放射性的发现及原子核的认知

1896年，法国物理学家贝克勒尔发现某些物质能自发地放射出某种看不见的射线，并将其形象地称为放射性。后来证明，这些射线是从原子核中释放出的带电粒子或光子。1897年，卢瑟福和汤姆生通过在磁场中研究铀的放射线偏转，发现了带正电荷的α射线和带负电荷的β射线。β射线后来被证明是电子束，随后不久维拉德发现了电中性的γ射线。

1898年，皮埃尔·居里和玛丽·居里夫妇经过对沥青铀矿的提炼，从中发现了一种比铀的放射性强数百倍的新元素，并以居里夫人的祖国波兰为其命名“钋（Po）”。1902年，居里夫人新提炼出放射性强于铀200万倍的元素镭（Ra）。因为在发现放射性方面做出的贡献，1903年，贝克勒尔与居里夫妇共同获得诺贝尔物理学奖。

1909年，卢瑟福用α粒子轰击金箔时发现，绝大部分α粒子直接穿过金箔，也有极少数α粒子以很大的角度反弹回来，这表明金原子内部有一个体积很小但非常坚实的核心，因此原子结构的“行星模型”得以提出并适用至今，即带负电荷的电子围绕一个带正电荷且质量大、体积很小的原子核运转，就像行星围绕着太阳运转。见下图1－1。

图1－1　α粒子轰击金箔实验及行星模型(www.xing528.com)

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，卢瑟福推测，这个带正电的阳离子是正电荷的单元，并将其命名为质子。

1928年，德国物理学家波特用α粒子轰击铍原子，发现了一种贯穿能力很强的电中性射线。1932年，居里夫妇也做了类似实验并得出相同结论。同年，查德威克经过实验和计算，指出这种电中性的射线是中子。

中子的发现使人们认识到原子核内部可能有着更为复杂的结构。随着近现代物理学发展，简化后的原子核模型可较直观地看作是由质子和中子“粘”在一起的小球。原子核直径在10－15米至10－14米之间，虽然其体积只占原子体积的几千亿分之一，但却集中了原子99.96%以上的质量，密度极大，约为1017千克/立方米，即1立方米的体积如果装满原子核，则质量将达到100万亿吨。

中子不带电，与原子核之间没有静电斥力，容易同原子核发生作用。1938年，德国的哈恩和斯特拉斯曼，在用中子轰击铀原子核的实验中发现了异常现象，经奥地利的迈特纳从理论上解释，确定为核的裂变。随后多个实验室经过重复实验，证实了核裂变及其释放出的巨大能量。1939年，法国的约里奥－居里和在美国的意大利人费米先后证明，铀原子核在分裂过程中释放2个到3个中子，从而确定了产生自行持续的裂变链式反应的可能性，核能应用领域相关研究由此更广泛地展开。