发生时间
20世纪初
入选理由
原子理论开启了原子物理学和量子力学的大门,卢瑟福被称作“原子核物理之父”。
事件简介
20世纪初,英国物理学家卢瑟福和他的学生们首先在氦离子轰击金箔试验中发现氦离子偏离轨迹并不按理论值,由此对原子内部核结构产生怀疑。1919年,卢瑟福在做α射线轰击原子核试验中发现原子内部结构类似于太阳系中行星体系,这就是著名的原子“行星模型”。
事件经过
关于物质是怎样组成的,古代文明的智者都有不同的解释,印度、希腊、中国都有学者猜测物质是有限可再分的,至于分到最后,能分出什么东西,没有人知道。大约在公元前450年,希腊人德谟克利特创造了原子这个词语,意思就是不可切割、不可再分的意思。
18世纪时,法国化学家拉瓦锡用原子一词来定义化学中不可再分的最小微粒,这一名称被科学界接受。
化学家约瑟夫·路易斯·普劳特发现,一种已知的化合物,无论它是怎么方法得到或者哪里得到,总含有相同的元素,而这些元素之间的重量比是一样的,这就是定比定律。
1803年,化学家道尔顿用原子学说解释了这一定律。他指出,同一种化合物的任何两个分子都是由相同的原子组成,比如水分子都是由两个氢原子和一个氧原子组成。每种纯物质都是这些相同的化合物的堆叠,这样就可以解释定比定律。
这样说起来似乎有点深奥,换个说法来解释。用大小不同的筐来代表不同的化合物,用鸡蛋和鸭蛋来代表原子。假设鸡蛋或者鸭蛋的重量分别都是一样的,定比定律是说,尺寸相同的筐(相同的化合物),不论是哪来的筐,美国来的也好非洲来的也好,装完东西(约瑟夫不知道分子里面是什么)后重量一样,说明筐里的东西是一样的。
秦山核电站道尔顿进一步解释:筐里装的是鸡蛋和鸭蛋,相同的筐里装的鸡蛋和鸭蛋的数目是一样的,要知道总共的鸡蛋鸭蛋重多少,只要知道一个筐的重量,然后乘以筐的数目就成。
1908年,道尔顿发表了原子学说。他认为原子是一切化学变化中最小的不可再分的微粒,相同元素的原子性质和质量都相同,不同元素原子质量和性质都不同。不同元素化合时,原子是以简单整数比结合。
道尔顿的学说在今天看来是错误的,比如他说元素化合时原子以简单整数比结合,就好像简单地将定量的鸡蛋和鸭蛋放在一个筐里就能形成新的物质。
但在当时这是最先进的学说,它初步解释了分子结构,开启了近代化学先河。原子从被人们发现那天起,就被冠上了“不可再分”的名头,直到1889年,汤姆逊做了那个著名的实验。
汤姆逊在做阴极射线实验时,发现阴极射线粒子和电解生成的氢离子电荷相等而符号相反,质量是氢离子的近千分之一。汤姆逊一开始并不相信自己分解了“不可分”的原子,但他用任何材料做实验,得到的结果都是一样的。在事实面前,汤姆逊说服自己,公开了发现,并将这种新微粒命名为电子。
电子的出现,使人类对原子有了新的认识。到汤姆逊时期,也还没有人知道原子内部是怎样的结构。很多人猜测,原子是均质分布的球体,就好像夏天女孩子爱吃的冰激凌球,电解作用就像从这个冰激凌球上用针尖挑掉芝麻大那么点,针尖上那点就是电子。
卢瑟福出现了。欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)1871年出生在新西兰一个农民家庭,祖孙三代务农。到卢瑟福这一代,他有11个兄弟姐妹。农民朴实的天性和扎实的学习风格是他的优点。从上学开始,卢瑟福就一直靠奖学金维持学业,1895年,卢瑟福申请奖学金受挫,回到家里帮母亲干活。当他母亲兴奋地摇着那张奖学金被批准的电报向他报喜时,卢瑟福正在田里挖土豆。
得知自己有钱继续学习,卢瑟福扔下手里的锄头和刚挖出来的土豆,幽默地说了句:“这是我挖的最后一个土豆了。”这句风趣的话表明了卢瑟福坚定求学的信心。
卢瑟福的老师正是汤姆逊,在老师的指导下,卢瑟福主要研究元素的放射性。在研究中他得出结论:放射性是原子内部衰变的结果,随着不断衰变,一种原子可以变成另一种原子。这是人类对原子认识的又一重要发现,它直接开启了新的学科——原子物理学。卢瑟福因此获得1908年的诺贝尔化学奖,忽然从物理学家变成了化学家,这位朴实的农民科学家还很不高兴,他说:“这是我一生中绝妙的一次玩笑!”卢瑟福一直认为“科学只有物理一个学科,其他不过相当于集邮活动而已”。
在进一步的试验中,1909年,卢瑟福指导学生菲利普·伦纳德用氦离子轰击金箔,发现有很小一部分离子的偏转角度远远大于汤姆逊假设的预测值。卢瑟福推测这是因为原子的大部分质量和正电荷都集中在原子中心的原子核,由于电荷、质量大,根据同性相斥原理,氦离子被斥力推离理论轨道。这是卢瑟福第一次提出原子核理论。
为了证明自己的结论,1919年,卢瑟福用α粒子轰击氦核,他从轰击实验中得到一种新粒子,这是一种带正电荷的质量大出电子几个数量级的粒子。卢瑟福给它取名为质子。
发现质子证明了卢瑟福关于原子核的猜测,卢瑟福一举推翻了原子均质分布的“冰激凌球”模型,建立起类似于太阳系行星系统的原子模型。这个行星模型解释:原子的大部分体积是空的,在原子的中心有一个体积很小、密度极大的原子核,原子的全部正电荷在原子核内,且几乎全部质量均集中在原子核内部。带负电的电子在核空间进行高速的绕核运动。
行星模型是人类第一次较准确地描述微观粒子结构。卢瑟福的学生波尔和薛定谔等人又发展出新的理论,补充修改原子理论,如波尔提出电子分层假说,薛定谔提出波粒二象性假说等。
随着近代物理学的发展,科学家在原子中又发现了中子和夸克等更小的微粒,证明了原子不仅可以再分,而且可以“再、再”分。原子的研究,已经超出了卢瑟福时代。
影响和评价
继电子的发现,卢瑟福发现了质子,这不仅在科学界而且在哲学界都产生了不小的震动。当人们发现原子时激动地以为发现了世界的本原,但是电子和质子的发现打破了人们的美梦。“物质是不是有限可分的?”“最小的物质构成粒子究竟是什么?”“构成世界的是不是物质?”这些疑问直接影响到人类的价值观。时至今日,尽管微观粒子已经小到夸克级别,还是没有人能肯定地说,这就是世界最基础的构成粒子。
“行星模型”的发现,是微观物理学里一个重大发现,它为后来的微观物理指明了方向,其重要程度不亚于哥白尼提出日心说。有意思的是,一个人研究微小到肉眼看不见的微粒,一个人研究宏大到肉眼无法企及的宇宙,他们提出的模型竟然惊人的相似。
物理学家卢瑟福为人谦和,在科学界以桃李满天下著称,他不仅科学成就硕果累累,他教授的学生也成就非凡。在他门下,居然出了11个诺贝尔奖得主,因此有人戏称,“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”。他的学生在他逝世后说:“卢瑟福不仅是一位伟大的科学家,而且也是一位伟大的导师……科学史告诉我们,一位杰出科学家不一定是一位伟人,而一位伟大的导师则必须是伟人。”