第十二章 物质的微观结构参考资料

1．电子的发现

对原子内部结构的认识是20世纪最伟大的发现之一，这是从1897年英国物理学家J．J．汤姆孙发现电子开始的。电子的发现是与阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究又是从真空管放电现象开始的。早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时就发现了阴极射线。普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光。当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化。可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。

阴极射线究竟是什么呢？在19世纪30年代，许多物理学家投入了研究。当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，并根据偏转角度算出阴极射线粒子的比荷（），要比氢离子的比荷大1 000倍之多。当时，赫兹和他的学生勒纳德在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电。实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场。J．J．汤姆孙设计了新的阴极射线管（图1），在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过A和B聚焦，从另一对电极D和E间的电场中穿过。右侧管壁上贴有供测量偏转用的标尺。他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转。但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的偏转，根据偏转方向可明确判断阴极射线是带负电的粒子。他还在管外加上了一个与电场和射线速度方向都垂直的磁场（此磁场由管外线圈产生），当电场力eE与磁场的洛伦兹力evB相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经推算可知，阴极射线粒子的比荷≈1011C/kg。通过进一步的实验，汤姆孙发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的比荷保持不变，可见这种粒子是各种材料中的普适成分。

1898年，汤姆孙和他的学生们继续做直接测量带电粒子电荷量的研究。其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷量是1.1×10-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的。于是，汤姆孙最终解开了阴极射线之谜。这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷量值，其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e＝1.34×10-19C，1913年最后测得e＝1.59×10-19C。在当时条件下，这是一个高精度的测量值。近代精确测得的电子电荷量e＝1.602 173 3（49）×10-19C（括号中的值是测量误差）。

2．气泡室

气泡室是探测高能粒子的仪器。鲍威尔的核乳胶技术和威尔逊的云室在检测低能粒子时很有用，但要探测和测定高能粒子，在技术上就要能在比云室更快和更长的路径上做出记录。

气泡室是一种装有透明液体（如液态氢、氦、丙烷、戊烷等）的耐高压容器。它的工作原理是：在特定温度下突然减压，使工作液体在极短时间内（一般为50 ms）处于过热的亚稳状态，而不会马上沸腾。这时若有高能带电粒子通过，就会发生局部沸腾，并在粒子经过的地方产生大量的气泡，从而显示出粒子的径迹，根据径迹的长短、浓淡等数据，能清楚地分辨出粒子的种裂和性质。气泡室因密度大、循环快，它所搜集到的各种信息大约是云室的1 000倍。

美国物理学家格拉泽（D．A．Glaser，1926－）因发明气泡室获得了1960年度诺贝尔物理学奖。气泡室在高能物理研究中起着重要的作用，人们借助它与高能加速器联用，发现了许多基本粒子以及100多种共振态。气泡室为粒子物理的研究开拓了新的领域，在原子核科学技术史上也是一个创举。

3．14C鉴年法

来自地球外的宇宙线含有大量质子，入射到大气层后，与大气中的原子核发生反应，产生许多次级中子。这些次级中子又与大气中的氮（主要是14N）发生反应而产生放射性同位素14C：

n＋14N→14C＋p（放热），

14C自发地进行β衰变：

14C→14N＋e-。

由于宇宙线中的质子流是恒定的，大气的组成也是恒定的，从而次级中子流也是恒定的，这使得14C的产生率保持恒定。经过一定时间后14C的产生和衰变达到平衡，其数量保持不变。在大气中本来存在着稳定的12C，根据实验测定，大气中14C与12C的数目之比为1.3×10-12，此比例基本上与纬度无关。

植物吸收空气中的二氧化碳（包括14C和12C），动物又以植物为食物，通过食物链和新陈代谢，动植物和大气中的碳经常进行着交换，所以活体内14C和12C的比例与大气中的一样。当生物死亡后，这种交换停止了，生物体内的14C因衰变而减少，却得不到补充，从而生物遗骸中14C和12C的比例下降，下降率与14C的半衰期有关。这样，我们就可以从生物遗骸中14C和12C的比例确定遗骸的年代。这种测年代的方法就叫做“14C鉴年法”。“14C鉴年法”的先驱利比（W．F．Libby，1908－1980）于1960年获得诺贝尔化学奖。

因受到14C半衰期的限制，用此法测定的年代范围，约在100～30 000年之间比较准确。

（摘自新概念物理教程《量子物理》，赵凯华、罗蔚茵著）

4．卢瑟福的α粒子轰击氮核实验

1919年，卢瑟福用镭原子放出的、具有2×104m/s高速的α粒子作为“炮弹”来射击氮原子核时，观察到了一个奇怪的现象。图2是实验装置示意图。密封容器C里放有镭放射源A，从A放出的α粒子射到一张薄银箔F上，适当选取银箔的厚度，使α粒子恰好被它完全吸收，而不会透过。在银箔F的后面放一个涂有硫化锌的荧光屏S，用显微镜M可观察到荧光屏上是否出现闪光。当容器C不充气时，因为α粒子已全部被银箔吸收掉，荧光屏上不会有闪光。当通过阀门T往容器C里通入氮气后，从荧光屏上却观察到了闪光。如果把氮气抽掉，换进氧气或二氧化碳的话，荧光屏上的闪光又不见了。后来，把这种能使荧光屏闪光的粒子引进电场和磁场中，根据它在电场和磁场中的偏转，测出了它它的质量和电荷量，确定它就是质子。

新的问题又发生了：这些质子是从什么地方来的呢？为了弄清这个问题，英国物理学家布拉凯特在充氮的云室里做了上述实验。实验目的是想弄明白：如果质子是α粒子直接从氮核中打出的，那么在云室里会看到4条径迹，即入射α粒子径迹、碰撞后的α粒子径迹、质子的径迹、抛出质子后的新核的反冲径迹；如果α粒子打进氮后形成一个复核，这复核立即发生衰变而放出一个质子，那么在云室里只能看到3条径迹，即入射α粒子的径迹、质子的径迹、新核的反冲径迹。布拉凯特拍摄了20 000多张云室照片，终于从40多万条α粒子径迹的照片中，发现有8条产生了分叉，表明了上述第二种设想是正确的：分叉后细而长的是质子的径迹，短而粗的是新核的反冲径迹。

5．查德威克发现中子

中子发现的历史值得回顾。在查德威克发现中子前，实验中已有迹象表明：在原子核中可能存在一种中性粒子。例如，1930年德国物理学家玻特和他的学生利用α粒子轰击铍（Be）时，发现产生了一种穿透力极强的射线。后来，居里夫人的女儿I·居里和她的丈夫F·约里奥-居里，对这种射线进行了研究。他们将这种射线射到石蜡上，测到了有反冲质子从石蜡中放出，他们认为这反冲质子是由某种不带电的射线所轰出来的（图3）。但遗憾的是，约里奥-居里夫妇和玻特等人都没能抛弃传统的旧观念，而断言这种射线正是大家知道的γ射线。太可惜了！其实他们只要根据打出质子的动能仔细地推算一下，假如入射粒子是γ光子的话，那么它的能量将达几十兆电子伏，要比实验测得的这种未知中性粒子的能量大得多，于是就会发现，这种未知的中性粒子不可能是γ射线。后来他们回顾这段研究工作时说，如果他们读过并领会1920年卢瑟福的演讲内容，了解卢瑟福的中子假说，那么就会对实验作出正确的分析和判断。约里奥-居里夫妇的研究跟诺贝尔奖擦肩而过，太可惜了！

当时，查德威克对“核内可能存在中性粒子”早有思想准备，在知道约里奥-居里夫妇实验结果后，马上意识到质子是被某种新的中性粒子所击出的。正如德国生物学家巴斯德所说：“在观察的领域里，机遇只偏爱那些有准备的头脑”。查德威克仔细地研究了这种射线，发现这种射线在磁场中不发生偏转，可见它是中性粒子流。他测出了这种粒子的速度不到光速的，因此排除了它是γ射线的可能。接着，查德威克用这种射线轰击氢原子和氮原子，打出了一些质子和氮核。他测出了被打出的质子和氮核的速度，并根据弹性碰撞理论推算出这种射线粒子的质量m≈1.15 mH。后来更精确的实验测出，中子的质量非常接近质子的质量，相差极少。（中子质量是1.008 665 u，质子质量是1.007 227 u，式中u是原子质量单位，1 u＝1.660 540 2×10-27kg）

6．核力

在接受了原子核由质子和中子组成的假设后，人们不禁要问：带正电荷的质子怎么能聚集在一起呢？在中子发现前，人们只知道在自然界中有两种相互作用：电磁力和万有引力，两者都是长程力，大小都与距离的平方成反比。其中电磁力比万有引力强得多，单独核子间的万有引力远不能克服静电斥力而将质子聚到原子核这么小的体积中。为此，物理学家认为有第三种相互作用存在，即核子间有核力作用。核力有以下特点：

①核力是一种强相互作用，比库仑力大得多。实验证实，在吸引范围内，核力约是静电斥力的100倍。

②核力是短程力，只有当两核子间距离为原子核的尺度时，才有相互作用。当核子间距离大于0.8fm（1 fm＝10-15m）时表现为吸引力，且随距离增大而减小；到10 fm时，核力几乎消失。而在距离小于0.8 fm时，表现为斥力，可以阻止核子互相融合在一起。目前，对核子间距离r＞0.8 fm时的吸引范围了解得比较清楚；而对r＜0.8 fm时的核力还不十分清楚，因为核子靠得这么近时，要了解它们间的相互作用，必须考虑到核子的内部结构，即要考虑到核子的组成物（夸克）间的相互作用，情况就变得复杂了。

③核力有饱和性。实验指出，所有核子结合成原子核时放出的能量（结合能），近似与总的核子数成正比，每个核子的平均结合能是个常数，跟核子总数的多少无关，这就是核力的饱和性。这种饱和性使原子核呈现不可压缩性，即原子核的密度近似为常数。

7．“基本粒子”不基本

迄今，从实验结果来看，直到10-18m的线度内，电子仍无结构，但核子是有结构的。类似于卢瑟福用α粒子轰击原子一样，科学家们用高能电子（如波长为10-16m、能量为1016eV）去轰击质子，看到了“卢瑟福散射的影子”，即说明质子的电荷也不是均匀分布的，而是由一些“硬心”所组成，电荷集中在这些“硬心”处。跟原子不同的是，质子中“硬心”不止一个。这充分表明了核子有结构。

那么组成物是什么呢？1964年，美国物理学家盖尔曼提出了强子是由夸克组成的夸克模型。几乎同时，中国科学家也提出了强子是由层子组成的层子模型。到1994年为止，科学家们做的一系列实验，证实了夸克模型的正确性。

从19世纪末发现X射线，已经历了一个多世纪。在这一个世纪中，人类在探索和认识微观世界的道路上取得了辉煌的成果。人们对世界的构成有了新的认识，那就是从宇观→宏观→微观。具体地说，是从宇宙→银河系→太阳系→地球→凝聚态物质→分子→原子→原子核→强子→夸克或轻子。这是人们逐步认识到的一条物质结构链。但是，至今在粒子物理中还有不少谜，待人们去探索、去研究。

8．链式反应的可能性和可控性

（1）链式反应的可能性

在一次铀核裂变中可放出2～3个中子，平均可放出2.4个中子，这些中子被称为第一代中子。如果我们能使这些中子至少有一个能继续轰击铀核，使之发生裂变，继而又产生第二代中子。这样不断继续下去，中子数会不断增加，可能实现链式反应。

值得注意的是，在这2.4个中子里包括了瞬发中子和缓发中子两类。瞬发中子是在很短时间（10-3s）内从裂变后高温碎片中蒸发出来的。可以设想，如果完全靠它来实现链式反应，中子的增殖周期极短，无法人为控制。缓发中子是由处在激发态的裂变产物所放出的，寿命相当长，使我们有足够的时间去控制反应，即通过缓发中子的发射来控制反应速度，使控制链式反应成为可能。

（2）维持链式反应的充分必要条件：中子产生数－中子消耗数≥1。

①中子必须慢化。每次裂变放出的第二代中子的平均能量为2 MeV，属于快中子。快中子可使235U发生裂变，若打到238U上，裂变可能非常小，仅是慢（热）中子引起裂变概率的。因此，必须把裂变中子慢化到热中子。为此，在反应堆中要用慢化剂。常用的慢化剂是水（H2O）、重水（D2O）和石墨。普通水比重水和石墨的慢化性能差些，但普通水易处理，便于大规模应用。

②用控制棒控制反应速率。反应堆的反应速率控制，主要是靠缓发中子数量的控制。实际设计是使用对慢中子有很强吸收能力的镉制成的控制棒，在反应堆芯中插进或抽出，控制吸收中子的多少，以达到控制反应速率的目的。

9．快中子增殖反应堆

快中子生产堆是由快中子来产生和维持链式反应的反应堆。

目前，利用235U作为燃料的反应堆，虽然发电成本低于煤电，但是由于235U只占天然铀中的0.72％，其中99.28％的238U没有充分利用。由快中子来产生和维持链式反应的反应堆——快中子增殖反应堆，有可能实现核燃料的增殖，迄今已经过技术验证。这种快中子堆是以239Pu（钚）受中子轰击而发生裂变，它所放出的平均中子数要比由中子引起的235U裂变所放出的中子数还多，因而可以实现链式反应。另外，堆中还安放238U作为增殖原料，因238U俘获中子后可生成239Pu。这样有可能使新生的239Pu比消耗的还多，实现核燃料的增殖。这种堆的成功，可使铀资源的利用率提高60～70倍。

10．放射性核废料的处理

21世纪核能必将成为我国能源构成的重要支柱，核电站放射性废料的处理，是核电能否大规模长期应用的关键制约因素之一。我国科学家提出了开展放射性洁净核能系统的研究。因为从反应堆中卸出的核废料中，不仅还存留一定量的235U，以及从238U中转变而成的239Pu，这些可以回收；还有一些原子序数比Pu高的核素及裂变碎块，这些都是高放射性废料。其中有些核素寿命长达几百万年，如不加以妥善处置，泄人生物圈，将危害人类的生存环境。

以前，一般是把这些液体的废料回收后，经多层包装放到远离人群、有稳定地质构造的地方深埋，令其自然衰变。这种被动式的处置方法，实际上不能从根本上解决潜在的放射性危害。近十年来，正在研究一种“分离-嬗变”技术，即把这种长寿命核素从反应堆的核废料中用化学方法分离出来，然后放人反应堆中，经中子轰击引起核反应，使这类长寿命核素转变为短寿命（如几十年）核素，这个过程称为“嬗变”，从而根本上解决长寿命核废料的处置。这种“分离-嬗变”技术是当前核能研究中的热点。

11．建立物理模型的研究方法

对微观世界的探索，显然不能用肉眼“看”，人类就用建立物理模型的方法去打开这个神秘的世界。物理模型是一种高度抽象的理想客体和形态。用物理模型可以使抽象的假说理论加以形象化，便于想像和思考研究问题。物理学的发展过程，可以说就是一个不断建立物理模型和用新的物理模型代替旧的或不完善的物理模型的过程。例如，对原子结构的认识就是从“葡萄干蛋糕模型”开始的，随后从卢瑟福α粒子散射实验出发，提出了“原子核式结构模型”，丹麦物理学家玻尔又以“定态、跃迁”理论解释了核式结构模型与经典电磁理论之间的矛盾等。

12．科学假说的方法

人类为了探索错综复杂的自然现象，揭示自然发展的规律，创立科学的理论，往往要根据已有的科学原理、科学事实，经过一系列的理论思维过程，预先在自己的头脑中做出一些假定性的解释。这种推测性解释尚未经过实践检验，只是一种假说。如果被实践证明了是正确的，那么它就由假说上升为理论。否则就需要进行修改或提出新的假说，直到达到目的为止。这种物理学研究方法叫做科学假说的方法。

13．核物理学家王淦昌

著名核物理学家王淦昌（1907～1998）（图4），江苏省常熟县人，我国核科学的奠基人和开拓者之一，中国科学院资深院士。1929年毕业于清华大学物理系。1930年赴德国柏林大学留学，1933年获博士学位。在他结束留学生涯之时，他去了英国、法国、荷兰、意大利等国，向卢瑟福、查德威克、埃利斯等物理学家学习了最新的物理学理论和实验技巧，于1934年回国。

王淦昌是我国实验原子核物理、宇宙线及基本粒子物理研究的主要奠基人和开拓者，在国际上享有很高的声誉。在70年的科研生涯中，他奋力攀登，取得了多项令世界瞩目的科学成就。1941年，他独具卓见地提出了验证中微子存在的实验方案，并为实验所证实。1959年，他在苏联杜布纳联合原子核研究所领导一个研究小组，在世界上首次发现了反西格马负超子，把人类对物质微观世界的认识向前推进了一大步。1964年，他提出了用激光打靶实现核聚变的设想，成为世界激光惯性约束核聚变理论和研究的创始人之一，使我国在这一领域的科研工作走在当时世界各国的前列。1984年，他又领导开辟了氟化氪准分子激光惯性约束核聚变研究的新领域。

王淦昌是我国核武器研制的主要科学技术领导人之一，核武器研究实验工作的开拓者。他参与了我国原子弹、氢弹原理突破及核武器研制的组织领导。从1961年起，他心甘情愿隐姓埋名17年之久，为中国的“两弹”作出贡献。

王淦昌不仅学术成就卓著，他的学风、科研道德和人品，也是人们学习的好榜样。热爱祖国是王淦昌身上最可贵的品德，也是他一辈子兢兢业业献身于祖国科学、教育事业的动力。作为一名科学家，他的学术思想非常活跃，对物理问题具有深刻的洞察力和正确的预见性，而且治学严谨。他对待科学是真诚的，对待人也是真诚的，是一位不说空话、不沽名钓誉的实干家。他不畏邪恶，正气凛然，坚持按客观规律办事，不说违心话。王淦昌热情关怀年轻人的培养与成长，扶掖后进，不遗余力。

王淦昌是一位把智慧和精力全部奉献给了中国人民的科学家，他以杰出的科学成就和高尚的品德，赢得了我国科学界的尊敬和爱戴。

其他

（一）本章自测题参考答案

1．略

2．A

3．C

4．B

5．（A）-（c），（B）-（d），（C）-（b），（D）-（a）

6．A

7．略

8．D

9．A

10．1，2，3；1，1，1；3，3；1，2

11．20，3.2×10-19C

12．在水库中加进对人体无害的放射性同位素，用探测仪器就可以找到泄露地点，并从测到的放射强度得知洞的大小等情况

13．略

14．可在网上点击钱三强、邓稼先、王淦昌等人名查询

15．如古代原子论、汤姆孙模型、卢瑟福模型、量子力学模型、夸克模型等

16．略

（二）“英语角”译文

利用放射性辐射观赏油画

利用中子轰击油画并观察俘获中子后的原子核所产生的辐射，可用于分析画中隐藏层。作画颜料中的不同元素有不同的半衰期。图（a）是范·戴克的画“圣洛萨利为巴勒莫受灾难祈祷”（注：巴勒莫是意大利港城）。图（b）和（c）中的黑白图片，应用了对放射性元素衰变发射的电子敏感的特殊胶片。图（b）是由中子辐照几个小时后获得的，显示出有锰存在。锰存在于棕土，棕土是一种作为图画底色的赭色颜料（注：空白区是近代修补部分，没有锰）。图（c）则得自4天之后，此时棕土中的辐射已消失，而存在于木炭和骨炭中的磷，是主要的辐射元素。发现这幅图片倒置后是范·戴克用木炭制作的本人素描自画像，该自画像后被其本人的其他画作所覆盖。