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汤姆逊的原子结构模型

时间:2022-01-30 百科知识 版权反馈
【摘要】:自我介绍我是卢瑟福,出生于1871年。有一次,我发明了一种可以发射“远射程炮弹”的玩具,并巧妙地设想出增加“炮击”距离的方法,从而显示出自己非凡的创造才能。于是,我便搭上轮船前往英国,踏上了通往原子秘宫的征程。卢瑟福在实验室我在麦克吉耳大学积极地推动研究工作,大大地提高了物理学的研究风气,受到全校师生的爱戴。在这里我组织成立了一个研究小组,开展放射性研究。这就从科学上证明了原子的可分性,原子不是构成
自我介绍_从卢瑟福谈原子

自我介绍

我是卢瑟福,出生于1871年。生长在纳尔逊市附近的新西兰的一个村庄里,那里的田野非常广阔,闲时可以下水捕鱼,也可以上山打猎。虽然我的父亲是个农场主,由于家里人口很多,有6个兄弟和5个姐妹,使家庭经济并不宽裕,我的童年过得相当快活。

幼年时期的我不是神童,而是一个普普通通的孩子。可是,自我5岁开始学校生活以后,便成了一个爱学习、不贪玩的孩子,我在学校里表现比较突出,不仅功课好,其他方面也相当杰出,我梦想有朝一日一定要成为科学家。有一次,我发明了一种可以发射“远射程炮弹”的玩具,并巧妙地设想出增加“炮击”距离的方法,从而显示出自己非凡的创造才能。

1886年,我中学毕业,由于成绩优异,被推送到纳尔逊学院学习。在这里我开始对物理学产生浓厚兴趣,在物理课的课堂上非常专心听讲,常常提出问题,课余时也经常找老师讨论,甚至蹲在马路旁,拿着树枝在地面上一边计算一边和老师讨论。

由纳尔逊学院毕业后,我通过新西兰大学的奖学金考试,进入坎特伯雷学院就读。这也成为我未来登上科学高峰的起点。如果我没有取得奖学金,就得回家帮助父亲种麻。父亲是个英国移民,没有多少文化,他倒是希望我回家,好多个帮手(“天才的光辉是不易被遮掩的”,尽管父亲少了一个帮手,可是科学王国却增添了新鲜血液。——编者注)。

在坎特伯雷学院,我遇到了比克顿和库克这两位好老师。比克顿老师不受传统观念的束缚,善于启发学生思考;而库克老师治学扎实,要求严格,他们对我都产生过积极的影响。

由于我的刻苦钻研,四年以后,我以数学、物理双第一的优异成绩获得硕士学位。但这些并不是我要满足的,所以我没有马上找工作,因为我对学习远比挣钱有兴趣,我打算在大学里再学一年,争取获得理科博士学位。

我选择的研究专题是“赫兹波”,1888年,德国人赫兹发现了无线电波,但是只能发射而不能接收。后来,一位叫布兰利的科学家发明了“粉末检波器”,在应用上却又不能令人满意,我决心以他们为突破口去改进它。然而,当时的坎特伯雷学院的科研条件是相当差的,理化两个系合用一座用木架和铁皮建成的楼房,实验室仪器、药品都很奇缺。困难并没有使我就此止步,我知道在登上科学的高峰之前,会遇到比这更多的困难。于是自己动手,在一间破旧透风的小破棚里安装了一部赫兹发生器。我又买回一些廉价的简单器件,利用交流电使钢针迅速磁化和去磁。还制成了一个比“粉末检波器”更为灵敏的高效检波器。1894年,我发表论文“用高频放电法使铁磁化”,并很快引起了国内外科学界的重视并顺利地获得了理科博士学位。

我没有沉醉在胜利的果实里,而是进一步改进了检波器,并使用新的检波器,能从室外检测到20米远处发射的电波,这是飞越新西兰上空的第一份无线电报。

此时此刻,我的求知欲异常旺盛,我贪婪地学习,如同鳄鱼大口吞食一般。我对科学无比热爱,学习时特别专心,即便是在无比嘈杂的环境中,也不能阻止我专心致志地读书。朋友们说我学习太专著了,即使在看书时,有人拿书本敲我的脑袋,我也感觉不到。当然,这都是朋友们对我的恭维。

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卡文迪许在1766年发表了《论人工空气》的论文并获皇家学会科普利奖章。他制出纯氧,并确定了空气中氧、氮的含量,证明水不是元素而是化合物。他被称为“化学中的牛顿”。

1895年,24岁的我经过考试,获得了去英国剑桥大学留学的奖学金。于是,我便搭上轮船前往英国,踏上了通往原子秘宫的征程。

我在剑桥大学三一学院的表现非常卓越,学习努力,工作踏实,思维敏锐,有所创见。两年后,被保荐到世界闻名的卡文迪许实验室当研究人员。

卡文迪许实验室网罗了英国及全世界的杰出物理学者,实验室主任是著名物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊爵士。由于这个实验室人才济济,刚开始我并没有受到注意,但是,不久,我踏实的研究态度、精辟的见解,受到大家的重视。身为实验室主任的汤姆逊,更注意到我的深厚实力,在他看来,“这个南半球来的小伙子,将来一定会在物理学界大放光彩!”

当时,汤姆逊计划进行X光对气体放电影响的研究时,在所有的学员中,他认为我是此实验的最佳人选,于是,这个难题就落到了我的身上,和汤姆逊爵士一起实验使我在物理学的研究上再一次升华。经过实验我得到一个结论:“研究气体放电时,利用X光更容易看出放电的情形。”汤姆逊和我利用这一特性,进一步研究,一一解开了气体放电的奥秘。

后来,我又用X光照射铀,发现铀也能产生放电现象,我想铀和气体放电之间是否也具有某些共同性质呢?于是便着手研究铀的放射性,在研究过程中发现,铀含有α射线和β射线。经过无数次地反复实验,我还发现α射线受磁力影响而改变运动方向的弯曲程度,比β射线的小,因而我推论道:“α射线的粒子应该比β射线的粒子重。”

放射线已经完全吸引我不彻底揭开放射线的神秘面纱,是不会善罢甘休的。我实验着,苦苦思索着……

当时,加拿大麦克吉耳大学正在物色一位物理学教授,请汤姆逊推荐适当人选。汤姆逊大力推荐我前往,这时的我已经27岁了。虽然我舍不得离开卡文迪许实验室,更不愿意离开汤姆逊教授,但是这是汤姆逊教授对我的信任,所以我依依惜别了英国剑桥大学,来到加拿大麦克吉耳大学接受新职——物理学教授。

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卢瑟福在实验室

我在麦克吉耳大学积极地推动研究工作,大大地提高了物理学的研究风气,受到全校师生的爱戴。在这里我组织成立了一个研究小组,开展放射性研究。在研究中,我们发现钍会产生一种具有放射性的物质,它能诱导附近的物质产生微弱的放射性。另外,我们还从铀中提炼出一种新物质,这种新物质和铀的化学性质完全不同,它在铀中的含量很少,但是放射性却比铀来得强。我在想,是不是因为释出放射线的关系,才会使一种元素转变成另一种元素?

大家都知道,物质都是由原子所构成的,而原子的种类和元素的数目是一样的。那时,人们根本没有想过元素会改变的问题,大家都十分相信原子是构成物质的最小单位,绝对不能再细分,更不用说会变成其他原子了。直到19世纪末,英国物理学家汤姆逊爵士发现了原子中的电子后,他认为原子像个葡萄干面包,面包的部分是带正电的粒子,分散在面包上的葡萄干就是带负电的粒子——电子。这就从科学上证明了原子的可分性,原子不是构成物质的最小单位。在这基础上,我大胆假设:“如果一种原子会转变成另一种原子,那不就表示原子并不是构成物质的最小单位了吗?”

我根据这个假设深入研究。首先,我制作了一部α射线的侦测仪器,透过这种仪器,用肉眼就可以观测到α粒子撞击时发出的微弱闪光。我率领研究小组经过无数次地实验后,最后证实,具有放射性的元素释出放射线时,的确可以蜕变成不同的元素,从而创立了放射性衰变的理论。

1907年,我重返英国,成为曼彻斯特大学的物理学教授。1919年成为剑桥大学实验物理学教授,并担任了卡文迪许实验室主任。1925年,我当选为英国皇家学会主席。

早在麦克吉耳大学,我就发现了镭的放射现象,提出α粒子就是氦原子核的假说。在曼彻斯特大学我又开始进一步证明氦是在镭的放射性衰变时形成的。就这样,我一步步地走进了原子的神秘世界。

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卢瑟福(1911年)理论推导图

有一天,我同年轻的助教罗兹一起进行证明α粒子与氦的相同性的实验,实验得出结论——氦确实是从镭里产生的,而且α粒子的质量同氦原子的质量完全相同,我无比激动……

就在这时,收发室的通信员闯了进来。

“教授先生,从瑞典寄来的邮件。”通信员把一封信和一份电报递给我。

“从瑞典来的?”我吃惊地问道。我的目光很快地把电报译文看了一遍,脸上顿时放出了光彩,我把电报递给了助手。

“授予诺贝尔奖的通知!”罗兹叫了起来,“衷心地祝贺您,教授先生!”

“祝贺您,祝贺您!”听到罗兹的喊声,助教盖格和马斯顿等都纷纷走到我的面前祝贺。

同事们热爱我,他们以喜悦的心情迎接这份对我劳动的高度评价。

“谢谢大家,先生们……”我回答着,把信拆开看了之后,我突然大笑起来。

“太好了,太妙了!”我挥动着那封信喊了起来……

“这是我一生之中绝妙的一次玩笑!”

助教们吃惊地看着他们的教授,“他在瑞典科学院的这封信里发现了什么可笑的事情了呢?”

“太妙了!”我擦着眼泪,重复地说道,“他们把我变成化学家了。”

“化学家?”

“对,不折不扣的化学家,我是由于化学方面的工作而获得诺贝尔奖的。”

马斯顿大声地念着信和电报的内容,瑞典科学院用恭敬的言词通知我荣获诺贝尔化学奖。

“真是的。”盖格喊到,“毫无办法,我们应该对现实妥协,看来,我们不是在物理实验室里工作,而是在化学实验室里……”

是的,我们的工作既是物理学的领域,也是化学的领域。

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卢瑟福花了10年功夫仔细进行实验,同索迪一起提出了一种大胆的原子嬗理论。

我与盖格、马斯顿,以α射线照射很薄的金属箔,测量由金属箔反弹回来的α粒子数目。实验结果,大部分的α粒子都透过金属箔,只有少数粒子反弹回来。

“照理说,金属箔是由原子聚密排列而成的,应该不易被α粒子穿透才对啊!”我反复思索、实验,最后终于找到了原因:原子是由带正电的原子核与带负电的电子所组成,原子核几乎构成了原子的总重量,电子围绕着原子核旋转,就像行星绕着太阳转一样。各种元素中电子的数量不同,同时原子核的电量等于电子电量的总和,由此导致了原子成为中性的整体。

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第一次实现人工嬗变的装置

这一结论发表后,立刻震撼了整个科学界,引起了强烈的反响。接着,我又进一步研究α粒子撞击气体原子的情形,发现α粒子撞击气体原子时,气体原子射出的放射线比反弹回来的粒子更具穿透金属膜的力量。为了解开这谜,我不断实验,而获得了一个惊人的发现——氮受α粒子撞击,会放射出氢原子,而变成氧原子,成功地得到了元素的人工嬗变,其实这个发现就是原子核的蜕变,使原子核物理学进入了一个新的阶段。在卡文迪许实验室里我达到了科学活动的顶峰。这时,我科学地预言了“中子”的存在,1932年被查德威克的发现所证实。

我以大量的著作发表了自己的科学研究成果。许多科学院都选我作为自己的成员。1931年,由于我在科学发展上所建树的功绩,受封骑士称号,并享有纳尔逊勋爵的爵位。

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