第十四章 E 人类对物质微观结构的探索

19世纪末，科学家对物质微观结构的研究有了突破性的进展，连续三年有三项重大发现：1895年德国物理学家伦琴发现X射线；1896年法国物理学家贝克勒尔发现放射性；1897年英国物理学家J·J·汤姆生发现电子。这三大发现揭开了研究微观世界的序幕。至今一个多世纪以来，人类在探索和认识微观世界的道路上经历了曲折的道路，并取得了辉煌的成果。

为什么19世纪末的三大发现导致了人类对微观世界认识的飞速发展呢？

一、19世纪末的三大发现

19世纪化学在物质结构方面的最大成就，是确立了原子—分子学说。化学家们继承了古希腊原子论者的术语atom（原意为“不可分割的”）。其实，原子是“不可分割的”这点认识是极其宝贵的，人类曾为它付出过沉重的代价。

但是人们还在继续探索：直径大约是10^-8cm的原子难道真的不可再分割了吗？

直到19世纪末，物理学家连续三年的三大发现，揭示了原子还存在内部结构，于是人们开始进入到比原子更小的微观世界的研究领域。

1．伦琴发现X射线

在X射线发现之前，科学家们在实验室里操作阴极射线管已有30多年的历史，而且也有人发现在明极射线管附近的照相底片变黑或出现模糊阴影，这说明X射线早已产生了，但这种现象并未受到重视。治学严谨的德国物理学家伦琴（W．C．Ròntgen，1845-1923），在1895年11月8日傍晚，正在做阴极射线管中气体放电实验，为了避免可见光的影响，他在暗室中用黑纸将放电管包起来进行观察。伦琴发现离放电管有一定距离的荧光屏（涂有荧光材料铂氰化钡）有微弱的荧光放出。他将荧光屏放远些，并将涂有荧光材料的一面背转过去，仍看到荧光屏上发出荧光。他敏感地意识到这决不是阴极射线所为，是一种不知名的射线作用于荧光屏，当然，伦琴当时还没有弄清楚这种射线的本质，因此他把这种新发现的射线取名为X射线，为此，伦琴于1901年12月获得了历史上第一个诺贝尔物理学奖。 

拓展联想

X射线的一些特性被用在医学中对人体拍片（X光）。①穿透性：它可穿透可见光不能穿透的物质，包括人体；②荧光作用；③可使胶片感光；④电离作用：X射线通过被人体组织吸收后产生的电离作用，会产生生物学效应，对人体有害，但也可治疗某些疾病。

近二三十年，科学家们又在X射线基础上发明了计算机断层成像（CT）、磁共振成像术（MRI）、单光子发射断层术（SPECT）等，为疾病治疗及医学发展提供了广阔的前景。

2．贝克勒尔发现放射性

伦琴发现了X射线，它的来源仍是个谜，许多科学家都在寻找能发荧光的物质进行深入的研究，法国物理学家贝克勒尔（H．Becquerel，1852-1908，图14-20）把一块铀化合物——钾铀酰硫酸盐晶体（荧光物质）放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳下暴晒，结果在底片上发现了与荧光物质形状相同的像，他认为这是铀化合物在阳光激发下，在发出荧光同时，也有X射线发射，因为X射线有强穿透性而使底片感光。但是，当他再继续做实验时，巴黎却连日阴天，无法晒太阳，只好把铀盐和黑纸包严实的底片搁在抽屉里。丰富的实践经验使他顿生灵感：铀盐不经太阳照射，底片是否会感光？底片冲出后，在上面出现了清晰的黑影（14-21）。多次实验的结果，证实了铀化合物本身也会放出一种肉眼看不见的射线，它与荧光完全无关。而用硫化锌和硫化钙做实验，什么都没看见，贝克勒尔终于发现了揭开物质内部秘密的又一把金钥匙——物质的放射性。

历史回眸

贝克勒尔出生于一个物理学世家，他的祖父、父亲，直到他自己的儿子，四代人都是物理学家。对荧光的研究是这个家族的传统。应该说，放射性的发现是这个家族几代人努力的结果。

3．汤姆生发现电子

电子的发现是和阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是从真空管放电现象开始的。早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时发现了阴极射线，阴极射线究竟是什么呢？在19世纪后30年中，许多物理学家对此进行了研究。当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的比荷（$\frac{q}{m}$）要比氢离子的比荷大1 000倍之多。

J·J·汤姆生设计了新的阴极射线管，并利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，其偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子。然后他在管外加上了一个与射线方向、电场方向都垂直的磁场（此磁场由管外线圈产生），当粒子受到电场力（eE）与磁场的洛伦兹力（evB）相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经过推算可知，组成阴极射线的粒子的比荷$\frac{q}{m}$≈1×10¹¹C·kg^-1，通过进一步的实验，汤姆生发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的比荷$\frac{q}{m}$保持不变，可见这种粒子是各种材料中的普适成分。

1897年，汤姆生根据实验指出：阴极射线是由速度很高的带负电的粒子组成的。后来把这种粒子称为电子。

电子是第一个被发现的微观粒子。电子的发现，对原子组成的了解起着极为重要的作用，因为它是构成所有物质中的普适成分，打破了原子不可再分的传统观念，标志着人类对物质微观结构认识的新起点。汤姆生由于发现了电子，不仅荣获了1906年诺贝尔物理学奖，而且被后人誉为“最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。

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电子发现后，汤姆生和他的学生们继续做直接测量电子电量的研究，测得了它的电荷量是1.1×10^-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一。这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值，其中最有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e＝1.34×10^-19C。1913年最后测得e＝1.59×10^-19C。在当时条件下，这是一个高精度的测量值。近代精确测量的电子电荷量e＝1.602 177 33（49）×10^-19C。（括号中的值是测量误差）

二、对原子结构的认识

汤姆生发现电子后，人们马上想到呈中性的原子很可能是由电子和带正电荷的部分组成的，而且正负电荷量是相等的。那么它们在原子内部是如何分布的呢？

1．卢瑟福的原子“核式结构模型”

20世纪初期，科学家们提出了许多设想，其中汤姆生的“无核原子模型”（也称为“葡萄干蛋糕模型”）最引人注目。他假定：原子的正电荷是均匀分布在整个原子球体内，而电子是一个个嵌在其中，但是这个模型被后来的实验证明是不对的。

1909至1911年，英国物理学家卢瑟福（1871-1937）和他的合作者们做了α粒子轰击金箔的实验，从大量的观察记录中，发现绝大多数玟粒子穿过金箔后仍沿原来方向前进，少数α粒子却发生了较大的偏转，并且有极少数α粒子偏转角超过了90°，有的甚至被弹回（α粒子被反射回来的几率约为八千分之一）。实验中α粒子产生大角度散射现象，使卢瑟福感到惊奇，因为这需要很大的斥力，除非原子的大部分质量和正电荷集中到一个很小的核上。在α粒子散射实验基础上，卢瑟福于1911年提出了原子核式结构学说。

自主活动

卢瑟福提出的原子核式结构学说内容有哪几个要点？

为了证明卢瑟福模型和他的散射理论的正确，他们不但重复实验，并且从不同角度，用不同方法对卢瑟福散射理论进行了详尽验证。

原子核的发现，开始了人们研究原子核的历史，在人类探索微观世界的道路上又树立了一块新的里程碑。

但是，卢瑟福的原子有核模型虽然获得了很大成功，却存在着严重困难。例如，绕核旋转的电子具有加速度，按照麦克斯韦电磁理论，任何带电粒子在做加速运动的过程中都会以发射电磁波的方式辐射能量，电子绕核运转的轨道半径会越来越小，最后很快地（约10^-9s数量级）落到原子核上，因此原子是不稳定的。但事实上原子是稳定的。另外，电子绕核转动时辐射电磁波的频率等于电子绕核运动的频率，原子将连续地辐射能量，随着能量逐渐降低，频率也逐渐改变，因而原子发射的光谱应该是连续光谱。而事实上，原子光谱是一些不连续的细线组成的线状光谱。

2．玻尔模型

丹麦年轻的物理学家玻尔（N．Bohr，1885-1962）对他的老师卢瑟福的模型坚信不疑，设法提出根本性的修正办法。

玻尔在普朗克和爱因斯坦的量子化概念、巴尔末和里德伯的实验公式的启发下，经过两年坚持不懈的努力，于1913年提出了玻尔模型，将量子化概念用到了卢瑟福的原子模型中，并且将原子结构与光谱联系起来。

玻尔利用普朗克和爱因斯坦的量子化概念成功描述了氢原子的结构，揭开了30年来令人费解的氢光谱之谜，对量子论和原子物理学作出了重大贡献。他于1922年荣获了诺贝尔物理学奖。

玻尔模型在取得成功的同时，也存在一些难以克服的矛盾。这个理论虽成功地解释了有一个核外电子的氢原子、类氢原子（核外电子被扯剩到一个电子的离子，如一次电离的氦离子，二次电离的锂离子的光谱，但它却不能解释只比氢原子多一个核外电子的氦原子光谱。即使对于氢原子，对其谱线强度的解释也无能为力。主要原因是玻尔仍把电子看作经典力学中的粒子；仍在静电引力（向心力）作用下绕核做圆周运动，但又假定没有电磁辐射产生，这显然是互相矛盾的。因此，玻尔理论只是半经典半量子化的理论。

拓展联想

玻尔的三个基本假定：①定态条件：电子在一些具有确定能量的“定态”轨道上运动，不会损失能量。②频率条件：当电子从一个“允许轨道”跃迁到另一个“允许轨道”时，会以电磁波形式放出或吸收能量，放出（吸收）光子的频率为ν＝$\frac{\mathrm{\Delta }E}{h}$。③量子化条件：mvr＝$\frac{nh}{2\pi }$（量子数n＝1，2，3…）等）

3．量子力学的发展

正是由于玻尔理论面临着一系列难以解决的困难，迎来了物理学上更大的革命，导致了量子力学的建立和发展。1925至1927年间，德国物理学家海森堡（W．Heisenberg，1901-1976）、奥地利物理学家薛定谔（E．Schrodinger，1887-1961）等在德布罗意（L．de Broglie，1892-1987）物质波理论的基础上，创立了一门崭新的用以描述微观世界的力学体系——量子力学。打个比喻，量子力学在微观世界里的地位，相当于牛顿力学在宏观世界中的地位。

以氢原子为例，量子力学所反映的原子形象与玻尔理论的假设是有根本区别的。从量子力学理论计算可知，在玻尔原子模型内，电子轨道只不过是电子出现几率大的地方。电子在核外运动的情况通常月“电子云”来形象地描绘，也就是说，原子核好像被一层云雾笼罩着，云雾浓度大的地方，电子出现的几率大；云雾浓度小的地方，电子出现的几率小。

量子力学成功地解释了大量的玻尔理论所不能解释的现象，玻尔理论的基本假设，在量子力学里也变成了理论推导的必然结果。另外，量子力学帮助科学家们说明了原子结构、原子光谱的细节以及化学键。后来，又经过许多科学家（如狄拉克、费米、玻恩等）的补充，使这个理论体系更趋完善。

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1923年，法国物理学家德布罗意对玻尔的假说提出了不同的观点：一切运动着的微粒都具有波动性。他的观点得到了爱因斯坦的支持。1927年电子衍射实验的成功，证实了运动着的物质微粒确实具有波动性，这就是德布罗意的物质波理论。

拓展联想

由于微观粒子有波粒二象性，电子的运动状态可以用薛定谔方程的波函数表示。其实波函数本身没有明确的物理意义，可是它的绝对值的平方却明确告诉我们在空间某一位置单位体积内发现该电子的几率。

三、探索原子核的组成

天然放射现象的发现，以及对衰变现象的深入研究，让人们知道了原子核是可以自发衰变的。为了进一步探知“原子核是由什么组成的”这个问题，卢瑟福用α粒子轰击氮核，实现了原子核的人工转变。开启了人类进入原子核内部的大门。

我们知道，周期表中一号元素氢原子核的质量数是1，氦核的质量数是4，锂核的质量数是7……可以看出，所有元素的原子核质量数均为氢核的整数倍。鉴于这一事实和α粒子轰击氮核后放出氢核等实验结果，卢瑟福确认每个原子核都是由氢核组成的，氢核即质子是所有原子核的“基本材料”。

中子的发现具有划时代的意义，因为它不仅使人们知道了原子核是由质子和中子组成的，而且不带电的中子作为“炮弹”轰击其他原子核时，没有静电斥力，会有更多的机会和靶核发生碰撞。中子“炮弹”的利用，为原子核物理的研究开辟了崭新的道路，为核能的利用打下了基础。

自主活动

写出发现质子和中子实验的人工转变核反应方程。

在接受了原子核由质子和中子组成的假设后，又出现了新的问题：带正电荷的质子间的库仑斥力要比万有引力大得多，它们怎么能“挤”在很小的原子核里呢？物理学家们提出了核力概念。

由于核子间有核力作用，要把原子核打碎，使所有核子全部分开到无穷远时，必须提供结合能；反之，当核子由分散的自由状态聚集成原子核时，将放出结合能。重核裂变和轻核聚变时能释放出大量的结合能。

大家谈

核力有哪些特性？

四、粒子物理学的发展

1．“基本粒子”不基本

当人们知道了原子核与电子组成了原子，质子和中子组成了原子核后，就认为电子、质子、中子和光子（衰变时放出γ光子）是组成物质的不可再分割的最基本的粒子，所以把它们叫做“基本粒子”。

然而，科学家们逐渐发现了数以百计的新粒子，它们都不是由电子、质子和中子组成的；另外，科学家们还发现质子、中子等也有复杂的内部结构（迄今还没有发现电子有内部结构）。所以，从20世纪后半叶起，就将“基本”两字去掉，统称为粒子。

自20世纪30年代以来，科学家在对宇宙射线的研究中，先后发现了正电子、μ子、K介子、π介子和质量比质子还大的超子。后来又发现了许多粒子的“反粒子”。至今已发现的粒子达400多种。按照粒子理论，可将粒子分为三大类：强子、轻子和媒介子。

STS

现在已经发现的粒子之间的相互作用有四种：电磁相互作用、引力相互作用、强相互作用和弱相互作用。

拓展联想

按照粒子之间相互作用的情况，可将粒子分为三大类。

①强子：参与强相互作用，分为介子和重子两类。质子是最早发现的强子。

②轻子：不参与强相互作用，尚未发现有内部结构。电子是最早发现的轻子。每种轻子都有对应的反粒子。

③媒介子：可传递各种相互作用，光子传递电磁相互作用，中间玻色子传递弱相互作用，胶子传递强相互作用。

2．夸克模型

那么粒子是否有内部结构呢？科学家做了许多实验，去寻找这个问题的答案，例如，用高能电子去轰击质子，实验中看到了“卢瑟福散射的影子”，这说明质子的电荷不是均匀分布的，而是由一些“硬心”所组成，电荷集中在这些“硬心”处，而且质子中“硬心”不止一个。实验结果充分表明了质子是有内部结构的。

1964年，美国物理学家盖尔曼提出了强子是由夸克（quark）组成的夸克模型。几乎同时，中国科学家也提出了强子是由层子组成的层子模型。到1994年为止，科学家们做的一系列实验，证实了夸克模型的正确性。

夸克模型的提出是物理学发展中的一个重大突破，它指出电子电荷不再是电荷的最小单元，也就是说还存在分数电荷。目前人们对夸克的认识还是很初步的，至今科学家们尚未找到自由夸克，捕捉被禁闭的夸克，是21世纪物理学面临的一个重大课题。

3．人类对物质结构的新认识

在人类对微观物质结构探索的历程中，发现研究微观世界的粒子物理、量子理论，与研究宇宙的理论竟然相互沟通、相互支撑。正如诺贝尔物理学奖获得者格拉肖所说：“隐藏在原子内心的，是宇宙结构的秘密。”宇宙大爆炸理论阐述了有关宇宙演化和恒星演化过程中粒子家族的一些“精彩故事”，这些故事有待我们进一步去欣赏、去发现。

从19世纪末发现X射线起，已经历了一个多世纪，在这100多年中，人类在探索和认识微观世界的道路上历尽艰辛和曲折，取得了辉煌的成果。人们对物质世界的构成有了新的认识，那就是从宇观→宏观→微观，具体地说，是从宇宙→银河系→太阳系→地球→凝聚态物质→分子→原子→原子核→强子→夸克或轻子。这是人们逐步认识到的一条物质结构链。但是，至今在粒子物理中还有不少谜，有待人们去探索、去研究。

发布时间：2016/3/5 下午3:35:57  阅读次数：4584