人工打破原子核模型—五堂极简科学史课

如果说原子有核结构的发现宣告了原子物理的正式诞生，那么人工打破原子核和实现元素的人工转变又宣告了原子核物理的出现。

（1）人工打破原子核是怎样发现的

放射性元素的衰变使人类发现元素的原子是可以改变的，不过这种改变是由于放射性元素的原子靠自身结构的不稳定性而自发产生的，也就是说它们是天然的本性。古代和近代前期炼金术士们千百年来企图点石成金而发财致富的梦想，虽然在近代中、后期被认为是迷信和不可能实现的，但是这个梦却在不少人的头脑中潜藏着并时隐时现。原子核的发现使科学家们知道了元素的性质和这些性质不同的根本原因在于原子核结构的相对稳定性，如果人们能够找到一种手段打破原子核并予以改变，就能够按人的意愿改变元素，古代炼金术的梦想或许就能够实现！

1914年，还是帮助卢瑟福实验发现金原子大角散射α粒子的马斯顿在用α粒子轰击氢原子时，发现从氢中打出了一种反常的粒子，它表现出的性质有些不凡，却不了解它究竟来自何处？到底是什么？作为一个研究生，他立即写信给远在澳大利亚开学术会议的导师卢瑟福，卢瑟福回信说：“如果你没有这个能力就等我回去再实验。”卢瑟福回到曼彻斯特时，第一次世界大战爆发，马斯顿按规定要走上军事岗位，而卢瑟福也很快参加了海军部检测潜艇技术的军事科研岗位，但是作为一位颇有经验和洞察力的科学家，他又一次抓住新的反常现象并牢记在心。

到了1917年11月初，战争的胜负已经有了眉目，卢瑟福有了些休闲时间，就回到曼彻斯特自己的实验室，这时全室只有一个管理员在看门，他独自重做马斯顿的实验，果然发现了同样的异常现象，他仔细实验，排除了新的粒子来自放射性元素、油污和其他的可能性，最后发现它来自氢原子本身。接着，他又用α射线轰击空气的分子，发现从氮的原子中也放出了同样性质的粒子。这些现象使富于洞察力的卢瑟福认识到，这是α粒子将氢原子和氮原子的原子核打破了，放出了氢的原子核，即质子。这是人类历史上首次人工打破了原子核，他知道其意义是巨大的，但是他又不得不返回伦敦做他的军事研究，将打破原子核的事情搁置下来。

1919年，第一次世界大战结束后，卢瑟福回到曼彻斯特，重新招募人马，准备成立放射性研究中心，培养博士生，并且又继续做了新的人工打破原子核的实验，加以整理和总结，写出了由四个部分组成的系列论文《α粒子与轻的原子核碰撞》，可称之为“四部曲”，分四篇在《哲学杂志》上连续发表。在这系列论文中，他不但宣布了人工打破了氢和氦的原子核，并且提出氢有两种同位素氘和氚，它们的化学性质及原子序数都相同，但是原子量却成倍地不同，他还提出氦有同位素氦3，即原子量为3的氦。卢瑟福在想，原子序数是由原子核的正电荷大小决定的，而原子核的正电荷数是由原子核内的质子数决定的，因为质子带一个正电荷，那么同位素与它们的母元素的原子量成整倍数，说明了原子核内一定有了质量与质子相同的中性粒子存在，这种中性粒子的个数就决定了一种元素有几种同位素。他经过几年的考虑后，于1922年在皇家学会发表的讲演中，第一次提出了中子的预言：一个电子同氢原子核紧密结合，形成中性的偶极子是可能的，并且预言了中性偶极子的外电场是零，即中性的，因此它能够轻易地进入原子结构和穿过物质，难以用光谱仪测到。后几年，他又做了许多新的说明和预测，直到1927年才提出了他预计的原子核结构模型。(www.xing528.com)

（2）关于原子核结构模型的预想

1927年9月，卢瑟福发表了一篇论文《放射性原子结构和α射线的起源》，在这篇论文中他不再称“中性偶极子”和“中性卫星”，而定名为中子。他说从他的助手阿斯顿（F.Aston，1877—1945）发明的质谱仪测出的各种同位素来看，中性卫星的质量不会是2或3，而可能是1的中子。这说明中子显然是由电子和质子紧密结合的，因为电子的质量只是质子质量的1/1840，所以可近似地认为中子的质量与质子的质量相同而为1，这样就可以合理地说明氢的同位素氘和氚的原子量为氢原子量1的2和3倍，即2和3。

基于上面的认识，卢瑟福很自然地得出原子核是由质子和中子构成的，原子核的质量等于质子个数和中子个数的总和，或近似地说是质子和中子个数与1的乘积。由此可见，虽然中子到1932年才由他的助手查德威克（J.Chadwick，1891—1974）沿着他的预言和思路而发现，但是他竟能够在这个发现之前10年预言了中子及其准确的性质，并且在5年之前就提出了原子核由质子和中子组成的原子核结构模型的设想，确实令科学界惊讶。

在1932年查德威克发现中子之后，德国著名的理论物理学家海森伯（W.K.Heisenberg，1901—1976）和苏联的伊凡宁柯等提出原子核由质子、中子和电子组成的原子核模型。由于他们是根据中子的发现这个事实提出的，所以后来科学界不少人认为原子核结构模型是他们提出的，其实他们不了解卢瑟福早在1927年不但命名了中子，而且还准确地提出了原子核结构模型。海森伯曾经说过“原子物理的真正奠基者是卢瑟福”，而国际科学界也一致认为卢瑟福是核物理的奠基人，其中就包括了他提出了原子核结构模型的预想。