什么是中子发现的前夜？

Question

如题所述

Answer 1

任何新事物的诞生都是有背景、有原因的，中子的发现也是一样，它是历史发展的必然产物，也是应运而生的新事物。我们已经知道了卢瑟福在大量的实验事实的基础上提出了原子有核结构的模型：原子有核，核外有电子；核电荷数与核外电子的电荷数相等；电子就像太阳系的行星那样沿着各自的轨道绕核旋转。所以，卢瑟福的原子有核模型也称为“行星模型”。

对于这个“行星模型”，大家都非常关心的一个问题是：原子核电荷有多少？它和核外电子数有什么关系？

1911年，英国的物理学家C.G.巴克拉在实验时注意到各种不同原子所发射的X射线，在穿透物质时，其穿透力不相同的物理现象。后来，巴克拉把它叫做元素的“特征X射线”。1913年，英国的物理学家H.莫塞莱对X射线与各种原子的作用作了深入的研究，并取得了出色的成果。莫塞莱准确地测出了各种原子的特征X射线，同时他还发现：原子量越大的原子，它的特征X射线的波长就越短，这种情况形成了一个很明显的规律，以至可以按照各种元素的特征X射线的波长大小，给出元素的排列顺序。莫塞莱还建议：按照特征X射线的波长由大到小的顺序来确定原子序数。他还断定，原子序数就是该元素的核电荷数。根据莫塞莱的这种排列顺序，在当时的元素周期表中至少还有七个空位，它们的原子序数分别是43（锝）、61（钷）、72（铪）、75（铼）、85（砹）、87（钫）、91（镤）。果然，到1946年止，这些元素都被陆续地发现了。

1916年，德国化学家科塞尔正式把原子序数引入元素周期表，并以它代替门捷列夫的原子量。这种排列，显示出元素的物理性质和化学性质随原子序数的增加而周期地变化，也就是元素的物理性质和化学性质随着核电荷数的增大呈现周期性的变化。这一发现，引起了人们的极大兴趣，它还导致了许多自然科学家对原子核结构的探讨和猜想。

对原子核结构最早提出设想的是居里夫人，即玛丽·居里。她在一次会议上曾提出过：原子核应由带正电的粒子和电子所构成的。居里夫人的设想在当时得到许多物理学家的支持，因为它能解释放射性物质既能放出α粒子，又能放出β射线的事实。可是，当时更多的物理学家对原子核的电荷发生浓厚的兴趣，他们想：原子核中的电荷是什么东西？原子核到底是由什么组成的？

要想揭示原子核究竟是由什么组成的，就必须将原子核打破，看看会产生什么。1917年，卢瑟福第一次成功地实现了核裂变，当时他还在曼彻斯特大学。有一天召开战争研究委员会会议，卢瑟福迟迟不到，等他到了会场后，他解释说：“我是在进行表明原子能够人为裂变的实验。如果实验能成功，这可远比一场战争要重要得多！”

还是在很早的时候，卢瑟福就注意到，涂覆有α发射体镭的衰变物的金属源，总是产生一些能使硫化锌荧光屏闪光的粒子，这些粒子所穿行的距离超过α粒子在空气中的穿行距离。卢瑟福在磁场中研究了这一现象，发现造成闪烁的这些粒子是氢的原子核，也就是我们今天所说的质子。可是，这些质子是偶然出现于金属源上的氢原子受α粒子碰撞而产生的反冲核，还是从比氢更重的元素中打出来的呢？一定要搞个清楚！

卢瑟福将一个镭放射源放入一个抽成真空的金属盒内，盒上的小孔用一块非常薄的银板覆盖。银板会让α粒子逸出并打到硫化锌板上，也能防止空气进入盒中。卢瑟福在银板和硫化锌屏之间放置了各种金属箔，或让各种气体进入金属盒，在这些不同的情况下，观察闪烁次数的变化。结果，他发现，在大多数的情况下，闪烁率与金属箔或气体的阻止能力成比例地减小。然而当把干燥的空气注入金属盒，闪烁率却猛增！卢瑟福用组成空气的氧、氮等重复这一实验，最后得出结论，闪烁效应是由于镭放射源发射的α粒子与空气中的氮原子核发生相互碰撞所造成的。

卢瑟福的发现是氮原子核的裂变过程，在这一过程中，一个α粒子撞入氮原子核，并打出一个质子。就这样，α粒子打碎了氮的原子核，实现了原子核的人工裂变。但遗憾的是，发现由氮核打出的质子，以及长期观察到的原子核作为β射线发射电子的现象，只是有利于证实原子核由质子和电子构成的一般观点。实现原子核的人工裂变，这是个令人鼓舞的发现，在这种喜庆的氛围下，当时的物理学界接受了原子核结构的“质子—电子”模型。