原子核物理学发展史

目录

摘要 (1)

关键词 (1)

Abstract (1)

Key words (1)

序言 (2)

1.伦琴和X射线的发现 (3)

1.1偶然的发现 (3)

1.2机遇是留给有准备的人 (3)

2.贝克勒尔发现放射性 (3)

2.1贝克勒尔发现铀盐辐射 (4)

3.居里夫人和镭的发现 (4)

3.1钋的发现 (4)

3.2不知疲倦的科学家 (5)

3.3生活的不幸成为研究的动力 (6)

4.卢瑟福和α射线的研究 (6)

4.1卢瑟福发现α射线 (7)

4.2卢瑟福提出有核原子模型 (8)

5.总结 (9)

参考文献 (10)

致谢 (11)

摘要：在21世纪，原子核物理学已经在人类生活，军事上都得到了广泛应用，但有多少人知道其发现的历程呢！在以牛顿理论系统建立的经典力学的大厦笼罩下，原子核物理学又是经过多少科学家的反复推导和验证诞生的呢！或许岁月的长河会掩盖住过往的尘沙，但它无法遮挡住那如黄金般闪耀的历程！

在本文中我们将通过文献研究法和调查法，跟寻科学家的脚步，来重新认知原子核物理的发展的历程。并且着重通过对卢瑟福对α射线的研究，尤其是α粒子的大角度散射实验，来亲自感受原子核发现的经过。最后讨论原子和物理的发现和发展给人类带来的好处和坏处，正确的对待科学，应用科学，使我们的家园变得更美好。

关键字：X射线放射性α射线

Abstract：In the 21st century, nuclear physics has been in the human life, the military has been widely used, but how many people know that their findings of course! In Newton's theory of classical mechanics system set up for our shadowat, omic nucleus physics and after how many scientists of derivation and validation is born again and again! The long river of years may obscure past dust, but it cannot block the shine like gold of course!

In this article, we will through the literature research and survey method and steps of scientists, to the cognitive development of nuclear physics. And emphatically based on the research of the rutherford to alpha rays, especially of alpha particles, large Angle scattering experiment, after found to experience personally the nucleus. Finally discussed the discovery and development of atoms and physical brings to the human, the advantages and disadvantages of the correct treatment of science, applied science, make our home more beautiful.

Keywords:X ray radioactive alpha

引言

在枯燥的知识传递的过程中，通过对资料的翻阅，对历史的客观调查去了解科学家们是怎样发现和研究出那些丰硕的科学成果，这样不仅可以培养学生的创新意识和献身科学精神,而且有利于激发学生学习兴趣,从而使学生从中学到许多科学方法,对素质教育有着十分重要的意义。著名的物理学家钱三强说:“在物理教学中适当地增加一点物理学史的内容,或者在教学计划中增加一门物理学史选修课,让学生更多地了解科学发展的历程,这对他们的成长将会是有益的。”教学实践同样告诉我们，不仅要教给学生们现代科技所必需的物理知识，还应教给学生科学的学习和研究方法。科学既是一种知识体系，又是一种人类认识世界的方式和探索过程，而一般的科学方法都贯穿在物理学发展的过程中。所以，我们有必要去研究，去认知物理学史的重要性。

对于近代物理学史，原子核物理又是占了很大的比重，一提到原子核物理，有的人或许只能想到原子弹，氢弹等军事武器，所以我们要研究，要让更多的人知道原子核物理不只是在军事上的应用，它更多的存在于生活中，同样它的发现也源于生活中。对于事物的认知，通常有两方面，有好的，也有坏的，所以我们要研究原子核物理学史，要告诉人们，原子核物理的真正价值和发展道路上的艰辛。

1.伦琴和x射线的发现

19世纪末，伦琴（Wilhelm Reontgen）在德国的维尔茨堡大学工作，当时他已经是有名的实验物理学家，在热爱工作的同时，伦琴也是一个热爱生活的人。他与他妻子的感情极好，他们并没有孩子，而是收养了侄女。他们生活的很幸福，社会对他们也十分恩宠。或许正是有着这样和睦幸福的家庭，才使得他能全身心的投入到自己的工作中，从而发现了突破传统物理学的重要开端。

1.1偶然的发现

1895年的一天，伦琴像往常一样来到实验室工作，当时，房间一片漆黑，一个偶然的现象引起了他的注意，他突然发现在一米开外的小桌上，一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，因为当时放电管用黑纸包得很严实。屋子内又没有其他的光源，那么荧光屏上的闪光是从哪里来的呢？

他走上前慢慢的移远荧光屏继续试验。只见荧光屏的闪光仍随放电过程的节拍继续出现。他好奇的取来各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间，发现不同的物品效果是不一样的，有的挡不住荧光屏上的闪光，有的能阻挡住闪光。伦琴当时就假设了一个想法，从放电管中会发出了一种穿透力很强的射线，穿过黑纸到达了荧光屏。为了确证这一新射线的存在，并且尽可能了解它的特性，伦琴用了6个星期的时间去深入地研究了这一现象。直到1895年底他证实了自己的想法，并以通信的形式将这一发现公之于众。

1.2机遇是留给有准备的人

或许当时的伦琴只是因为好奇，但我同样认为伦琴的这份好奇也是对科学的求知和严谨，其实早在1887年，克鲁克斯(W.Grookes)就曾发现保存在放电管附近的盒子中的照相底片变黑了，克鲁克斯把变黑的底片退还厂家，错误地认为底片质量有问题。致使他与X射线擦肩而过【2】148。所以伦琴正是因为这份对科学的好奇和孜孜不倦，才发现了X射线，对之后放射性的研究起了深远意义。

2.贝克勒尔发现放射性

1896年1月，著名的法国数学物理学家彭加勒(J.H.Poincare)看到伦琴发表的关于X射线的论文后，提出了一个重要的想法：“射线是从阴极射线击在管壁上而产生的荧光亮点发射出来的，即指出这种现象可能与荧光有关【1】69。”虽然我们后来知道这一想法并不正确，但它却对贝克勒尔最初的实验起激励的作用。

2.1贝克勒尔发现铀盐辐射

贝克勒尔这个人对理论很少有兴趣，他最有价值的特点是他那强大的坚持力和毅力，在不间断的对物理观察和测量的可靠性进行批判。在他的研究道路上很罕见的真正为证实一个理论假设而努力，也就是这一近乎吹毛求疵的个性，终于不断地修正了他的狂热，并重新确定他的研究方向。

于是在1896年3月，43岁的贝克勒尔在彭加勒的启发下，发现了铀盐的放射性，为了和伦琴射线区分，这种铀盐辐射称之为贝克勒尔射线。贝克勒尔发现放射性虽然没有像伦琴发现X射线时那样轰动一时，但意义却更为深远，因为贝克勒尔的实验为居里夫妇发现镭起了非常大的启发。从而有了人类第一次对核现象的接触，为后来的发展开辟了道路。

3.居里夫人和镭的发现

3.1钋的发现

贝克勒尔对放射性发现的论文引起了玛丽·居里（Marie Curie）的注意。在1897年，她同丈夫皮埃尔·居里探讨：“研究这种现象对我好像特别有吸引力……我决定承担这项研究工作……并且为了超越贝克勒尔已经得到的研究成果，必须采用精确的定量方法【3】260。”

之后，居里夫人把放射性研究作为了自己的博士论文题目。采用新的方法不断重复着贝克勒尔的铀盐辐射实验，使得放射学的研究走了上严密定量的道路。正是因为居里夫人这种坚持不懈的精神，让她从实验中得到了灵感，之后就有了在1898年4月时她发表了第一篇关于铀射线的论文并提出了三个主要的新观点：

(1)她不仅重新证实了贝克勒尔关于铀的发现，而且发现了一个新的放射性物质：钍。“钍氧化物的放射性甚至比金属铀更强”。

(2)“所有铀的化合物都具有放射性，一般来说，放射性越强，化合物的含铀量越多”。(注：这条实验结论不如卢瑟福和索迪于1902年所提到的理论精确：“放射性物质含有不稳定的原子，这些原子在单位时间内有确定的部分发生衰变。”但是，仅仅9个月后她就获得了正确的结论：1898年12月提交的论文中，玛丽·居里“已经证明了放射性是单个原子的特性”。

(3)她引了一个极重要的新的物理概念：放射性是一种发现新物质的方法【1】265。

在观点提出来之后，接下来的任务是：证实关于新元素的想法是否正确，她和她的丈夫皮埃尔用普通的化学方法共同对沥青铀矿进行处理。在不断的失败中重复着，终于在1898年7月，他们成功的发现了放射性物质“钋”（po），命名为“钋”。这样的命名是为了纪念居里夫人的祖国波兰而定的。

3.2不知疲倦的科学家

居里夫人是一位不知疲倦的科学家，她曾经说过，“一个人一定不要注意自己已经做了些什么，而应该只注意还有什么没有做！她并不单单满足于“钋”的发现，在1898年12月，经过在场所简陋的工棚中长年累月的艰辛工作，利用钡进行沉淀的方法，从100公斤的沥青中提炼出了另外一种放射性物质：镭。镭的发现是对居里夫人的肯定，也是对她那种精益求精的精神的赞扬。之后皮埃尔被任命为索尔本的助理教授，而居里夫人则在一所女子高中任教。在1903年，玛丽完成博士学位的论文。并以“极优”的评语获得了博士学位。在她获得学位的那一天的傍晚上，她第一次遇见了卢瑟福，并互相探讨了关于放射性的研究和对放射性的看法。幸福来得很突然，在1903年的一天，居里夫妇得知他们将同贝克勒尔一起共同获得当年的诺贝尔奖，授奖的原因是“他们在贝克勒尔教授发现的放射性现象的共同研究工作中，做出了特殊的贡献”。

1903年12月11日，《纽约时代》杂志是这样评价居里夫妇的：“据信镭的发现者不像人们所想像的那样从工作中获得了许多物质利益，因此他们的遍布世界的崇拜者

在得知他们获得了诺贝尔奖以后都非常高兴【2】186。”居里夫妇并没有亲自去参加授奖仪式，因为长时间在辐射下工作，他们的身体并不是很好，而且他们的研究工作也很忙碌。于是当1905年6月他们去斯德哥尔摩时，只是由皮埃尔发表了一个简单的获奖演说，而她的妻子则坐着旁听。在获得诺贝尔荣誉的同时，索尔本学校也为居里夫人设立了一个特殊的教席。

3.3生活的不幸成为了研究的动力

生活总是不会让人一番如意，在居里夫妇生活和科学研究都在蒸蒸日上的时候，1906年4月19日皮埃尔不幸去世，皮埃尔死后玛丽被任命为丈夫在索尔本的继承者，在那具有600年历史的值得尊敬的学院里，第一次任命一名女教授，同年11月玛丽进行了就职演讲，她没有像演说家那样激昂的陈词，只是接着丈夫最后一堂课中所终止的地方——放射性——继续的讲了下去。或许就如她就职演讲时那样，居里夫人在受尽人们对她的误解和诽谤时，她没有放弃科学的道路，一直在坚持继续研究着，直到她在1911年再次荣获诺贝尔奖，她用事实告诉了人们，她对科学的不放弃，对她丈夫的爱。她在诺贝尔演讲中回忆说：“许多发现都是“皮埃尔和我共同合作的结果，尽管将纯镭从它的盐中分离出来……这项具体的化学工作由我完成，但是它和我们共同的工作有着紧密的联系……我们的共同工作是使我获得这么高荣誉的原因。这也是对皮埃尔·居里最崇高的纪念【2】208。”

居里夫人一生的所被颁发的荣誉无数，同样她也用实际行动和科学成果证明了这一切的价值，我个人是非常崇拜居里夫人的，她是一个弱女子，但却是一位科学史上的巨人。

4.卢瑟福和α射线的研究

在X射线和放射性的研究以后，对于原子核物理学来说，最重要的工作是对α射线的研究了。1871年卢瑟福（ Ernest Rutherford）生于一个农村的工匠家。他从小就对物理现象和实验有着极高的兴趣。正是因为这种兴趣，他于1894年发明了可用于检测无线电信号的磁检波器；具有极高物理学天分的他被选送到英国剑桥大学卡文迪什实

验室，成了J.J.汤姆生的得意门生，并且从这里开始了研究放射性的路程，1900到1903年期间，他与索迪合作，发现了放射性衰变规律，并与索迪一同提出了放射性元素自然转变理论。也就是在1908年，卢瑟福荣获了诺贝尔化学奖。

4．1卢瑟福发现α射线

那么卢瑟福是怎样发现α射线的呢？那我们要从贝克勒尔发现的轴辐射说起，其实铀射线包含有三种成分，在磁场中它们分成了三束，它们分别是带正电的α射线，带负电的β射线，和不带电的γ射线，一种波长极短的电磁波。虽然我们说在磁场中它们能分成三束，但是卢瑟福并不是靠加磁场区分出它们的，因为当时他没有条件建立足够的磁场。因此他想到了另一种方法“吸收法”。在1898年，卢瑟福以其细致观察和客观谨慎的对待实验数据的科学作风，经过反复验证和推导，判定穿透力较差，进入物质层很快就被吸收的成分是α射线。穿透力较强的成分是β射线【1】301。

在之后不久，就有人从磁偏转实验中证明，穿透力强的β射线正是高速电子流。可是α射线到底是什么呢？这一直是个谜。当时有很多人认为，也许α射线就是与X射线类似的某种辐射。有人甚至认为α射线没有什么好研究的。但卢瑟福则不一样，他认为这种射线的性质越是奇特，就越是值得研究。我们知道α射线是很容易被物质所吸收的，这就说明它跟物质的作用强，所以只有彻底摸透α射线的本质，才能够建立起完整的放射性理论。他知难而进，毅然选择了α射线作为自己的研究课题，并且为之付出了毕生的精力。

卢瑟福首先是精心设计了电磁偏转实验来研究α射线。可是实验初期的结果令人失望，α射线在受磁场作用与不受磁场作用时是看不出有什么不同的。但罗瑟福并没有放弃，有着丰富实践经验的他改进了实验装置，使得仪器的灵敏度得到了提高，才终于观测出α射线会受磁场偏转，从偏转方向判断α射线是正电。接下来他対仪器进行了进一步的改进，测出了α射线的荷质比与氢离子同数量级，速度大约为光速的十分之一【5】352。这样就能判断出α射线是原子类型的带正电的粒子流。

但至于是哪种类型的原子，则一时难以确定，根据种种现象和事实，有人猜测是比氢重的氦。卢瑟福凭借其实验基础和对α射线的了解，以巧妙的方法从光谱作出了判决

性证明，“证明α粒子在失去电荷之后就是氦原子。”经过一系列的实验，卢瑟福终于弄清了α射线的本质，证明α射线就是高速运动着的氦离子(He ++)流。

4.2卢瑟福提出有核原子模型

在弄清α射线后，罗瑟福并没有放松，他同他的学生一同改进了一个实验，也就是我们如今津津乐道的“α粒子大角度散射实验”。而原子核就是通过这个实验所发现的。罗瑟福和他的学生首先用了一个涂有一层硫化锌的闪烁屏，紧接着把α粒子打到它上面后会发出微弱的闪光。他用肉眼通过显微镜对准闪烁屏，再一个一个地计数，再移动显微镜的位置，分别读取不同位置的闪烁点，由此可以确定出α粒子的统计分布。

在用闪烁法观察α散射时，出现了反常闪光，卢瑟福同他的学生再次用α粒子直接撞击金属表面，结果就得到了α射线大角度散射。得出的这一结果无法用罗瑟福的老师J.J.汤姆生的实心带电球原子模型和散射理论解释，卢瑟福因此冥思苦想了很长时间，终于在1910年底，经过精细地数学推算，证明了只有假设原子中有一个直径很小的核，正电荷集中在核心内，才能解释为什么会出现α粒子大角度散射。这也就是原子核发现的经过。通过卢瑟福的α射线的大角度散射实验，我们知道了原子核的存在，建立了核原子模型，这样伟大的发现与卢瑟福从大量的观察记录中，经过反复的研究和其执著的追求是密不可分的。

从他对待科学的认真和对待学生的尊重中看得出来，他是一位无私的科学家。正如查德威克记录的在卡文迪什的日子中所提到的： “卢瑟福不是聪明，而是伟大。他对待他的学生，即使是最年少的，也如同地位同等的工作伙伴一样【2】255 。”

5.总结

X射线的发现和放射性的研究可以说是为物理学革命揭开了序幕的，特别是由于放射性的发现和研究，有力地冲击了原子不可分、质量不可变的传统物质观念，动摇了经典力学和经典物理学的基础。新的发现一个接一个地被写入物理学的编年史，就连那些坚持旧观点的人，也无法反对大量确凿的实验证据。并且在原子核物理学诞生、壮大和巩固的过程中，通过核技术的应用，核物理和其他学科及生产、医疗、军事等部分建立了广泛的联系，取得了有力的支持，并且核物理基础研究为核技术的应用一直在不断的开辟新的途径。反过来核技术的应用又有力地促进了核物理的基础和应用研究。

虽然原子核物理学给予了人类重新认识和改造世界的机会，但也给予了人类自我毁灭的源头，就如爱因斯坦死前所说的，“冥冥中有一种人类无法左右的力量左右着这个世界”。第二次世界大战的爆发，原子弹，氢弹，中子弹的相继诞生，让人类在进入核时代的同时，也进入了核阴影的时代。虽然我们无法阻止大自然的灾害，虽然我们无法阻止那冥冥中的力量，但是我们可以选择科学的用途，最起码不会演变成人类的自我毁灭，各国相继签订了公约，销毁了一部分核弹，或许这正是良好的开端，人类的科技就应该为人类造福，而不是毁灭人类。今后在原子核物理学研究的道路上还将是路漫漫其修远兮，有着更多的新事物等待着我们去发现，为人类的进步而探索。

参考文献：

[1]褚圣麟：《原子物理学》，北京，高等教育出版社,1979。

[2]郭奕玲：《物理学史(第二版)》，清华大学出版社，2005。

[3]王春恒：《物理学史[M]》，甘肃教育出版，2002。

[4]约斯特·赫尔比希.：原子物理学家的戏剧，原子能出版社，1984。

[5]史包尔斯基：《原子物理学》，高等教育出版社，1958。

致谢

五年前，这个校园是我的梦想。

五年后，微笑回首来路，一幕幕，宛在昨天。

人生就是如此吧，每个段落结束的时候，我们总会感慨时光飞逝。

其实师院的校园，和大气古雅的北大清华相比，如同一个粗使丫头之于国色天香的美女，可我们依然爱她，兴味盎然地欣赏着她每个角落的风景。

感谢，无数次与我并肩看风景的同学们，我们一起见证着这里的每一次花开，每一寸草绿，每一片灵动斑驳的树荫，每一抹灿烂悠然的晚霞。挽臂并肩，欢声笑语，那快乐的时光，让我永远难忘。

成为呼和老师的学生，是我的幸运。导师如父，传我知识，更教我做人。大恩不言谢，一日为师，终生为师。

曾经以为，离开学校的时候不会难过，毕竟，这已不是第一次离开校园。可在写下这篇致谢词的时候，眷恋和惆怅还是涌上心头。这五年，在我的生命历程中无疑是美丽的，它是我一辈子享受不尽的财富。

五年，充实快乐。感谢给予我帮助的老师，感谢我的同学，感谢我的室友，是你们，让我觉得生活如此美好。

谨以此文，献给我敬爱的老师，挚爱的朋友。