(John Dalton)提出原子論。他認(rèn)為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結(jié)構(gòu)單元，是不可分割的。,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。道爾頓的原子說是根據(jù)事實(shí)概括的結(jié)果，能夠用來研究和發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象，因此比古代原子說更進(jìn)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

3、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(rèn)為，陰極射線是帶負(fù)電的粒子流.問題一直得不到公認(rèn).本來，克魯克斯在1879年的幾個(gè)實(shí)驗(yàn)就足以證明粒子論者的觀點(diǎn)是正確的，但由于當(dāng)時(shí)普遍認(rèn)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(shí)還未結(jié)束.到1897年，湯姆生走上了科學(xué)實(shí)驗(yàn)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

4、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(shí)，“電原子”概念就開始進(jìn)入了法拉第的電解定律.利用這個(gè)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?yàn)樗硎玖擞枚嗌匐娏縼砦龀?克當(dāng)量元素. 對于一價(jià)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).,

5、1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)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(shí)了這個(gè)比值是唯一的。許多科學(xué)家為測量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)測得的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測量，他作了上百次測量，一個(gè)油滴要盯住幾個(gè)小時(shí)，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實(shí)驗(yàn)，精確地測定基本電荷量e的過程.,19世紀(jì)后半期

6、，分子運(yùn)動論有了進(jìn)一步發(fā)展，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，一直沒有用實(shí)驗(yàn)證實(shí)。,1897年湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，并證明了電子是各種元素的基本組成部分。1903年盧瑟福和化學(xué)家索迪合作，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)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的理論。這些事實(shí)打破了道爾頓以來人們認(rèn)為原子不可再分割的觀念。,1905年，愛因斯坦用分子運(yùn)動論的觀點(diǎn)從理論上解釋布朗運(yùn)動獲得成功，他還提出了測定分子大小的新方法。,1908

7、年，法國物理學(xué)家佩林按愛因斯坦的方法，用實(shí)驗(yàn)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)界確認(rèn)了現(xiàn)代分子原子學(xué)說。,盧瑟福手跡,湯姆生用如圖所示的裝置（陰極射線管）發(fā)現(xiàn)了電子．電子由陰極C射出，在CA間電場加速，A′上有一小孔，所以只有一細(xì)束的電子可以通過P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S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d，長度為L，它的右端與熒光屏的距離為D

8、．當(dāng)平行板間不加電場和磁場時(shí)，電子水平打到熒光屏的O點(diǎn)；當(dāng)兩平行板間電壓為U時(shí)，在熒光屏上S點(diǎn)出現(xiàn)一亮點(diǎn)，測出OS=H；當(dāng)偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應(yīng)強(qiáng)度為B垂直紙面向里的勻強(qiáng)磁場時(shí)，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的O點(diǎn),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(shí)，大約每八千個(gè) ?粒子中有一個(gè)被反射回來。湯姆遜模型無法對該實(shí)驗(yàn)結(jié)果做出解

9、釋。盧瑟福根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jiǎng)得主，外號：鱷魚。,,盧瑟福的“核式結(jié)構(gòu)模型” 可以解釋? 粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此比湯姆遜模型更符合實(shí)際情況。,,盧瑟福的“行星模型”的雖然可以解釋?粒子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果，但該模型卻無法解釋原子的穩(wěn)定性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(gè)學(xué)生——丹麥物理學(xué)家尼爾斯 

10、3; 玻爾(Niles Bohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎(chǔ)之上于1913年提出了原子的量子理論，即“玻爾模型”。,玻爾的原子模型(Bohr’s Atom),尼爾斯 ·玻爾(Niles Bohr)，丹麥人，二十世紀(jì)世界最偉大的物理學(xué)家之一，量子理論的主要奠基人。1922年諾貝爾物理獎(jiǎng)得主。,玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進(jìn)。索末菲從實(shí)驗(yàn)事實(shí)出發(fā)，將電子繞核軌道從單一的圓軌道，推廣到橢圓軌道。并且他還發(fā)現(xiàn)軌道在空間的取向也是量子化

11、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。1920年索末菲又引入了第四個(gè)量子數(shù)。這第四個(gè)量子數(shù)直到1925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)。,1925年泡利在研究四個(gè)量子數(shù)跟原子核外電子排布的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個(gè)原子中不可能有兩個(gè)或兩個(gè)以上的電子具有完全相同的四個(gè)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以成功地解釋核外電子的排布。至此原子物理學(xué)

12、完全建立了起來。,1941年底，在物理學(xué)家康普頓(Arthur Compton)的組織協(xié)調(diào)下，費(fèi)米主持了原子反應(yīng)堆的建造和實(shí)驗(yàn)。,康普頓(Arthur 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(jiǎng)。,羅伯特·安德魯·密立根(Robert Andrews Millikan,1868～1953)，美國著名實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。1896年-1921年間，密立根在世界

13、頂級學(xué)府芝加哥大學(xué)進(jìn)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(shí)驗(yàn)，因而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。,測定元電荷密立根以其實(shí)驗(yàn)的精確著名。從1907年一開始，他致力于改進(jìn)威耳遜云霧室中對α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)。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(shí)，他發(fā)現(xiàn)的是云層消散后“有幾顆水滴留在機(jī)場中”，從而創(chuàng)造出測量電子電荷的平衡水

14、珠密立根油滴實(shí)驗(yàn)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(jìn)，使油滴可以在電場力與重力平衡時(shí)上上下下地運(yùn)動，而且在受到照射時(shí)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=（4．774±0．009）×10-10esu，這樣，就從實(shí)驗(yàn)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(jì)

15、算獲得較高的精度。,利用密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并求出電子所帶的電量。,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、正確選擇和控制油滴。一般選擇平衡電壓在200V以上，勻速下降2mm距離用時(shí)間20-30S的油滴。如果油滴過大，下降速度會過快，油滴過小，則布朗運(yùn)動明顯。 2、用平衡法測量油滴勻速下降2mm所用的時(shí)間。共選擇5顆油滴，每個(gè)油滴測量5次。 3、計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量，然后計(jì)算電子電荷。這里我們采用倒過來驗(yàn)證的方法 ，即用公認(rèn)的電子電量值去除每個(gè)油