物理學史--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，古希臘哲學家德謨克利特(Democritus)提出了這一概念，并把它當作物質(zhì)的最小單元。,17世紀，通過卡文迪許和拉瓦錫等許多化學家的工作，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等等。隨著幾十種元素的發(fā)現(xiàn)，英國化學家道爾頓提出了新的原子學說。他認為物質(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，英國科學家約翰 · 道爾頓(John Dalton)提出原子論。他認為原子類似于剛性的小球，它們是物質(zhì)世界的基本結構單元，是不可分割的。,道爾頓用他的學說說明了化學中的物質(zhì)不滅定律等。道爾頓的原子說是根據(jù)事實概括的結果，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、德科學家的大爭論.由德國一些物理

3、學家組成的論戰(zhàn)一方主張，陰極射線是以太的特殊振動；由英國、法國一些物理學家組成的論戰(zhàn)另一方認為，陰極射線是帶負電的粒子流.問題一直得不到公認.本來，克魯克斯在1879年的幾個實驗就足以證明粒子論者的觀點是正確的，但由于當時普遍認為原子不可再分，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)時還未結束.到1897年，湯姆生走上了科學實驗的舞臺，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，“電原子”概念就開始進入了法拉第的電解定律.利用這個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，因為它表示了用多少電量來析出1克當量元素. 對于一價氫離子，這正好是它的荷質(zhì)比.我們現(xiàn)在知道，F(xiàn)=9649.4庫／克當量.對于氫元素，1克當量等于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），證實了這個比值是唯一的。許多科學家為測量電子的電荷量進行了大量的實驗探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國科學家密立根于1917年用實驗測得的。密立根在前人工作的基礎上，進行基本電荷量e的測量，他作了上百次測量，一個油滴要盯住幾個小時，可見其艱苦的程度。密立根通過油滴實驗，精確地測定基本電荷量e的過程.,19世紀后半期

6、，分子運動論有了進一步發(fā)展，人們逐步建立起近代的原子分子學說。但是原子分子是否存在，一直沒有用實驗證實。,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年盧瑟福和化學家索迪合作，通過實驗發(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。這些事實打破了道爾頓以來人們認為原子不可再分割的觀念。,1905年，愛因斯坦用分子運動論的觀點從理論上解釋布朗運動獲得成功，他還提出了測定分子大小的新方法。,1908

7、年，法國物理學家佩林按愛因斯坦的方法，用實驗測定了分子的大小，結果跟愛因斯坦預言的一致，終于在科學界確認了現(xiàn)代分子原子學說。,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、．當平行板間不加電場和磁場時，電子水平打到熒光屏的O點；當兩平行板間電壓為U時，在熒光屏上S點出現(xiàn)一亮點，測出OS=H；當偏轉(zhuǎn)板中又加一磁感應強度為B垂直紙面向里的勻強磁場時，發(fā)現(xiàn)電子又打到熒光屏的O點,1909年，英國物理學家盧瑟福(E. Rutherford) 在他的學生蓋革(H. Geiger)和馬斯登(E. Marsden)的協(xié)助下，發(fā)現(xiàn) ?粒子轟擊原子時，大約每八千個 ?粒子中有一個被反射回來。湯姆遜模型無法對該實驗結果做出解

9、釋。盧瑟福根據(jù)實驗結果于1911年提出了原子的“核式結構模型”(也被稱為“盧瑟福行星模型”),E. Rutherford，1908年諾貝爾化學獎得主，外號：鱷魚。,,盧瑟福的“核式結構模型” 可以解釋? 粒子散射實驗結果，因此比湯姆遜模型更符合實際情況。,,盧瑟福的“行星模型”的雖然可以解釋?粒子散射實驗結果，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，盧瑟福的一個學生——丹麥物理學家尼爾斯 

10、3; 玻爾(Niles Bohr)在盧瑟福的“行星模型”的基礎之上于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，二十世紀世界最偉大的物理學家之一，量子理論的主要奠基人。1922年諾貝爾物理獎得主。,玻爾理論后經(jīng)索末菲等人的改進。索末菲從實驗事實出發(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量子數(shù)。這第四個量子數(shù)直到1925年才被科學家弄清楚，原來是繞核旋轉(zhuǎn)的電子的自旋量子數(shù)。,1925年泡利在研究四個量子數(shù)跟原子核外電子排布的關系時，發(fā)現(xiàn)了泡利不相容原理：在同一原子內(nèi)，在一個原子中不可能有兩個或兩個以上的電子具有完全相同的四個量子數(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

12、完全建立了起來。,1941年底，在物理學家康普頓(Arthur Compton)的組織協(xié)調(diào)下，費米主持了原子反應堆的建造和實驗。,康普頓(Arthur Compton, 1892-1962)，美國著名物理學家，因?qū)灯疹D效應的研究而被授予1927年諾貝爾物理獎。,羅伯特·安德魯·密立根(Robert Andrews Millikan,1868～1953)，美國著名實驗物理學家。1896年-1921年間，密立根在世界

13、頂級學府芝加哥大學進行了一系列測定電子電荷以及光電效應的卓越工作，包括著名的油滴實驗，因而獲得1923年諾貝爾物理學獎。,測定元電荷密立根以其實驗的精確著名。從1907年一開始，他致力于改進威耳遜云霧室中對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，當他準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，他發(fā)現(xiàn)的是云層消散后“有幾顆水滴留在機場中”，從而創(chuàng)造出測量電子電荷的平衡水

14、珠密立根油滴實驗法、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，使油滴可以在電場力與重力平衡時上上下下地運動，而且在受到照射時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，就從實驗上確證了元電荷的存在。他測的精確值最終結束了關于對電子離散性的爭論，并使許多物理常數(shù)的計

15、算獲得較高的精度。,利用密立根油滴實驗儀驗證電荷的不連續(xù)性，并求出電子所帶的電量。,實驗內(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，則布朗運動明顯。 2、用平衡法測量油滴勻速下降2mm所用的時間。共選擇5顆油滴，每個油滴測量5次。 3、計算每個油滴的帶電量，然后計算電子電荷。這里我們采用倒過來驗證的方法 ，即用公認的電子電量值去除每個油