原子核物理学的发展史

原子核物理学的发展史从X射线到量子力学

08物本(2)班 廖建文，陈榕，郑恒，王世鸣

一、伦琴和X射线的发现19世纪末，阴极射线的研究曾是物理 学的热门课题。许多物理学家都致力 于这个方面。在德国的维尔茨堡大学， 实 验 物 理 学 家 伦 琴 感兴趣。 伦琴是一个热爱生活的人。他与妻子感情极好； 他们没有孩子，收养了侄女。他们的生活很幸福， 社会对他们也十分恩宠。 (Wilhelm

Reontgen,1845-1923)也对这个问题

X射线的发现1895年11月8日上午，伦琴到实验室工作，一个偶然现象引起了他的注意。 当时，房间一片漆黑，放电管用黑纸包得很严实。他突然发现在一米开外 的小桌上，一块亚铂氰化钡做成的荧光屏发出闪光。他很奇怪，就移远荧 光屏继续试验。只见荧光屏的闪光仍随放电过程的节拍继续出现。他取来 各种不同的物品，包括书本、木板、铝片等等，放在放电管和荧光屏之间， 发现不同的物品效果很不一样，有的挡不住，有的起阻挡作用。显然从放 电管发出了一种穿透力很强的射线，穿过黑纸到达了荧光屏。为了确证这 一新射线的存在，并且尽可能了解它的特性， 伦琴用了6个星期深入地研 究这一现象。1895年底他以通信方式将这一发现公之于众。

“机遇只偏爱有准备的头脑。”在科学发展的历程中，机遇是客观存在的，机遇作为一种偶然性， 有其必然性的一面。如何把握机遇，是问题的关键。X射线、放射 性的发现，生动地说明了这一点。

偶然与必然

X射线在人们研究阴极射线的过程中被发现是有其必然性的。因为 正是高速电子打到靶子上，才有可能激发出这种高频辐射。所以， 即使不是伦琴，也一定还会有别人作出这一发现。伦琴有机会发现 这一现象，当然有一些机遇性。然而，伦琴之所以能抓住这一机遇， 又和他一贯的严谨作用、客观的科学态度分不开。所以，这一发现 对于伦琴来说，又有其必然性。

错过了机会1887年，早于伦琴发现X射线8年，克鲁 克斯(W.Grookes)曾发现保存在放电管附 近盒子中的照相底片变黑了，克鲁克斯 把变黑的底片退还厂家，错误地认为底 片质量有问题。

1894年，J.J.汤姆生(J.J.Thomsom)在测 阴极射线的速度时，也作了观察到X 射线的记录。他当时没有功夫专门研 究这一现象，只在论文中提了一笔， 说看到了放电管几英尺远处的玻璃管 上也发出荧光。

勒纳(P.Lenard)是研究阴极射线的权威学者之一。他在研究不同物质对阴极射线的 吸收时，肯定也遇到了X射线。他后来在荣获1905年诺贝尔物理学奖的演说词中说： “我曾做过好几次观测，当时解释不了，准备留待以后研究。不幸

没有及时开始。” 不过，即使勒纳及时研究，也难于作出正确结论，因为伦琴宣布X射线的发现以后， 他还坚持认为X射线不过是速度无限大的一种阴极射线，把两者混淆在一起。而伦 琴则明确加以区分，认为X射线是本质上与阴极射线不同的一种新射线。把发现X 射线的荣誉归于伦琴，并授予首届诺贝尔物理学奖，当之无愧。

二、贝克勒尔发现放射性1896年1月，法国著名数学物理学家彭加勒(J.H.Poincare)看 到伦琴X射线的论文后提出了一个重要的想法：射线是从阴 极射线击在管壁上而产生的荧光亮点发射出来的，即指出这 种现象可能与荧光有关。即使这一想法并不正确，但它却对 贝克勒尔的实验起了最初激励的作用。 1896年3月，43岁的贝克勒尔在彭加勒的启发下，发现了轴 盐的放射性，这种轴盐辐射称为贝克勒尔射线，以区别于伦 琴射线。贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现X射线那样 轰动一时，意义却更为深远，因为贝克勒尔的实验导致了居 里夫妇镭的发现。人类第一次对核现象的接触，为后来的发 展开辟了道路。

亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel,1852~1908)

荣获诺贝尔奖1903年，贝克勒尔“由于他发现了自发放射性这一特殊的贡献”而荣获诺贝尔 物理学奖(和居里夫妇共同分享)。 1907年他被选为科学院副院长，1908年为院长。 此后不久，因心脏病猝然去世。

三、居里夫人和镭的发现贝克勒尔发现放射性的论文吸引了玛丽·居里。1897年， 她与丈夫皮埃尔·居里讨论说：“研究这种现象对我好像 特别有吸引力……我决定承担这项研究工作……为了超越 贝克勒尔已经得到的研究成果，必须采用精确的定量方 法。” 于是，居里夫人选取放射性作为自己的博士论文题目。 通过用新的方法重复贝克勒尔的铀盐辐射实验，使放射 学的研究走了上严密定量的道路。玛丽·居里

坚毅、勤奋

钢铁是这样炼成的!居里夫人是一位不知疲倦的科学家， 她曾经说过，“一个人一定不要注 意自己已经做了些什么，而应该只 注意还有什么没有做！” 1898 年 7 月 ， 玛 丽 · 居 里 (Marie Curie,1867-1934) 夫 妇 发 现 钋 ( polonium), 12月发现镭。两次获得诺贝 尔奖！

放射性化学的主要创始人1898年4月玛丽的第一篇关于铀射线的论文包括三个主要的新观点： (1)她不仅重新证实了贝克勒尔关于铀的发现，而且发现了一个新的放射 性物质：钍。“钍氧化物的放射性甚至比金属铀更强”。 (2)“所有铀的化合物都具有放射性，一般来说，放射性越强，化合物的 含铀量越多”。(注：这条实验结论不如卢瑟福和索迪于1902年所提到的 理论精确：“放射性物质含有不

稳定的原子，这些原子在单位时间内有 确定的部分发生衰变。”但是，仅仅9个月后她就获得了正确的结论： 1898年12月提交的论文中，玛丽·居里“已经证明了放射性是单个原子的 特性”。 (3)她引了一个极重要的新的物理概念：放射性是一种发现新物质的方法。

1898年：辉煌的一年他们用普通的化学方法共同对沥青铀矿进行处理。1898 年7月，发现了放射性物质“钋”(po),命名为“钋” 是为了纪念玛丽·居里的祖国波兰。 1898年12月26日，经过在无法遮风避雨的工棚中长年累 月的艰辛工作，利后钡进行沉淀的方法，他们从100公斤 沥青中提炼出了另外一种放射性物质：镭。8吨铀矿=1克镭

荣获诺贝尔奖1900年皮埃尔被任命为索尔本的助理教授，而玛丽则在一所女子高中 任教。 1903年，玛丽完成博士学位论文。以“极优”的评语获得博士学位。 在她获得学位的那一天(7月25日)的晚上，她第一次遇见了卢瑟福。 1903年11月，居里夫妇得知他们将和贝克勒尔一起共同获得当年的诺 贝尔奖，授奖的原因是“他们在贝克勒尔教授发现的放射性现象的共 同研究工作中，做出了特殊的贡献”。

荣获诺贝尔奖1903年12月11日，《纽约时代》杂志发表了评价居里夫妇的评论： “据信镭的发现者不像人们所想像的那样从工作中获得了许多物质利 益，因此他们的遍布世界的崇拜者在得知他们获得了诺贝尔奖以后都 非常高兴。” 居里夫妇没有亲自去参加授奖仪式，一方面是他们身体不好，同时也 因为工作太忙。当1905年6月他们去斯德哥尔摩时，只是皮埃尔发表 了个获奖演说，而她的妻子则坐着旁听。1904年，索尔本学校为居里 设立了一个特殊的教席。

再获诺贝尔奖1911年12月11日，她在诺贝尔演讲中回忆说许多发现都是“皮埃 尔和我共同合作的结果，……尽管将纯镭从它的盐中分离来……这项 具体的化学工作由我完成，但是它和我们共同的工作有着紧密的联 系……因此我感到……我们的共同工作是使我获得这么高荣誉的原因。 这也是对皮埃尔·居里最崇高的纪念。”

四、卢瑟福和α射线的研究在放射性和镭发现以后，对于核物理学来 说，最重要的工作莫过于α射线的研究了。 正是由于对α射线的研究，人们掌握了放 射性的衰变规律；通过 α射线的大角度散 射，1911年发现了原子核；用α粒子打击 轻原子，实现了人工核转变。这些新的发 现都和卢瑟福的执著追求分不开。

卢瑟福1871年生于一农村工匠家。从小就对物理学和 实验仪器制作有特殊爱好。1894年做研究生期间，发 明了可用于检测无线电信号的磁检波器；1895年，选 送到英国剑桥大学卡文迪

什实验室，成了J.J.汤姆生的 研究生，在这里开始了放射性的研究，1898年发现了 α 射 线 和 β 射 线 。 1900~1903 年 ， 他 与 化 学 家 索 迪 (F.Soddy)合作，发现了放射性衰变规律，并与索迪一 起创立放射性元素自然转变理论。1908年卢瑟福荣获 诺贝尔化学奖。卢瑟福 (Ernest Rutherford, 1871~1937)

卢瑟福怎样发现α射线的？贝克勒尔发现的轴辐射包含有三种成分，在磁场中它们分成三束， 它们分别是带正电的α射线，带负电的β射线，和不带电的γ射线， 一种波长极短的电磁波。 然而，卢瑟福并不是靠加磁场区分出这些成分的，当时他没有足 够的磁铁。他用的是吸收方法。1898年，卢瑟福以观测细致、对 待实验数据客观谨慎的科学作风，经过反复验证，判定穿透力较 差，进入物质层很快就被吸收的成分是α射线。穿透力较强的成 分是β射线。

卢瑟福怎样发现α射线的？不久，有人从磁偏转实验证明，穿透力强的β射线正是高速电子流。 可是α射线到底是什么，一直是个谜。很多人认为，也许α射线是 与X射线类似的某种辐射。有人甚至认为α射线没有什么好研究的。 卢瑟福则不一样，他的看法是，这种射线的性质越是奇特，越值 得研究。 α射线很容易被物质吸收，说明它跟物质的作用强，只 有彻底摸 透α射线的本质，才能建立完整的放射性理论。他知难 而进，毅然选择了α射线作为自己的研究课题，甚至为此付出了毕 生的精力 。

α射线是是带正电的粒子流卢瑟福精心设计了电磁偏转实验来研究α射线。可是初步实验结果 令人失望， α射线受磁场作用与不受磁场作用看不出有什么不同。 有丰富实践经验的卢瑟福改进了实验装置，使仪器的灵敏度大大提 高，终于确定α射线会受磁场偏转，从偏转方向判断α射线是正电。 接着，卢瑟福进一步对仪器作了一番改进，测出α射线的荷质比与 氢离子同数量级，速度大约为光速的十分之一。这样就判明了α射 线是原子类型的带正电的粒子流。

α射线是高速运动着的氦离子(He++)流至于是哪种类型的原子，则一时难以确定，根据种种现象和事 实，有人猜测是比氢重的氦。1909年卢瑟福以巧妙的方法从光 谱作出了判决性证明，“证明α粒子在失去电荷之后就是氦原 子。” 经过这样一些实验，卢瑟福终于搞清楚了α射线的本质，证明α 射线就是高速运动着的氦离子(He++)流。

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