原子核物理论文2000字

1． 质子的发现和原子核的“质子—电子”模型假说1911年，英国物理学家卢瑟福根据α粒子散射实验的结果提出了原子的核式结构模型，这个模型得到玻尔的支持和发展，很快得到物理学家们的公认。此后，一系列问题又摆在物理学家们的面前：原子核是由什么构成的？原子核还有没有结构、能不能再分？1919年，卢瑟福做了用镭放射出的α粒子轰击氮原子核的实验，发现了质子，第一次实现了原子核的人工嬗变。当时人们认识到的基本粒子仅限于质子、电子和光子，这样在本世纪20年代，人们普遍认为，原子核是由质子和电子组成的，并假定，原子量为N、原子序数为Z的核应由N个质子、N—Z个电子组成的，这个原子核又与Z个轨道电子组成中性原子，这就是原子核的“质子—电子”模型。但这个假说却遇到了一定的困难。困难之一：电子究竟以什么状态在原子核内。在“质子—电子”模型假设中，电子是以个体方式在核内存在的，原子核的半径估计为 ，当N=238时R约为 厘米，而电子的经典半径是 厘米，作为个体部分的电子竟与核的整体几乎相差无几！这是不可想象的；困难之二：根据海森堡1927年提出的测不准原理，把电子束缚在很小的核内，它的动量将有很大的不确定性，因而它在核内逗留的时间不能超过几分之一秒；困难之三：它与量子力学中的多体统计与自旋理论相矛盾。1925年，乌伦贝克和古德斯密特根据光谱提出，电子具有自旋，它的量子数等于1/2，质子的量子数也等于1/2，这样对氮核来说，由于它有14个质子和7个电子，因而这些粒子的总自旋数应取分数值，然而实验表明，氮原子核的自旋等于1。对于后两个困难，不少著名物理学家怀疑是量子力学不适用于原子核内部，而丝毫不怀疑“质子—电子”模型本身存在问题。查德威克发现中子约里奥·居里夫妇的论文传到英国，英国物理学家查德威克看了他们的论文并把论文的内容告诉了卢瑟福。据说卢瑟福听了他们的解释时大声喊道：“我不相信”， 查德威克也不相信这种解释，他经过一番思考，随即意识到：反冲质子有这么大的能量绝不可能是光子碰撞的结果，而很可能是十年前卢瑟福所预言的“中性粒子”碰撞所致。他用钋加铍作为放射源，使用这种新射线去轰击氢、氦、氮等元素，结果发现这种射线的性质与通常的射线有所不同，通常的射线照射到物质上，物质密度越大，对射线吸收的就越厉害。而这种射线的性质刚好相反，密度越小的物质越容易吸收它。查德威克用这种射线去轰击氢原子时发现，氢原子核被弹射出去，这说明这种射线是具有一定质量的粒子流。由于这种粒子流不带电，电场和磁场对它不起作用，所以不能利用它在磁场或电场中的径迹来计算它的质量。查德威克认为，这种粒子穿过物质时它将与物质中的原子核发生弹性碰撞，从而把能量传递给原子核，使被碰撞的原子核运动，测出被碰原子核的速度，就可根据动量守恒和能量守恒把这种粒子的质量算出来。通过对氢原子和氮原子的轰击，他算出这种粒子的质量与质子的质量近乎相等，他把这种射线的粒子称为“中子”

原子核是什么时候发明的，物理学家将原子核拆开后，发现了这个

在当今工业领域和交通工具上被广泛应用的内燃机为我们提供了巨大的便利，但随着它的应用，许多弊端也日益暴露出来。传统内燃机是要“喝油”的，在大量地消耗化石燃料的同时，其排放的尾气对环境的改造直至破坏不可避免，如“城市热岛效应”、“全球温室效应”等。 我想如果在传统内燃机中有电磁的介入，它的生命力将继续旺盛。具体的设计思路简单来说是这样的：可以在内燃机活塞上改装上一种线圈，线圈内插有一衔铁，活塞和衔铁仍是可往复运动的整体；另将一线圈（线圈中仍插有衔铁）装在内燃机汽缸顶部火花塞位置，与内燃机为一整体固定不动。这样，分别将一定频率的交流电接入两个线圈（两个线圈以及供电装置相互独立），通过调整交流电的频率，来改变两个线圈中衔铁的极性，从而使两衔铁在交流电的前半周期内同名排斥、后半周期异名吸引，通过排斥吸引过程带动活塞，活塞再通过连杆带动曲轴，曲轴再将活塞的往复运动变成旋转运动，实现电能到机械能的转化，而且可方便地通过调节电子线路改变交流电频率来调节机器的功率（相当于加、减油门）。

门 捷 列 夫 元素周期律的发现 1867年，俄国彼德圣堡大学里来了一个年轻的化学教授，他就是门捷列夫。身为化学教授的门捷列夫大部分时间不是在实验室度过，而是将自己关在书房里。手里总捏着一副纸牌，颠来倒去，整好又打乱，乱了又重排。不邀牌友，也不去上别人家的牌桌。 两年后的一天，俄罗斯化学会专门邀请专家进行一次学术讨论。学者们有的带着论文，有的带着样品，只有门捷列夫两手空空，学术讨论进行了三天，三天来讨论会场大家各抒己见，好不热闹，只有门捷列夫一个人一直一言不发，只是瞪着一双大眼睛看，竖起耳朵听，有时皱皱眉头想想。 眼看讨论就要结束了，主持人躬身说道：“门捷列夫先生，不知可有什么高见？”门捷列夫也不说话，起身走到桌子的中央，右手从口袋里取出，随即一副纸牌甩在桌子上，在场的人都大吃一惊，门捷列夫爱玩纸牌，化学界的朋友已早有所闻，但总不至于闹到这种地步，到这么严肃的场合来开玩笑吧？ 只见门捷列夫将那一把乱纷纷的牌捏在手里，三下两下便整理好，并一一亮给大家看。大家这时才发现这并不是一副普通的扑克，每张牌上写的是一种元素的名称、性质、原子量等，共63张，代表着当时已发现的63种元素。更怪的是，这副牌中有红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色。 门捷列夫真不愧为玩纸牌的老手，一会儿功夫就在桌子上列成一个牌阵：竖看就是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别各一列，横看那七种颜色的纸牌就像画出的光谱段，有规律地每隔七张就重复一次。然后门捷列夫口中念念有词地讲着每一个元素的性质，滚瓜烂熟，如数家宝。周围的人都傻眼了。他们在实验室里钻了十年、几十年，想不到一个年轻人玩玩纸牌就能得出这番道理，要说不服气吧，好象有理，要说真是这样，又有些不甘心。 这时一直坐在旁边观看的门捷列夫的老师胡子气得撅起来了，一拍桌子站起来，以师长的严厉声调说道：“快收起你这套魔术吧，身为教授、科学家，不在实验室里老老实实地做实验，却异想天开，摆摆纸牌就要发现什么规律，这些元素难道就由你这样随便摆布吗？……”老人越说越激动，一边还收拾东西准备离去，其他人见状也纷纷站起，这场讨论就这样不了了之。 门捷列夫坚信自己是对的，回家后继续推着这副纸牌，遇到什么地方接连不上时，他就断定还有新元素没被发现，他就暂时补一张空牌，这样他一口气预言了11种未知元素，那副牌已是74张。这就是最早的元素周期表。 在随后的几年中，门捷列夫预言的11种元素陆续被发现，乖乖地住进他的元素周期表，特别是后来发现的氦、氖、氩、氪、氙和氡又给元素周期表增加了新的一族。元素世界一目了然，它就像一幅大地图，以后化学的研究就全靠这幅指南图了。 牛 顿 少年时代的牛顿不像高斯、维纳那样，从小就显露出引人注目的科学天才；也不像莫扎特那样表现了令人惊叹的艺术禀赋。他跟普通人一样，轻松愉快地度过了中学时代。 如果说他和别的孩子有什么不同的话，那就是他的动手能力相当强。他做过会活动的水车；做过能测出准确时间的水钟；还做过一种水车风车联动装置，它使风车可以在无风时借助水力驱动。 15岁那年，一场罕见的暴风雨侵袭英格兰。狂风怒吼，牛顿家的房子直晃悠，就像要倒了似的。牛顿为大自然的威力迷住了，不禁想测验飓风的力量。他冒着狂风暴雨来到后院，一会儿逆风跑，一会儿顺风跳。为了接受更多的风力，他索性敞开斗篷向上跳跃，认准起落点，仔细量距离，看狂风把他吹出多远。 1661年牛顿考上了剑桥大学，尽管在中学里是个优等生，可是剑桥大学集中了各地的尖子学生，他的学习成绩赶不上别人，特别是数学的差距更大。但是他并不气馁，就像他少年时代喜欢思考问题一样，踏踏实实地学习，直到透彻地理解为止。 在大学的头两年里，他除学习算术、代数、三角外，还认真学习了欧几里得《几何原本》，弥补了过去的不足。他又钻研笛卡儿的《几何学》，熟练地掌握了坐标法。这些数学知识，为牛顿后来的科学研究打下了坚实的基础。 四年后，他从剑桥大学毕业了。1666年的一天，牛顿请母亲和弟妹到自己房间里来。房间里黑洞洞的，只从窗子的一个小孔中透过一线阳光，在墙上照出一个白色的光点。牛顿让他们注意看墙上的光点。他手里拿着自制的三棱镜，放在光线入口处，使光折射到对面墙上，光点附近突然映出一条瑰丽的彩带。这条彩带同雨后晴空中出现的彩虹一样，由红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等七种颜色组成。牛顿和自己的亲人共同观赏了人工复现的自然景象。后来，牛顿又用第二个三棱镜把七种单色光合成白光。他用白光分解实验宣告了光谱学的诞生。 牛顿在探索光色之谜的同时，还在探索引力之谜。他从苹果从树上掉了下来的事实发现万有引力定律，而且从数学上论证了万有引力定律，并且把力学确立为完整、严密、系统的学科。他在概括和总结前人研究成果的基础上，通过自己的观察和实验，提出了“运动三定律”。这三条定律和万有引力定律共同构成了宏伟壮丽的力学大厦的主要支柱。这座力学大厦是近代天文学和力学发展的基地，是机械、建筑等工程技术发展的基地，也是机械唯物论统治自然科学领域的基地。构造了宏伟壮丽的力学大厦。 瓦 特 瓦特出生于英国的格林诺克，由于家境贫穷没机会上学，先是到一家钟表店当学徒，后又到格拉斯哥大学去当仪器修理工，瓦特聪明好学，他常抽空旁听教授们讲课，再加上他整日亲手摆弄那些仪器，学识也就积累的不浅了。 1764年，格拉斯哥大学收到一台要求修理的纽可门蒸汽机，任务交给了瓦特。瓦特将它修好后，看看他工作那么吃力，就象一个老人在喘气，颠颠颤颤地负重行走，觉得实在应该将它改进一下。 他注意到毛病主要是缸体随着蒸汽每次热了又冷，冷了又热，白白浪费了许多热量。能不能让它一直保持不冷而活塞又照常工作呢？于是他自己出钱租了一个地窖，收集了几台报废的蒸汽机，决心要造出一台新式机器来。 从此，瓦特整日摆弄这些机器，两年后，总算弄出个新机样子。可是点火一试，那汽缸到处漏气，瓦特想尽办法，用毡子包，用油布裹，几个月过去了，还是治不了这个毛病。 一天他又趴到汽缸前观察漏气的原因，不小心一股热气冲出，他急忙躲闪，右肩上已是红肿一片，就像被一把热刀削过一样，辣辣地疼起来，弄得他心烦意乱。他真有些灰心了，这时，是他的妻子给了他勇气，妻子用激将法又激起了继续研究下去的雄心。 他又回到地下实验室，将过去的资料重新翻阅一番，打起精神又干了起来，干累了就守着炉子烧一壶水喝茶。一天，他一边喝茶，一边看着那一动一动的壶盖。他看看炉子上的壶又看看手中的杯子，突然灵感来了：茶水要凉，倒在杯里；蒸汽要冷，何不也把它从汽缸里也“倒”出来呢？ 这样想着，瓦特立即设计了一个和汽缸分开的冷凝器，这下热效率提高了三倍，用的煤只有原来的四分之一。这关键的地方一突破，瓦特顿然觉得前程光明。他又到大学里向布莱克教授请教了一些理论问题，教授又介绍他认识了发明镗床的威尔金技师，这位技师立即用镗炮筒的方法制了汽缸和活塞，解决了那个最头疼的漏气问题。 1784年，瓦特的蒸汽机已装上曲轴、飞轮，活塞可以靠从两边进来的蒸汽连续推动，再不用人力去调节活门，世界上第一台真正的蒸汽机诞生了。 杨 振 宁 杨振宁生于安徽合肥，读小学时，数学和语文成绩都很好。中学还没有毕业，就考入了西南联大，那是他才16岁。20岁那年大学毕业后，旋即进入西南联大的研究院。两年后，以优异成绩获得了硕士学位，并考上了公费留美生，于1945年赴美进芝加哥大学，1948年获博士学位。1949年，杨振宁进入普林斯顿高等研究院做博士后，开始同李政道合作进行粒子物理的研究工作。 杨振宁是理论物理学家，他对理论物理学的贡献范围很广，包括基本粒子、统计力学和凝聚态物理学等领域，其中在粒子物理学方面贡献最大。 在粒子物理学方面，他最杰出的贡献是1954年与密耳斯共同提出的杨--密耳斯场理论，开辟了非阿贝尔规范场的新研究领域，为包括电弱统一理论、量子色动力学理论、大统一理论、引力场的规范理论等现代规范场理论打下了坚实基础。 另一项杰出贡献是1956年和李政道合作，深入研究了当时令人困惑的θ－τ之谜，即后来所谓的K 介子有两种不同的衰变方式，一种衰变成偶宇称态，一种衰变成奇宇称态；如果弱衰变过程宇称守恒，则他们必定是两种宇称状态不同的 K介子。但从质量和寿命来看，它们又应是同一种介子。 杨振宁和李政道通过分析认识到，很可能在弱相互作用中宇称不守恒。他们仔细检查了过去的所有实验，确认这些实验并未证明弱相互作用中宇称守恒。在此基础上他们进一步提出了几种检验弱相互作用中宇称不守恒的实验途径。次年, 这一理论预见得到吴健雄小组的实验证实，他们也因次获得了1957年诺贝尔物理学奖。 在粒子物理学方面，杨振宁的贡献还有费密--杨模型，与李政道合作的二分量中微子理论，与李政道和R.奥赫梅合作的关于电荷共轭变换和时间反演变换不守恒的分析，与李政道合作的高能中微子实验分析和关于W 粒子的研究。与吴大峻合作的宇称不守恒分析，规范场的积分形式理论，与吴大峻合作的规范场与纤维丛的关系。与邹祖德合作的高能碰撞理论等等。 杨振宁谨记父亲杨武之的遗训：有生应记国恩隆。他在1971年夏，是美国科学家中率先访华的。他说：“作为一名中国血统的美国科学家，我有责任帮助这两个与我休戚相关的国家建立一座了解和友谊的桥梁。在中国科技发展的道途中，我应该贡献一些力量”。杨振宁是这样说，也是这样做的。20多年来，他频繁穿梭往来于中美之间，做了许多卓有成效的学术联系工作。 戴 维 戴维小时候是一个出名的浪子，虽聪明，但就是不愿学习。他上学时总是一个口袋里装鱼钩鱼线，另一个口袋里装弹弓，上学前总要到河边打几只鸟，钓几条鱼。 父亲死后，母亲拖着五个孩子实在无法活下去，母亲只好把戴维送进一家药店当学徒。到月底时，别人领了工资，却没有戴维的份。戴维就伸手向老板要，老板却当着众人狠狠地打了戴维一下，还说：“让你抓药不识药方，让你送药认不得门牌，你还好意思伸手来要钱？”店里的师徒哄堂大笑。 戴维哪里受过这种羞辱，从此他下定决心要浪子回头、发奋读书，他利用药房的条件研究起化学。这时恰好有个贝多斯教授成立了一个气体疗养院，戴维被邀请一块儿工作，在这里，戴维发现了一种“笑气”，从此戴维的名声大振。 1803年，戴维当选为英国皇家学会的会员。他知道机会难得，于是更加刻苦研究。在许多研究题目中，戴维对伏打电池的电解作用尤感兴趣。他想电能将水分解成氢、氧，那么一定也能将其他物质分解出新元素。而化学中常用的就是苛性碱，不妨拿它试一试。 于是他将一块苛性碱配成水溶液，然后通上电，溶液立即沸腾发热，两根导线附近都出现了气泡。开始戴维以为苛性碱分解了，可是后来发现跑出去的气体是氢气和氧气，也就是说分解的只是水，苛性碱根本没动。 戴维的倔劲上来了，水攻不行，那就用火攻。这回他将苛性碱熔化后，然后通上电，嘿！在导线同苛性碱接触的地方出现了小小的火舌，淡淡的紫色。这可使戴维高兴坏了，但他很快又犯愁了，怎么收集这种物质呢？熔融物温度太高，这东西又易燃，一分解出来就着火了。看来火攻也不是个好办法。 11月19日是皇家学会一年一度贝开尔报告会的日子，戴维满心希望这次能拿一样新发现的元素。可是眼看报告日期就要到了，电解苛性碱还是没有眉目。他苦苦思索了十几天，这天他突然想出了一个好法子：把苛性碱稍稍打湿，让它刚能导电又不含剩余水分。 要将苛性碱打湿很简单，只要把它放在空气中片刻，它就会自动吸潮，表面形成湿糊糊的一层。这次戴维真的成功了，他电解出了金属钾。 钱三强 在法国留学期间，钱三强在巴黎大学镭学研究所居里实验室和法兰西学院原子核化学实验室从事原子核物理的研究工作。这期间，钱三强在原子核物理学领域中做出了很多成就。 首先，他与约里奥·居里合作，用中子打击铀和钍得到放射性的镧同位素，从它们的β射线能谱证明它们是同一种同位素。这对解释当时发现不久的核裂变现象是有力的支持。 他还首次从理论和实验上确定了 50000电子伏特以下的中低能电子的射程与能量的关系。并且与布依西爱和巴什莱合作，首次测出了镤的α射线的精细结构，并与电子内转换的γ谱线符合得很好。 他最大的成就是与妻子何泽慧、两个法国研究生沙士戴勒和微聂隆合作，发现了铀的三分裂和四分裂现象。这个发现使他们异常兴奋，但他们并没有立即发表，因为当时科学家们一致认为原子核分裂只有二分裂的可能。钱三强根据实验继续分析研究，最终得出了能量与角分布等的关系，对三分裂现象从实验与理论两方面作出了全面的论述。 经过十几年的考验，这一发现已得到公认，尤其是到50年代获得新的实验手段后，从第二裂片的同位素质量谱、射程、发射角度等都说明他的解释与实验证据以及电子计算机计算结果相符合。这一发现被人们认为是第二次世界大战后居里实验室和法兰西学院原子核化学实验室第一个重要成果。 在钱三强要返回祖国时，约里奥·居里夫妇送给他一份鉴定书，上面写着：十年期间，在那些到我们实验室来由我们指导工作的同代人中，钱三强最优秀，我们这样说，并不言过其实。 钱三强回国后培养了一批从事研究原子核科学的人才，并且建立起中国研究原子核科学的基地。从1955年起，他参加了原子能事业的建立和组织工作，将近代物理研究所改良为原子能研究所，领导并促进了这一事业的发展以及有关科技工作的开展，对中国科学院和中国原子能事业的建设、计划和学术领导都作出了贡献。 诺贝尔 诺贝尔的父亲是一位颇有才干的发明家，倾心于化学研究，尤其喜欢研究炸药。受父亲的影响，诺贝尔从小就表现出顽强勇敢的性格，他经常和父亲一起去实验炸药。多年随父亲研究炸药的经历，也使他的兴趣很快转到应用化学方面。 1862年夏天，他开始了对硝化甘油的研究。这是一个充满危险和牺牲的艰苦历程。死亡时刻都在陪伴着他。 在一次进行炸药实验时发生了爆炸事件，实验室被炸的无影无踪，5个助手全部牺牲，连他最小的弟弟也未能幸免。这次惊人的爆炸事故，使诺贝尔的父亲受到了十分沉重的打击，没有多久就去世了。他的邻居们出于恐惧，也纷纷向政府控告诺贝尔，此后，政府不准诺贝尔在市内进行实验。 但是诺贝尔百折不挠，他把实验室搬到市郊湖中的一艘船上继续实验。经过长期的研究，他终于发现了一种非常容易引起爆炸的物质－－雷酸汞，他用雷酸汞做成炸药的引爆物，成功地解决了炸药的引爆问题，这就是雷管的发明。它是诺贝尔科学道路上的一次重大突破。 矿山开发、河道挖掘、铁路修建及隧道的开凿，都需要大量的烈性炸药，所以硝化甘油炸药的问世受到了普遍的欢迎。诺贝尔在瑞典建成了世界上第一座硝化甘油工厂，随后又在国外建立了生产炸药的合资公司。但是，这种炸药本身有许多不完善之处。存放时间一长就会分解，强烈的振动也会引起爆炸。在运输和贮藏的过程中曾经发生了许多事故，针对这些情况，瑞典和其他国家的政府发布了许多禁令，禁止任何人运输诺贝尔发明的炸药，并明确提出要追究诺贝尔的法律责任。 面对这些考验，诺贝尔没有被吓倒，他又在反复研究的基础上，发明了以硅藻土为吸收剂的安全炸药，这种被称为黄色炸药的安全炸药，在火烧和锤击下都表现出极大的安全性。这使人们对诺贝尔的炸药完全解除了疑虑，诺贝尔再度获得了信誉，炸药工业也很快地获得了发展。 在安全炸药研制成功的基础上，诺贝尔又开始了对旧炸药的改良和新炸药的生产研究。两年以后，一种以火药棉和硝化甘油混合的新型胶质炸药研制成功。这种新型炸药不仅有高度的爆炸力，而且更加安全，既可以在热辊子间碾压，也可以在热气下压制成条绳状。胶质炸药的发明在科学技术界受到了普遍的重视。诺贝尔在已经取得的成绩面前没有停步，当他获知无烟火药的优越性后，又投入了混合无烟火药的研制，并在不长的时间里研制出了新型的无烟火药。 诺贝尔一生的发明极多，获得的专利就有255种，其中仅炸药就达129种，就在他生命的垂危之际，他仍念念不忘对新型炸药的研究。 李 政 道 李政道出生于上海，他自幼酷爱读书，整天手不释卷，连上卫生间都带着书看，有时手纸没带，书却从未忘带。抗战争时期，他辗转到大西南求学，一路上把衣服丢得精光，但书却一本未丢，反而一次比一次多。 1946年，20岁的李政道到美国留学，当时他只有大二的学历，但经过严格的考试，竟然被芝加哥大学研究生院录取。3 年后便以“有特殊见解和成就”通过了博士论文答辨，被誉为“神童博士”，当时他才23岁。 李政道对近代物理学的杰出贡献是：1956 年和杨振宁合作，深入研究了当时令人困惑的θ-τ之谜，并且提出了“李一杨假说”，即在基本粒子的弱相互作用中宇称可能是不守恒的，后来这一假说被华裔女物理学家吴健雄用实验所证实，从而推翻了过去在物理学界被奉为金科玉律的宇称守恒定律，为人类在探索微观世界的道路上打开了一扇新的大门。他因此也获得了1957年度诺贝尔物理学奖。 一项科学工作在发表的第二年就获得诺贝尔奖，这还是第一次。李政道又是到那时为止历史上第二个最年轻的诺贝尔奖获得者。 李政道在其他方面的重要工作还有： 1949年与M.罗森布拉斯和杨振宁合作提出普适费密弱作用和中间玻色子的存在。 1951年提出水力学中二维空间没有湍流。 1952年与D.派尼斯合作研究固体物理中极化子的构造。同年与杨振宁合作，提出统计物理中关于相变的杨振宁-李政道定理和李-杨单圆定理。

质子和电子的发现近代的原子－分子学说 宇宙万物的原始组成，自古以来在世界各地都引起人们有极大的兴趣。我国古代的五行学说认为，万物是由金、木、水、火、土五种基本元素组成的。古代希腊人把气与水、火、和土并列为世界的四种基本物质元素。2000多年前，希腊哲学家德谟克利特主张宇宙万物只有一种起源，即他称为“原子”的一种极小颗粒，他认为原子不可分割，无质的区别而只有大小、形状的差异，“原子”和“虚空”是万物的本原。随着人类文明的进步和近代科学的兴起，古代的五种（或四种）基本元素的概念越来越不能说明化学研究是出现的新现象。“原子”这一模糊的概念随着控化学和物理学的发展而获得了更加明确和丰富的意义。 19世纪，英国化学家和物理学家道尔顿提出了原子论，他认为，化学元素是由非常微小的、不可再分割的物质粒子即原子组成，原子是不可改变的。化合物由分子组成，而分子是由几种原子化合而成，是化合物的最小粒子。同一元素的所有原子相同，不同元素的原子不同。只有以整数比例的元素的原子相结合时，才会发生化合，在化学反应中，原子仅仅是重新排列，而不会创生或消失。接着，意大利物理学家阿伏加德罗提出了分子的概念，他指出：所有相等体积的气体，无论是元素、化合物还是混合物，都有相等的分子数。气体元素的最小粒子不一定是单原子，很可能是由多个原子结合成的单一分子，同等体积的气体原子数日虽然不同，但分子数目是一样的。但是在接着的近半个世纪，人们没有重视阿伏加德罗的理论，化学家们根据不同的标准，测得的相对原子量也不同。到了1858年，意大利化学家坎尼查罗提出，只有接受阿伏加德罗定律，才能真正解决化学式问题和原子量问题，他的观点得到了人们的赞同，近代的原子-分子论确立了。接着，人们发现了大量的元素并测定了精确的原子量，到1869年，俄国化学门捷列夫提出元素性质与元素的原子量之间存在周期性变化规律，并给出了第一张元素周期表，1871年，他又发表了修正的第二张元素周期表。放射性和电子的发现 十九世纪末，德国物理学家伦琴发现了X射线。法国物理学家贝克勒尔在研究荧光物质是否与X射线有关时意外地发现铀能使用黑纸包起来的底片感光，进一步研究后，他得出结论，这是新射线是从铀原子本身发射出的，铀具有放射性。放射性的发现打开了一个巨大的新的研究领域，这不仅使原有的原子观念发生了重要变化，也是人们认识原子核的开始。接着，居里夫妇发现钍、钋、镭等元素也具有放射性，并发现了放射性衰变的定量规律并引入了半衰期的概念：每一种放射性元素的原子都有一定概率进行特定的衰变，有N个原子的元素在一段时间后就会因为衰变而只剩下N/2个，这段时间就叫做该元素的半衰期。由于研究放射性的贡献，贝克勒尔和居里夫妇被共同授予1903年的诺贝尔物理奖。 X射线的发现不仅导致了放射性物质的发现，也促进了电子的发现。1897年，英国物理学家汤姆逊证明，阴极射线（真空管内金属电极在通电时其阴极发出的射线）是一种粒子流，其质量只有氢离子的千分之一，汤姆逊将其命名电子，它是电荷的最小单位，比原子更小，是一切化学原子的共同组成部分。电子是从阴极内释放出来的，而这种阴极则是由金属原子组成，可见电子是从原子中放出来的。卢瑟福的原子模型和原子核 在放射性研究中，人们发现放射性物质所发出的射线实际属于不同的种类，放射性以α、β或γ射线三种方式释放出来，它们后来被更加具体地加以识别，α射线是高速的氦原子核，带正电；β射线是电子，带负电；那些不受电磁影响的电磁波称为γ射线（实际上是高能量的质子）。 新西兰物理学家卢瑟福发现：在聚集起来的、电中和了的α粒子中显示出氦的黄色光谱线，证实了α粒子和氦离子的同一性，也证明了氦元素起源于其他元素。除了少数例外，一种放射性元素或者发射α射线、或者发射β射线，发射α射线的元素变成周期表中居于前两位的元素，其质量减少4，发射β射线的变成周期表中居于下一位的元素，质量不变。伴随着α或β衰变，常常会放射出γ射线，γ射线贯穿力特别强，是一种能量高的电磁辐射，γ射线不会引起元素在周期表上位置的变化，只是释放该元素原子内部过剩的能量。 放射性的发现说明了原子具有复杂的内部结构，也打破了长期以来人们认为原子是永恒不变的观念，因为天然放射性元素的原子就在不断地以一定规律进行变化。但是，能不能使自然界是稳定的元素原子也发生变化？卢瑟福想到，α粒子是从放射性元素的原子是释放出来的，如果将α粒子当作"炮弹"打进稳定元素的原子去，会有什么结果？ 1910年，卢瑟福与其他科学家合作进行了α粒子在金和其他金属薄膜中的散射试验。根据试验的结果，卢瑟福建立了原子的有核模型：原子的正电荷和质量集中在原子中心一个很小的区域内，并把它叫做原子核，原子中的电子像行星绕着太阳那样绕着原子核运动，原子中的空间也像太阳系中的空间一样，绝大部分是空荡荡的。由于原子表现出电中性，原子核一定是带正电的，其带电量与核外电子所带负电量一样。 1914年，卢瑟福用阴极射线轰击氢，结果使氢原子的电子被打掉，变成了带正电的阳离子，它实际上就是氢的原子核，也是最轻的原子核。卢瑟福推测，它就是人们从前所发现的与阴极射线相对的阳极射线，它的电荷量为一个单位，质量也为一个单位，卢瑟福将它命名为质子。在新的原子模型的基础上，卢瑟福估计原子核的半径约为10-14米，大约只有原子半径的万分之一。原子的绝大部分质量集中在如此小的原子核内，因此核内物质的密度极高，它比通常物质的密度大约高出1012倍，1立方厘米的核物质将有约千吨重的量级。 1919年，卢瑟福用加速了的高能α粒子轰击氮原子，结果发现有质子从氮原子核中被打出，而氮原子也变成了氧原子。这可能是人类第一次真正将一种元素变成另一种元素，但是，这种元素的嬗变暂还没的衫价值，因为几十万个粒子中才有一个被高能粒子打中。到1924年，卢瑟福已经从许多轻元素的原子核中打出了质子，进一步证实了质子的存在。 卢瑟福在实验基础上建立了原子的核模型，提示了原子核这一物质更深层次的存在，他和他直接或间接指导过的许多世界各地的物理学家形成了一个大的学派，一切从实际出发了几十年原子核物理研究和核技术应用的兴旺发达局面。他是原子核物理的开拓者，也是探索原子核奥秘的带头人。中子的发现 发现了电子和质子之后，人们一开始猜测原子核由电子和质子组成，因为α粒子和β粒子都是从原子核里放射出来的。但卢瑟福的学生莫塞莱注意到，原子核所带正电数与原子序数相等，但原子量却比原子序数大，这说明，如果原子核光由质子和电子组成，它的质量是不够的，因为电子的质量可忽略不计。在此基础上，卢瑟福早在1920年就猜测可能还有一种电中性的粒子。 卢瑟福的另一位学生--英国物理学家查德威克在卡文迪什实验室里寻找这种电中性粒子，他一直在设计一种加速方法使质子获得高能，从而撞击原子核，以发现有关中性粒子的证据。1929年，他准备对铍原子进行轰击。 与此同时，德国物理学家博特及其学生贝克尔已经先行一步。他们共同合作用α粒子轰击一系列元素，在对铍元原子核进行轰击实验时，发现有一种未知辐射产生。为了确定这种辐射的一些性质，他们试着把各种物体放在辐射经过的路途上，结果发现这种辐射的贯穿能力极强，能穿透几厘米厚的铅板。当时知道，能有这样强辐射能力的只有γ射线。因此，他们认为这种辐射是γ射线的一种。 1931年，法国物理学家居里夫妇用当时最强大的放射性钋Po源所产生的α射线重复了博特-贝克尔的实验，研究了用α粒子轰击铍时发生的"铍辐射"，除了得到与博特-贝克尔相同的结果外，他们还惊奇地发现，这种辐射能将含氢物质中的质子击出。人们从未发现γ射线具有这种性质，但居里夫妇想不出这种辐射还能是什么别的东西。他们仅仅报道说，发现α射线能够产生一种新的作用。 1932年这些结果公布后，见到德国和法国同行的实验结果，查德威克意识到，这种新射线可能就是多年来苦苦寻找的中子。他立即利用实验室的优越条件重复了同样的实验，证明所谓"铍辐射"是电中性的粒子流，而且这种粒子具有几乎与质子相等的质量。不到一个月，查德威克就发表了《中子可能存在》的论文，他指出，γ射线没有质量，根本不可能将质子从原子核是撞出来，只有那些与质子质量大体相当的粒子才有这种可能，他并且测量了中子的质量，确证了中子确实是电中性的。 电子的发现上个世纪中随着加速器技术的不断进步，“基本”粒子像大雨一般倾泻而下，然后再被理论和实验证明为“不基本”而逐一排除。在这之中有一个异类，它是最早被人们所认识的亚原子粒子，但自从它被发现以来，就一直坐在“基本粒子”的宝座上，一百多年来都未被撼动。这个基本粒子家族中的辈分最高者就是电子。尽管电子的发现是在1897年，但做好这个发现的准备用了可以说将近一个世纪。1811年阿伏伽德罗提出阿伏伽德罗假说：同温同压同体积的气体含有同样多的分子。这位老兄比较悲惨，他死于1956年，但他的假说直到1960年才被普遍接受，假说才被换成“定律”。科学史上这种死后才被平反的例子举不胜举，同样比较惨的还有数学天才伽洛瓦，二十岁尝遍人间艰辛，死于决斗，死后十四年成果才被发表。波动光学的提出者惠更斯在有生之年都被牛顿打压，直到死后四十年他的成果才被承认……大家感兴趣可以google一下。在1833年，阿氏定律仍是假说时，法拉第提出了电解定律，说1摩尔任何原子的单价离子带的总电量相同。如果把这个结果和阿氏假说结合起来就可以推测到电荷一定存在最小单位。但是这个结合一直没有人敢做——都是“假说”这两个字害的。直到阿氏定律被平反之后的1874年，斯通尼才走出了这一步，并结合实验结果推出了这一基本电荷电量的近似值，并于1881年正式将其命名为“电子”。看见了吧，电子的名字都有了，但人们却连它的影子还没看到。也许你不会相信，在19世纪末，人们在原子是否存在这个问题上还存在相当程度的争执。所以人们对物质基本结构的观念基本上还是一片空白，根本没有预料到电子的发现会在什么场合，什么现象中，它和原子又有什么样的关系。现在虽然人们普遍承认电子是由汤姆孙在1897年发现的，但事实上在他之前有不止一个人做过类似的实验。我们来看看究竟是什么不同让汤姆孙最终获得了这个荣誉。这几个人做的实验都是关于阴极射线的。所以在说发现电子的实验之前我们需要先看看什么是阴极射线。阴极射线顾名思义是阴极放出来的射线。我们现在知道它实际上就是电子束。阴极射线是怎样产生的呢？学过高中物理的同学都知道光电效应，也知道光电流的产生，即电子脱离金属表面，需要光子提供一个溢出功。这个溢出功当然不是只有光子才能提供，任何来源的能量都是一样的。所以我们可以将金属加温，让其温度变得很高，高温相当于粒子热运动加剧，电子热运动动能足够大时同样可以从金属表面溢出。这时我们再以这块金属作为阴极（负极），在相距一定距离的地方设一个正极，溢出金属表面的电子就可以在电场作用下向阳极运动，形成电子束即阴极射线。在汤姆孙实验之前，克鲁克斯已经提出阴极射线是由带负电的微粒组成的，因而汤姆孙就能够在这个观点的指引下直接去测这种微粒的电荷、质量，而不用费脑筋再去考虑阴极射线的本质。这一点其实是很关键的，我下边会提到。汤姆孙实验的原理其实很简单，电子在与其运动方向垂直的电场中会偏转，实验中表现为阴极射线的的打在与其正对的荧光屏上的点会偏移。由其偏移的方向可以判断出阴极射线带负电。再加上一个和电场方向相反的磁场，电子受的洛仑兹力与电场力反向，当光点偏移为零时说明二力相等。从两个力的比值可以求得电子的电荷和质量之比。汤姆孙在这些数据的基础上，宣布了电子的存在。做类似实验的两个人，其中之一就是大名鼎鼎的赫兹。麦克斯韦的电磁理论在他有生之年一直未被承认（哦，这又是死后平反的一个例子，上面忘了说了），直到死后八年才被赫兹的电磁波实验证实。麦克斯韦方程组是很伟大的，证实它的实验也同样伟大，而且赫兹还有幸发现了光电效应。但很可惜上帝没能再多给他一个荣誉。科学研究有所谓“嗅觉”一说，大意就是你能不能找到正确的方向。爱因斯坦很是鼓吹这个，同样的好像还有杨振宁。但我不知道在一定意义上成者王侯败者寇的科学史上，这种所谓“嗅觉”是不是运气成分居多，毕竟爱因斯坦的“嗅觉”在他后半生可是没起什么好作用（关于统一场论，我以后会细说）。赫兹做的实验从原理上说和汤姆孙一样，都是在阴极射线垂直方向加电场，又比汤姆孙早了好几年，按理说是占据先机的，但却得到了错误的结果。原因嘛，不能免俗，分为主观和客观。客观上有一个很致命的原因，就是赫兹做实验的时候真空技术还不够火候，残余空气分子电离，将外加的静电场的抵消了，结果是阴极射线的荧光轨迹看起来根本不偏转，于是赫兹认为阴极射线不带电。主观原因恰恰出在赫兹最出名的成果——电磁波上。赫兹坚持认为阴极射线是一种电磁波，这个无偏转的实验进一步证实了他的看法，于是他在剩下的日子里一直守住这个观点不放。赫兹的“嗅觉”在这上面出了问题。而汤姆孙从一开始就倾向于相信阴极射线是由微粒组成，这在一定程度上导致了他的最终成功。与赫兹相比，更倒霉的是德国的考夫曼。他也做了类似的实验，时间同样是在1897年。但他测得的电子电荷质量比远比汤姆孙的精确，与现代值仅相差百分之一，他甚至还得到了这个比值随电子速度变化而变化的结果，这不是别的，正是爱因斯坦的狭义相对论效应，而这时离狭义相对论诞生还有八年！考夫曼本应由于这个实验扬名立万的，但他纯粹是由于自己的偏见——认为阴极射线不可能是粒子，而不敢发表自己的成果，一直压到1901年才发表。这样一来，我们可以看到汤姆孙从一开始就相信阴极射线是由粒子组成是多么重要了吧。关于电子发现的历史暂且先说到这里。最后说几个关于电子的稍微现代一点的事实。电子发现得最早，而且是最适宜研究的基本粒子。看一下上一章里列出的所有基本粒子，电子比其他的轻子寿命长的多（一个“多”字太苍白了，如同属轻子的μ子寿命在10的负6次方秒，而电子根本不衰变），比中微子容易和其他粒子作用（一个中微子可以轻松地穿过1000光年厚的铅版），相比其他如夸克（由于色禁闭不能直接观测）、W、Z什么见都见不着的，实在是再理想不过的观测对象了。但时至今日，仍未发现电子有任何内部结构，依然是纯粹的点。尽管近年来实验观测到电子周围有由于真空极化机制（以后会说）产生的虚粒子“气”，但显然这不能算作电子自身的结构。另外，我们认为电子的电量和质子的电量是相等的，但这完全是基于实验结果的一个假定（目前精确到10的负21次方），并没有更深层的理论可以导出这一点。最后，电子的质量由于相对论效应随着运动速度的增大而增大，但电子的电荷却是严格不变的，其中有什么原理现在还不得而知。