原子核的第一个模型与质子的发现

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1、原子核的第一个模型与质子的发现早在1914年人们就知道，原子核是所有放射性过程活动的处所，核的种类由数A和Z来决定。人们 也相信，在a粒子和核之间的相互作用纯粹是电磁作用。达尔文从已知数据得出结论”；“除了反平方力外， 正比于距离的其他幕次的力，都不能够给出卢瑟福散射截面依赖于C初始速度的关系式。”卢瑟福 假设这是正确的，然后计算a粒子逼近核的最小距离，1911年他认识到，核半径很小：r3X 10-12厘米。 同理，达尔文在1914年注意到：“氢和氦的核半径肯定小于1013“厘米。”显然，氢的核特别重要。 卢瑟福早在1914年就强调指出“氢核是正电子(他加的着重号)氢原子核在那些日子常被称作H

2、粒子，“质子”的名字是以后才有的。概括地说；早在1914年，人们就知道有关放射性和A、Z、r的基本事实 以及有关H粒子的一些基本特征。那么，原子核是由什么组成的呢？在引进Z作为一个独立参数的论文中，范登布鲁克第一个提出a粒子和电子是原子核的组分。电子对 于核质量的贡献十分小。他注意到电子主要的作用是将电荷补偿到正确的数值。当然，不是所有的原子核 都只由a粒子和电子组成，因为这样的话，质量A就只能近似地是4的倍数。显然H粒子会有助于克服这 个困难。事实上，1914年2月卢瑟福想到了a粒子本身的结构：“可以期望，氦原子即a粒子包含有 4个正电子H粒子和2个负电子”，用符号表示为He=4H+2e；

3、般地说，对于一个给定的质量为A 和核电荷为Z (把A处理成一个整数)的同位素X,有：X=AH+(AZ) e(1. 6)在1914年3月19日的一次皇家学会讨论会上，卢瑟福对核结构作了进一步的论述： “一般的证据表 明，初级B粒子产生于核的扰动。因此原子核必须被考虑成一个由正粒子和电子组成的非常复杂的结构， 但现在讨论原子核本身的可能的结构还为时过早(也不会有什么用)。”因此，尽管总是小心翼翼和不乐意作猜测的卢瑟福，也轻率地假设：电子是原子核的组分。实际上， 他从未把它当做是一个假设。难道这不是不言自明的吗？难道在在过程中，人们没有看到一些电子从某些 原子中跑出来吗？对于卢瑟福，以及对于所有那时

4、的物理学家来说，把电子说成是原子核的建筑部件和说 房屋是由砖块组成的，或者说项链是由珍珠串成的，同样的合乎情理。实际上，原子核的H粒子一电子图象是简单性的必然弊病的又一个例子。这个模型和它的错误，同样 都是不可避免的。电子是原子核的建筑部件是不正确的，公式( 11. 6)是错误的。那么人们怎么理解电 子以B衰变形式从原子核中产生呢？大约在卢瑟福于皇家学会上的讲话之后20年，费米利用量子场论的 工具找到了这个问题的答案。这将是以后章节的论题。在费米的工作之前很久就积累了一些证据，表明H 粒子电子模型有严重的麻烦。我再回到1914年之后的那些年。鉴于H粒子的重要性，自然就要去寻找“自发的H衰变”1

5、915年， 实验显示了“一个极强烈的可能性，即H粒子是从放射性的原子中发射出来的”但随即这一可能又消失 了。大约在那个时候，我们也亲眼见证在核中寻找亚结构的开始。 1914年卢瑟福就已经写道： “氦核是个 非常稳定的构造，当它从放射性原子里以高速被逐出时，它在这种强烈的扰动下仍然能够保持不变；氦核 可能是组成大多数原子的基本单位之一。”还有一些新的亚单元也被提了出来：a粒子(4H+4e)，p粒子 (2H+2e)，以及别的粒子，这些主要都是因为数字术的原因。1921年卢瑟福给博特伍德的信中写道：“写 出这些东西极其容易，但是要得到实验证据以形成一个正确的决定却是极其困难。”有些时候卢瑟福本人 也

6、被另一个亚单元X3 (3 H+e)的貌似正确的证据引向歧路。凭借某种想象，人们确实能够把这些论文看 作是a粒子模型、甚至壳层模型的先驱。尽管如此，说这些工作没有给物理学留下任何一点影响，我不认 为是不公平的。是什么力把原子核聚集到一起呢？卢瑟福在1914年说： “原子核线度虽然非常小，但它是由正负带电体形成的非常复杂的系统，并由非 常强的电力(重点号为我所加)把它们紧紧地束缚在一起。”他还能说些什么呢？在那时除了电磁力和引 力以外没有别的力，而引力对目前的问题显然是可以忽略的。尽管如此，人们在同一年卢瑟福的另外的陈 述中注意到一个奇怪的叙述：“一些核电子与一些正的核被包裹在一起，它们肯定由数量

7、级不同于那些 束缚外部电子的力保持着平衡。”正如我们将在本章的(h)节中所见，一种新的强核力的证明不久就要出 现了。那么原子核和量子论又是怎样的呢？ 在原子结构和光谱线的第一版中，索末菲就大胆表示了以下看法：“核的组成像原子的球面卜 样，是由同样的量子定律支配的。”在那个时候，再没有别的什么办法可以证实这一想法。如果连氦的原 子光谱都不服从量子理论，谁又敢用它去处理a粒子呢？(f)结合能1905 年，当爱因斯坦第一次推导”出方程E=mc2(11. 7)时，他立刻评注说：“用那些能量可高度变化的物体(比如镭盐)来验证这个理论，不是不可能成功的。 然而，到1907年他已经相信，“要达到他所必需的实

8、验精度“当然是不可能的。”1910年他注意到“目前 无论如何没有希望”对等式(11. 7)作出实验上的确证。当爱因斯坦第一个提出运用放射性衰变中的重量减少来作为检验公式(11. 7)的一种方法时，普朗 克第一个注意到另一种试验：一个束缚系统的重量比其组成成分重量和要小。这个效应非常之小( 10円 克)，但是这概念既新颖又杰出。1913 年，朗之万把普朗克的说法应用到原子核：“在我看来，由于与普劳特定律存在确定的偏离，内 部即结合能的惯性质量因此是显而易见的。”不幸的是，他没有考虑同位素混合的影响，因此对束缚 能效应估计过高。为了对一个原子核X的核束缚能B的大小给出一个精确的含义，人们当然必须知

9、道X的组分。直到 1932 年仍然用(11. 6)式计算核的质量。只要人们没有更好的想法，他们就不可避免地陷于错：误的原 子核质量公式(用明白的符号表示)m =Am +(A-Z)m B/c2(11. 8)x H e核内部的力被假设为电磁力，因而它也是核结合能B的动力学起源。1914年卢瑟福说：“正如洛伦兹 所指出的，一些带电粒子如果紧靠在一起，那么由这些粒子组成的一个系统的电质量，将不只依赖于这些 粒子的数目，而且还依赖于它们的场相互作用的方式。就所考虑的正的和负的电子的尺度而言，为了产生 由此而导致的可观的质量改变，它们必须贴靠得非常之紧。这可以解释诸如氦原子不是正好为氢原子质量 的 4 倍

10、这样的事实。”然而，数量上的估计显示，为核结合假设的电磁起源只能给出一个极小的效应。楞 次(索末菲的一个助手)强调了这一点，他是第一个集中精力研究公式( 11. 8)的人。不管这公式有什 么别的缺陷，它同B的动力学起源无关。在无法做出结论的情况下，最好的物理学家们始终踌躇不决。直到1921年泡利还这么评论说：“也许 质量和能量等价的原理能够在将来某一天着重号是我加的通过观察原子核的稳定性来检验。”当时质 谱法已开始得出大量关于同位素质量的很好的数据。 1927年，阿斯顿提供了一张有 30个同位素数据的清 单。结合能是用敛集率(packing fraction)来记录的，即比率B/A (对于氧，

11、A =16)，于是根据定义，氧 的敛集率等于0。这是我所知道的描述这些数据的最含糊的方法之一，这也是因为氧有3种稳定的同位素 的缘故。1930年问世的由卢瑟福、查德威克和埃利斯合写的书，在那些年是最有影响的原子核物理学教材，这 本书中叙述了a粒子由4H+Ze组成且有27MeV的结合能。1932 年一切迷惑云消雾散。 在2月份发现中子的文章发表之后，很快就澄清了原子核是由质子和中子(见第17章)所组成。同月宣布发现了质量为2的氢的同位素氖。班布里奇(K. T. Ba inbridge)的题为同位素H2的重量 (1932年10月)的文章也许是最后一次对老的H粒子一电子模型的论述”：“假设原子核是由

12、两个质子和 一个电子组成，那么结合能近似等于2X106电子伏特。如果H2的原子核由一个质子和一个质量为1. 0067 的查德威克中子所组成，那么这两个粒子的结合能就是9. 7X105电子伏特,”(正确值是B2. 15MeV)。 人们发现，这最后的数值可能来自第一次对B的正确公式的应用，这个公式从此替代了老的公式(11. 8)： m =Zm +(A Z) m 一 B/c2(11. 9)x pn其中m , m各是质子和中子的质量。pn6月份，考克饶夫和瓦尔登的论述由人工加速粒子产生的第一个核转变的论文发表了。”他们的结果是：Li7十质子一2a+(14. 32. 7) MeV(11. 10)在误差范围内验证了公式(117)，出现在反应中的所有粒子的质量都已经知道了。公式(1110)是对 E=mc2的新的一类检验中最早的例子。在 1937 年，光速的数值误差小于 0. 5从一些核反应中得到了，在这些反应中所有有关的质量的和动能都是已知的。”于是20世纪30年代原子核有了正确的模型，并且在原子核现象的帮助下，E me的数值确证所必需的实验技术得到了改进。然后，就有了原子弹