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原子是如何被发现的?从发现过程到核能利用
作者:佚名    文章来源:本站原创    点击数:529    更新时间:2015-12-3    

  两百多年来,科学家为了证实原子的存在、内部结构以及放射性特性,前赴后继进行了大量的实验研究。

  

可见光无法看到单个原子。

  可见光无法看到单个原子。

原子由更小的粒子组成。

原子由更小的粒子组成。

  新浪科技讯 北京时间12月2日消息,据国外媒体报道,原子是一种非常神奇的粒子,它拥有复杂的结构,自然而然会发生神奇的变化。整个世界都是由大量微小的原子组成,原子又是由中子、质子和电子组成。两百多年来,科学家为了证实原子的存在、内部结构以及放射性特性,前赴后继进行了大量的实验研究。只有不断深入了解原子结构及其变化,才能更好地了解利用核能,探测并控制核辐射。

  原子非常小。物理学告诉人们,物质是由大量微小的原子组成,它们相互作用并构成了整个世界,但是原子用肉眼是无法看见的。对于许多人而言,仅知晓这一理论还不够。科学的一大成就在于,能通过真实的观测解开宇宙之谜。那么,人们是如何得出原子存在的结论呢?对于这些微小结构,我们了解多少呢?

  看起来证明原子存在的方法很简单:将它们置于显微镜下进行观测。然而,这个方法无法奏效。事实上,即使是最强大的聚光显微镜也无法看见单个原子。物体可见的原理在于它会反射可见光波,然而原子比可见光波长还小,以至于二者无法相互作用。换而言之,原子之于光是不可见的。但是,原子会对一些人们可以看见的物体产生可观测的效应。

  1785年,荷兰科学家简-英格豪斯对一个他无法理解的奇怪现象进行了研究:在实验室中,一些微小的煤尘粒子在酒精表面四处乱飞。在大约五十年后的1827年,苏格兰生态学家罗伯特-布朗也描述了一些有惊人相似之处的现象。当他移动显微镜观察花粉粒时,布朗注意到,一些花粉粒释放出随机四散开的微小粒子。一开始,布朗猜测这些粒子可能是某种未知的微生物。接着,他使用其它无机物质,如岩石尘埃,重复这一试验,结果还是观察到了同样的奇怪运动。为了解开这一现象之谜,科学家耗费了一个多世纪。随着爱因斯坦研究出一套数学公式,他实现了对这种名为“布朗运动”的特殊运动类型的预测。爱因斯坦的理论是:花粉粒产生的粒子之所以不停做无规则运动,是因为它们不断与数百万个更微小的水分子发生碰撞,而分子是由原子组成的。  伦敦科学博物馆馆长哈里-克利夫解释说:“爱因斯坦对这一运动的解释是,这些尘埃粒子受到单个水分子的碰撞影响后产生了运动。”

  

装有马耳他十字形金属的布鲁斯放电管。

装有马耳他十字形金属的布鲁斯放电管。

电流导致灯泡发光。

电流导致灯泡发光。

  到1908年,由计算验证的观测实验确证了原子的真实存在。之后的十年间,物理学家进行了更深层次的研究。通过分离单个原子,科学家开始进一步了解原子的内部结构。令人惊奇的是,原子还可以被分离开来,因为“原子”一词来源于希腊语“atomos”,意指“不可分”。不过,如今物理学家已经知道,原子不是一个坚固的小球,而是应该被看成微小带电的“行星”系统,主要由三部分组成:质子、中子和电子。质子和中子在一起形成一个“太阳”,即原子核,周围有像行星的电子环绕运动。如果原子小得不可想像,那些这些亚原子就更小了。有趣的是,在三个原子的组成部分中,最先发现的却是最小的电子。核中的质子是电子的1830倍大,打个比方就像一个小鹅卵石绕行一个热气球。

  然而,如何证明这些粒子存在呢?答案是,即使这些粒子很微小,但它们却能产生巨大撞击。1897年,英国物理学家汤姆森使用了一套特殊的奇妙方法证明了电子的存在。这种特殊装置就是克鲁斯电极管,这是一根形状奇特有趣的玻璃管,里面的空气几乎被一机器抽空。接着,在玻璃管的一端放入一个负电荷,足以去除管内气体分子的电子。电子带有负电荷,因此它们沿着玻璃管从一端流到另一端。由于内部真空,这些电子可在不受原子阻挡的情况下通过管道。电荷使得电子迅速运动,大约是每秒59500公里,一直撞到玻璃管的另一端,撞入拥有更多电子的原子中。更为神奇的是,这种微小粒子的碰撞产生了巨大能量,发出眩目的黄绿色光芒。克利夫称:“这是某种形式的首个粒子加速器,它将电子从管的一端推向另一端时加速,当电子撞到另一端时就发出了这种磷光。”由于汤姆森发现可以借助电磁场改变电子束的方向,因此他能够确定这不是奇异的光线而是带电粒子。

  

我们身边的所有物质都是由原子组成。

我们身边的所有物质都是由原子组成。

原子力显微镜能向我们展示单个原子。

原子力显微镜能向我们展示单个原子。

  人们也许会好奇,这些电子是如何单独绕原子作环绕运动的呢?答案是,电离作用。电离指的是原子或分子受到高能粒子的撞击等作用而变成带有正电荷或负电荷的离子。事实上,由于电子容易控制,因此它们可以在电路中运动。电子在铜线中的运动方式类似于火车运动,即从一个铜原子移动到下一个铜原子上,从而将电荷从铜线一端带到另一端。如此一来,原子不再是坚固的小物质块,而是可以改进或者进行结构改变的系统。电子的发现意味着,关于原子人类还可以了解更多。汤姆森的研究显示,电子带负电,但是他知道原子本身是不带电的。因此,他推理得出,原子一定带有某些神奇的正电荷粒子,以抵消电子的负电荷。20世纪初,科学家进行了大量实验确定了正电荷粒子,同时揭开了原子类似太阳系的内部结构。

  欧内斯特-卢瑟福及其同事进行了一项实验,他们将薄金属箔置于带正电荷的射线束之下,结果发现绝大多数射线都能正常穿过金属箔。但是,令研究人员惊奇的是,一些射线却被金属箔反弹回去。卢瑟福推测其原因是,金属箔中的原子必定含有一些带正电荷的微小密集区域,除此之外没有什么可以如此强烈地反射射线。他发现了原子中的正电荷,并同时证明这些正电荷与离散的电子不同,它们是被绑在某个紧凑的物质之中。换而言之,卢瑟福证实了原子中存在一个密集的核。

  然而,又出现了一个新问题。尽管科学家已能够对原子质量进行估测,但是即便知道原子核中某个粒子的重量,有关它们都带正电荷的想法也说不过去。克利夫解释说:“碳原子有六个电子,因此原子核中也有六个质子,即六个正电荷和六个负电荷。但是碳原子核的重量不止是六个质子的重量,它有十二个质子那么重。”早期有科学家认为,在原子核中还有另外六个粒子,它们与质子的质量一样,却不带电荷:中子。然而,无人能对此进行论证。直到20世纪30年代,科学家才真正发现中子。剑桥大学物理学家詹姆斯-查德威克为质子的发现作出了不懈的努力,直到1932年才在这一领域取得突破性进展。在此之前,其他物理学家曾用射线进行实验,他们在铍原子上尝试放射带正电荷的射线,方法类似于卢瑟福发现原子核。铍原子发射自身射线,这种射线既不带正电也不带负电,并且能够穿透物质。在这一时期,另一些科学家已经发现伽玛射线是中性且极具穿透性,因此科学家认为铍原子发射的就是伽玛射线。然而,查德威克对此深表怀疑。他发射了一些新型射线,并将射线瞄准富含质子的物质。出乎意料的是,这些质子如同被同样质量的粒子撞击,离开原物质飞入空中,而伽玛射线是无法令质子发生偏离的。如此一来,查德威克意识到,一定存在某种与质子质量相同且不带电的粒子——这就是中子。至此为止,有关原子的所有关键问题都已解决,但是故事还未完。

  

铀原子能一分为二。

铀原子能一分为二。

  尽管人们对原子的了解已大有进步,但是要对原子进行观测仍非易事。1930年左右,无人能给原子进行直接成像。然而,许多人都想直接观测到原子,以真正了解并接受它们的存在。诸如汤姆森、卢瑟福和查德威克等科学家曾使用的科研手段,对后世的原子研究具有重要借鉴作用,其中尤以汤姆斯研发的克鲁斯电极管实验最为有用。如今,许多电子束都是由电子显微镜发射的,最强大的显微镜能够生成单个原子的图像。由于电子束波长比光束波长短数千倍,因此电子波可受微小原子影响发生转向从而生成图像,而这是光束无法实现的。伦敦大学学院的尼尔-斯基帕指出,对研究特殊物质(如用来制作电车电池的物质)的原子结构的人而言,这种图像非常有用。我们对原子结构了解的越深入,物质的设计制作就能越高效可靠。目前,科学家使用原子力显微镜来对原子结构进行研究,原子力显微镜是一种可用来研究包括绝缘体在内的固体材料表面结构的分析仪器。将一对微弱力极端敏感的微悬臂一端固定,另一端的微小针尖接近样品,这时它将与其相互作用,作用力将使得微悬臂发生形变或运动状态发生变化,从而获取单个分子的图像。利用这一方法,研究人员最新公布了一系列奇妙的化学反应前后的分子图像。斯基帕补充说:“如今的许多原子研究都在探索,在高压或高温条件下,物质的结构会如何发生变化。许多人都知道,当一个物质被加热,它通常会膨胀。如果加热液体,你会发现原子拥有更为混乱的结构。这一切都可以直接从原子结构图中看到。借助查德威克在上世纪三十年代使用过的中子束,我们常做的实验是,朝许多物质发射中子束,从散射图样中可以推断原子核中散射出许多中子,从而计算出发生散射的物质的质量和大概体积。”

  然而,原子并不是丝毫不动的,安静稳定地等待检验。很多时候,原子会发生衰变,这意味着它们具有放射性。自然界中存在许多自然发生的放射性元素,它们在放射过程中产生能量,形成核能以及核弹。核物理学家的主要研究内容是,深入了解核反应时所发生的基本变化。利物浦大学的劳拉-哈克尼斯-布雷南是伽玛射线的研究专家,她表示不同类型的放射性原子会产生不同的伽玛射线形态,这意味着通过探测伽玛射线能量就可以对原子进行辨别。布雷南解释说:“借助探测器我们可以测量射线的存在,以及射线储存的能量,因为所有的原子核都有其特症指纹。”由于在射线探测区,特别是大型核反应区中存在各种不同的原子,因此精确了解存在哪些放射性同位素非常重要。科学家通常在核能厂,或者发生核灾难的地区进行这种探测。目前,哈克尼斯-布雷南及其同事正致力于探测系统的研究,她表示:“我们要做的是研发科技装备和手段,对一个三维空间进行成像,发现辐射的存在区域。”云室是一种核辐射探测器,也是最早的带电粒子径迹探测器。它利用纯净的蒸气绝热膨胀,温度降低达到过饱和状态,这时带电粒子射入,在经过的路径产生离子,饱和气以离子为核心凝结成小液滴,从而显示出粒子的径迹,可通过照相拍摄下来。这种探测手段的实验结果的确令人惊叹不已。哈克尼斯-布雷南用一句话很好地阐述了原子:“尽管原子非常小,我们却能从中获取非常多的物理学知识。”


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