聊粒子-质子的发现

17 1月

JJ汤姆森的学生很多,最著名的两位是查尔斯.威尔逊(1869-1959)卢瑟福(1871-1937)

威尔逊(1869-1959)发明了实验仪器“云室”

小伙子年轻时对灰尘感兴趣,但灰尘太小了,不容易被观测。后来发现当空气突然膨胀,水蒸气能在灰尘上凝结成小水珠,这样就能肉眼看到灰尘了。由此发明了灰尘观测器。

同理带电粒子虽然肉眼看不见,但如果能让足够潮湿的空气瞬间膨胀,让封闭容器内的温度降到露点以下,就能使容器中的水分达到过饱和状态。这样带电粒子通过空气时会在粒子周围产生小水珠,就像一个个小云朵,所以起名叫云室。

小水珠形成的轨迹能被照相机拍摄下来,这样就能追踪带电粒子的轨迹。云室后来为发现中子,正电子,介子等做出了杰出的贡献,威尔逊也因此获得1927年诺贝尔物理学奖

卢瑟福(1871-1937)是个新西兰农民,现在新西兰将他的头像印在了新西兰币最大面额的钞票上,作为国家荣耀来纪念这位伟人。

卢瑟福收到剑桥大学录取通知书时,还在村里挖土豆,感慨地说一句:“这是我这辈子挖的最后一个土豆”。在剑桥大学学习了三年,被JJ汤姆森看中,开始研究天然放射性。

早几年贝克勒尔居里夫妇首先发现了天然放射性,例如铀岩就具有天然放射性,天生就能不停地sousou向外辐射射线。其实就是衰变,有些元素不稳定,如铀,镭,钋等,会射出粒子变成别的元素。

卢瑟福就开始研究这铀岩辐射出来的究竟是啥。在铀岩附近布置磁场后,由于磁性同性相斥,异性相吸,卢瑟福发现射线分成了两束,一束带正电,一束带负电。

因为不清楚这些带电的粒子束究竟是啥,就将带正电的起名α射线带负电的就起名β射线。(其实图中就看出,还有一束不带电的粒子束,没有受到磁场的影响,卢瑟福当时没发现,后来被法国物理学家维拉尔发现了,起名γ射线。αβγ起名也是够随意的…)

经过测算带负电的β射线就是卢瑟福的老师JJ汤姆森发现的电子。

带正电的α射线,经卢瑟福测量比对,发现就是氦气(其实是去掉电子的氦原子核,由两个质子,两个中子构成,质子带正电,中子不带电,所以氦原子核带正电),因此得到1908年诺贝尔物化学奖。所以卢瑟福是得到诺贝尔物化学奖的物理学家。

那α射线和发现质子有啥关系?关系可大了。

做物理实验是要烧钱的,所以物理学家需要开源节流。

开源就是找投资人赞助,PPT要写的投资人看得懂。就像最近外星人电波,什么60亿光年变成15亿光年了,外星人已经有曲率飞船能能超光速了。这种距离都是估算出来的,你说多少就是多少,本就不精确。估算的方式(例如红移等)投资人也听不懂,所以就取估算范围的上限,因为越远说明设备越牛逼,需要您继续投资。

开源毕竟可遇不可求,所以还需要节流,就是要物尽其用。不持家的不知柴米油盐贵,所以物理学家实验常用套路就是:火烧光照粒子怼。突显一个便宜。

粒子怼是要花钱的,需要加速粒子射出去撞击别的粒子。但α射线是天然放射出来的,不用实验制备,那太好了,经济实惠。在大型对撞机还没发明前,就用α射线射不同的粒子,看能撞出些什么。人工放射性就是这么来的,某些元素明明不放射,结果用α射线去怼它,怼出了新粒子。

卢瑟福发现α射线后,就开始各种怼。在实验室中间放块很薄的金箔,α射线穿透了金箔,打到了后面的接收屏上。

一天卢瑟福突发奇想,将金箔和接收屏换个位置,看看会不会有α射线打到金箔上被反弹回来。结果接收屏上显示出稀少的α粒子,说明大部分α粒子直接穿透了金箔,但有部分α粒子居然真的被金箔反弹回来了。

这就很奇怪了,α粒子速度高达每秒200万米,就好像子弹射纸,结果少数子弹被纸片反弹回来了。唯一的解释就是纸片上分布着一些极其坚硬的点,少数子弹恰好击中硬点,被反弹回来。

当时已知的粒子是原子和电子,人们认为原子是西瓜模型。原子就像一个西瓜,电子就是里面的西瓜籽,电子带负电,原子内部其他地方带正电,所以原子整体不带电,如图:

但这种模型无法解释部分α粒子被反弹回来的现象,因为如果西瓜模型是正确的,α粒子要么撞碎原子全部穿过去,要么撞不碎原子全部反弹回来。

卢瑟福就想可能原子不是西瓜模型,并根据α粒子的散射截面计算出原子内部大部分是空的,只有中间有一个硬核,电子环绕着中间这个硬核。所以大多数α粒子直接从原子空间处穿过去了,啥都没撞到。部分α粒子撞到了中间的硬核反弹了回来。

卢瑟福于1911年公布了我们现在熟悉的原子行星轨道模型

那原子中间那个硬核究竟是啥?卢瑟福继续拿α粒子轰击各种原子,发现一个共有现象,都有一种带正电的粒子被轰击出来,质量和氢原子一样。

1920年卢瑟福公布了实验结果,将原子中间的这个带正电的硬核命名为“质子”,还预测原子核里应该还有个不带电的粒子,就是日后被发现的“中子”

这就是我们初中物理的粒子观:原子不是基本粒子。原子内部大部分空间都是空的,中间有个原子核,原子核由带正电的质子和不带电的中子组成,带负电的电子围绕着原子核转。

卢瑟福由此也被称为“原子核之父”。JJ汤姆森也将卡文迪许实验室的第四任主任交接给了卢瑟福。荣誉太多,以至于月亮上一座环形山被命名为卢瑟福看上去也没什么了。

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