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卢瑟福原子模型

卢瑟福原子模型 又称“有核原子模型”、“原子太阳系模型”、“原子行星模型引”。关于原子结构的一种模型。1911年由卢瑟福提出。认为原子的质量几乎全部集中在直径很小的核心区域,叫原子核,电子在原子核外绕核作轨道运动。原子核带正电,电子带负电。

英国物理学家欧内斯特卢瑟福(Ernest Rutherford,1871~1937)1895年来到英国卡文迪许实验室,跟随汤姆逊学习,成为汤姆逊第一位来自海外的研究生。卢瑟福好学勤奋,在汤姆逊的指导下,卢瑟福在做他的第一个实验放射性吸收实验时发现了α射线。

卢瑟福设计的巧妙的实验,他把铀、镭等放射性元素放在一个铅制的容器里,在铅容器上只留一个小孔。由于铅能挡住放射线,所以只有一小部分射线从小孔中射出来,成一束很窄的放射线。卢瑟福在放射线束附近放了一块很强的磁铁,结果发现有一种射线不受磁铁的影响,保持直线行进。第二种射线受磁铁的影响,偏向一边,但偏转得不厉害。第三种射线偏转得很厉害。

卢瑟福在放射线的前进方向放不同厚度的材料,观察射线被吸收的情况。第一种射线不受磁场的影响,说明它是不带电的,而且有很强的穿透力,一般的材料如纸、木片之类的东西都挡不住射线的前进,只有比较厚的铅板才可以把它完全挡住,称为γ射线。第二种射线会受到磁场的影响而偏向一边,从磁场的方向可判断出这种射线是带正电的,这种射线的穿透力很弱,只要用一张纸就可以完全挡住它。这就是卢瑟福发现的α射线。第三种射线由偏转方向断定是带负电的,性质同快速运动的电子一样,称为β射线。卢瑟福对他自己发现的α射线特别感兴趣。他经过深入细致的研究后指出,α射线是带正电的粒子流,这些粒子是氦原子的离子,即少掉两个电子的氦原子。

“计数管”是来自德国的学生汉斯盖革(Hans Geiger,1882-1945))发明的,可用来测量肉眼看不见的带电微粒。当带电微粒穿过计数管时,计数管就发出一个电讯号,将这个电讯号连到报警器上,仪器就会发出“咔嚓”一响,指示灯也会亮一下。看不见摸不着的射线就可以用非常简单的仪器记录测量了。人们把这个仪器称为盖革计数管。藉助于盖革计数管,卢瑟福所领导的曼彻斯特实验室对α粒子性质的研究得到了迅速的发展。

1910年马斯登(E.Marsden,1889-1970)来到曼彻斯特大学,卢瑟福让他用α粒子去轰击金箔,做练习实验,利用荧光屏记录那些穿过金箔的α粒子。按照汤姆逊的葡萄干蛋糕模型,质量微小的电子分布在均匀的带正电的物质中,而α粒子是失去两个电子的氦原子,它的质量约为电子质量的7300倍。当这样一颗重型炮弹轰击原子时,小小的电子是抵挡不住的。而金原子中的正物质均匀分布在整个原子体积中,也不可能抵挡住α粒子的轰击。也就是说,α粒子将很容易地穿过金箔,即使受到一点阻挡的话,也仅仅是α粒子穿过金箔后稍微改变一下前进的方向而已。这类实验,卢瑟福和盖革已经做过多次,他们的观测结果和汤姆逊的葡萄干蛋糕模型符合得很好。α粒子受金原子的影响稍微改变了方向,它的散射角度极小。

马斯登和盖革又重复着这个已经做过多次的实验,奇迹出现了!他们不仅观察到了散射的α粒子,而且观察到了被金箔反射回来的α粒子。在卢瑟福晚年的一次演讲中曾描述过当时的情景,他说:“我记得两三天后,盖革非常激动地来到我这里,说:‘我们得到了一些反射回来的α粒子......’,这是我一生中最不可思议的事件。这就像你对着卷烟纸射出一颗15英寸的炮弹,却被反射回来的炮弹击中一样地不可思议。经过思考之后,我认识到这种反向散射只能是单次碰撞的结果。经过计算我看到,如果不考虑原子质量绝大部分都集中在一个很小的核中,那是不可能得到这个数量级的。”

卢瑟福所说的“经过思考以后”,不是思考一天、二天,而是思考了整整一、二年的时间。在做了大量的实验和理论计算和深思熟虑后,他才大胆地提出了有核原子模型,推翻了他的老师汤姆逊的实心带电球原子模型。

卢瑟福检验了在他学生的实验中反射回来的确是α粒子后,又仔细地测量了反射回来的α粒子的总数。测量表明,在他们的实验条件下,每入射约八千个α粒子就有一个α粒子被反射回来。用汤姆逊的实心带电球原子模型和带电粒子的散射理论只能解释α粒子的小角散射,但对大角度散射无法解释。多次散射可以得到大角度的散射,但计算结果表明,多次散射的几率极其微小,和上述八千个α粒子就有一个反射回来的观察结果相差太远。

汤姆逊原子模型不能解释α粒子散射,卢瑟福经过仔细的计算和比较,发现只有假设正电荷都集中在一个很小的区域内,α粒子穿过单个原子时,才有可能发生大角度的散射。也就是说,原子的正电荷必须集中在原子中心的一个很小的核内。在这个假设的基础上,卢瑟福进一步计算了α散射时的一些规律,并且作了一些推论。这些推论很快就被盖革和马斯登的一系列漂亮的实验所证实。

卢瑟福提出的原子模型像一个太阳系,带正电的原子核像太阳,带负电的电子像绕着太阳转的行星。在这个“太阳系”,支配它们之间的作用力是电磁相互作用力。他解释说,原子中带正电的物质集中在一个很小的核心上,而且原子质量的绝大部分也集中在这个很小的核心上。当α粒子正对着原子核心射来时,就有可能被反弹回去。这就圆满地解释了α粒子的大角度散射。卢瑟福发表了一篇著名的论文《物质对α和β粒子的散射及原理结构》。

卢瑟福的理论开拓了研究原子结构的新途径,为原子科学的发展立下了不朽的功勋。然而,在当时很长的一段时间内,卢瑟福的理论遭到物理学家们的冷遇。卢瑟福原子模型存在的致命弱点是正负电荷之间的电场力无法满足稳定性的要求,即无法解释电子是如何稳定地待在核外。1904年长岗半太郎提出的土星模型就是因为无法克服稳定性的困难而未获成功。因此,当卢瑟福又提出有核原子模型时,很多科学家都把它看作是一种猜想,或者是形形色色的模型中的一种而已,而忽视了卢瑟福提出模型所依据的坚实的实验基础。

卢瑟福具有非凡的洞察力,因而常常能够抓住本质作出科学的预见。同时,他又有十分严谨的科学态度,他从实验事实出发作出应该作出的结论。卢瑟福认为自己提出的模型还很不完善,有待进一步的研究和发展。他在论文的一开头就声明:“在现阶段,不必考虑所提原子的稳定性,因为显然这将取决于原子的细微结构和带电组成部分的运动。”当年他在给朋友的信中也说:“希望在一、二年内能对原子构造说出一些更明确的见解。”

1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭。并在新西兰长大。他进入新西兰的坎特伯雷学院学习。23岁时获得了三个学位(文学学士、文学硕士、理学学士)。1895年在新西兰大学毕业后,获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室,成为汤姆孙的研究生。提出了原子结构的行星模型,为原子结构的研究做出很大的贡献。1898年,在汤姆孙的推荐下,担任加拿大麦吉尔大学的物理教授。他在那儿呆了9年。于1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任。1919年接替退休的汤姆孙,担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵,1937年10月19日因病在剑桥逝世,与牛顿和法拉第并排安葬,享年66岁。

1、他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子,而这是一般物理和化学变化所达不到的;这一发现打破了元素不会变化的传统观念,使人们对物质结构的研究进入到原子内部这一新的层次,为开辟一个新的科学领域原子物理学,做了开创性的工作。

2. 1912年,卢瑟福根据α粒子散射实验现象提出原子核式结构模型。该实验被评为“物理最美实验”之一。

3、质子的发现 1919年,卢瑟福做了用α粒子轰击氮核的实验。他从氮核中打出的一种粒子,并测定了它的电荷与质量,它的电荷量为一个单位,质量也为一个单位,卢瑟福将之命名为质子。

4、他通过α粒子为物质所散射的研究,无可辩驳的论证了原子的核模型,因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道,于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾,才导致玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设,成为量子力学的先驱。 5、人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后,人们一直试图用各种手段,如用电弧放电,来实现元素的人工衰变,而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法,很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年,他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

当人们评论卢瑟福的成就时,总要提到他“桃李满天下”。在卢瑟福的悉心培养下,他的学生和助手有多人获得了诺贝尔奖金: 1921年,卢瑟福的助手索迪获诺贝尔化学奖; 1922年,卢瑟福的学生阿斯顿获诺贝尔化学奖;

1922年,卢瑟福的学生玻尔获诺贝尔物理奖; 1927年,卢瑟福的助手威尔逊获诺贝尔物理奖; 1935年,卢瑟福的学生查德威克获诺贝尔物理奖; 1948年,卢瑟福的助手布莱克特获诺贝尔物理奖; 1951年,卢瑟福的学生科克拉夫特和瓦耳顿,共同获得诺贝尔物理奖; 1978年,卢瑟福的学生卡皮茨获诺贝尔物理奖。 有人说,如果世界上设立培养人才的诺贝尔奖金的话,那么卢瑟福是第一号候选人。

1、有个外号叫“鳄鱼”

卢瑟福从小家境贫寒,通过自己的刻苦努力,这个穷孩子完成了他的学业。这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不回勇往直前的精神。后来学生为他起了一个外号鳄鱼,并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室门口。因为鳄鱼从不回头,他张开吞食一切的大口,不断前进。

2、摇身一变成为“化学家”

1908年,卢瑟福获得该年度的诺贝尔化学奖,他对自己不是获得物理学奖感到有些意外,他风趣地说:“我竟摇身一变,成为一位化学家了。”“这是我一生中绝妙的一次玩笑!”

3、杰出的学科带头人

卢瑟福还是一位杰出的学科带头人,被誉为“从来没有树立过一个敌人,也从来没有失去一位朋友”的人。在他的助手和学生中,先后荣获诺贝尔奖的竟多达12人。1912年度诺贝尔物理学奖的获得者玻尔曾深情地称卢瑟福是“我的第二个父亲”。 科学界中,至今还传颂着许多卢瑟福精心培养学生的小故事。

4、是我制造了波浪

卢瑟福属于那种“性格极为外露”的人,他总是给那些见过他的人留下深刻的印象。他个子很高,声音洪亮,精力充沛,信心十足,并且极不谦虚。当他的同事评论他有不可思议的能力并总是处在科学研究的“浪尖”上时,他迅速回答道:“说的很对,为什么不这样?不管怎么说,是我制造了波浪,难道不是吗?”几乎所有的科学家都同意这一评价。

5、最后一个土豆

1895年,在农场挖土豆的卢瑟福收到了英国剑桥大学发来的通知书,通知他已被录取为伦敦国际博览会的奖学金生。卢瑟福接到通知书后扔掉挖土豆的锄头喊道:“这是我挖的最后一个土豆啦!”


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