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原子結構的發現過程

來源:未知作者:李興 點擊:所屬專題: 原子結構模型
一、基本線索 1.道爾頓原子模型(1803年):原子是組成物質的基本的粒子,它們是堅實的、不可再分的實心球。 2.湯姆生原子模型(1904年):原子是一個平均分布著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子。 3.盧瑟福原子模型(1911年):

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一、基本線索

1.道爾頓原子模型(1803年):原子是組成物質的基本的粒子,它們是堅實的、不可再分的實心球。

2.湯姆生原子模型(1904年):原子是一個平均分布著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子。
3.盧瑟福原子模型(1911年):在原子的中心有一個帶正電荷的核,它的質量幾乎等于原子的全部質量,電子在它的周圍沿著不同的軌道運轉,就像行星環繞太陽運轉一樣。
4.玻爾原子模型(1913年):電子在原子核外空間的一定軌道上繞核做高速的圓周運動。

現在,科學家已能利用電子顯微鏡和掃描隧道顯微鏡拍攝表示原子圖像的照片。隨著現代科學技術的發展,人類對原子的認識過程還會不斷深化。

二、具體過程

1.早在兩千四百年前,古希臘著名的哲學家德謨克里特提出了“原子”的概念,認為自然界的一切物質都是由一些堅硬不可分的小顆粒構成,并命“小微!睘樵。但是,由于沒有科學實驗依據和宗教勢力的極力反對.所以在這之后的兩千多年里,人們對物質的結構認識一直沒有很大進展。

2.化學作為一門科學,從1661年英國化學家波義耳提出物質組成的元素說開始建立,第一次重大的突破就是1808年英國化學家道爾頓提出原子學說.合理地解釋了當時的一些化學現象和規律,準確地闡明了化學變化是原子間的化合與分解.從此結束了化學的神秘性。恩格斯曾給原子論以很高的評價,他說;“化學的新時代是隨著原子論開始的”,并譽稱他為近代化學之父。

第二次是1869年俄國化學家門捷列夫找到了物質之間相互變化的內在聯系和規律,發現了著名的化學元素周期律,從而預示新元素的發現,指導化學理論和實驗等研究工作的進展。恩格斯評價說!伴T捷列夫不自覺地應用黑格爾的量轉化為質的規律,完成了科學上的一個勛業”.

化學鍵理論則是第三次大的突破。1916年德國化學家柯賽爾和美國化學家路易斯創立了經典的電價理論和共價理論.從1927年量子力學應用于化學開始.化學健理論已建立起比較完整的體系,成為化學的重要基礎理論,它將揭示物質的性質和結構之間的本質聯系,為研制新材料,探索新能減研究生命現象,模擬生命體內的化學變化等各方面提供充實的理論依據。美國杰出的化學家兩次獲得諾貝爾獎的鮑林指出:“化學鍵理論是化學家手中的金鑰匙”.

(1)道爾頓簡介

他這樣評價自己:如果我比我周圍的人獲得更多的成就的話,那完全是由于自己不懈的努力。同時他認為:一些人比另外一些人獲得更多的成就,主要是由于他們對放在他們面前的問題比起一般人能夠更加專注和堅持,而不是由于他的天賦比別人高多少。這是道爾頓的切身體會,也是他成功的經驗總結。

1766年9月6日,道爾頓出生在英格蘭北部一個窮鄉僻壤。父親是一位兼種一點薄地的織布工人,母親生了6個孩子,有3個因生活貧困而夭折。道爾頓6歲起在村里教會辦的小學讀書。在學習中,道爾頓有一種可貴的韌勁。上小學時,每當遇到較難的運算題,他總是堅持要把難題解出。為此當同學們部放學回家了,他卻常常端坐在教室里,埋頭解題。剛讀完小學,就因家境困難而輟學。但是他酷愛讀書,在農活的空隙還堅持自學。他的勤奮好學的態度得到村里一個叫魯賓遜的親戚的贊賞。魯賓遜主動地利用晚上時間來教他數學和物理。到了15歲時,道爾頓他離家來到附近的肯達爾鎮上,在他表兄任校長的教會學校里擔任助理教師。在這所學校里,他仍然堅持一邊努力工作,一邊發憤讀書,無論是數學、自然科學,還是哲學、文學的書籍,他都廣泛涉獵。正是這種勤奮學習為他當時的教學和以后的科研奠定了堅實的基礎,也正是由于他虛心地求教和不倦地自學終于使道爾頓成為一位知識淵博的學者。例如,從21歲時,道爾頓記氣象日記,堅持了整整57年。直到臨終的前一天,他還記下了一段氣象觀察。

在肯達爾鎮,有個名叫約翰•豪夫的盲人學者,他2歲時患天花而失明。他憑著堅強的毅力和出眾的才智,通過自學先后掌握了拉丁文、希臘文和法文,還獲得了數學、天文、醫學、植物、學等學科的豐富知識,成為遠近聞名的學者。道爾頓從他的身上找到了學習的榜樣,主動登門拜豪夫為師,跟他學習數學、哲學和拉丁文、希臘語。

1793年,道爾頓經豪夫推薦,來到了曼徹斯特,受聘于一所新學院擔任數學和物理學講師。后來他還開設了化學課程,系統地學習化學知識是從這里開始的。

曼徹斯特是英國產業革命中興起的紡織工業中心之一,也是新興的資產階級和無產階級的重要活動堡壘。一些來自中下階層的新型科學家、企業家、商人、工程師、醫生及文學家、哲學家自發地組織了以提倡科學和工藝為宗旨的民間科學團體——曼徹斯特文學與哲學學會。他們定期聚會,宣讀論文,討論自然科學、哲學、文學、民法、商業及各種工藝問題,思想很活躍。在產業革命中作出突出貢獻的一些企業家、科學家、思想家都參加到這一學會中來,學會實際上成為產業革命的參謀部。道爾頓到曼徹斯特后不久,很快參加了這一學會的活動。他的研究成果大部在這個學會的例會上宣讀,這個學會的刊物發表了他多達百余篇的論文,道爾頓的科研活動與該學會有著密切的聯系。由于他學識淵博,待人誠懇,作風樸實,大家都很尊重他,1808年推選他為學會的副會長, 1817年任會長,直到他去世。

道爾頓在曼徹斯特發表的第一篇論文,不是氣象問題,也不是物理問題,而是一篇關于色盲的研究文章。說起來,事出偶然。圣誕節時道爾頓為母親買了一雙深藍色的襪子表示自己對老人的孝敬。當他送給母親時,母親卻厲聲責問他,為什么買一雙紅色襪子。依照當地宗教習俗,婦女禁忌紅色。由此道爾頓才發現自己的辨色能力與眾不同。對此他經過認真的調查,發現他哥哥也和他一樣,具有不正常的辨色能力,另有一些人也具有這一病癥。為此他撰寫了論文,提出人類中存在著色盲這一病癥。道爾頓的這一發現引起了社會公眾的重視,所以在英國將色盲常稱為道爾頓癥。

學識的增加,使道爾頓感到要深入研究,解決幾個科學難題,必須付出更多的時間和精力。為此,1799年他果斷地辭去了學院的繁忙教職,從曼徹斯特文學和哲學會借了一間工作室,又在工作室附近租了一間簡陋的民房,開始他清貧的以科研為主的新生活。據他的房東介紹說:道爾頓的生活很有規律,幾乎每天都是,早餐前先去實驗室升火,吃完早餐后即開始工作,一直干到午餐時才出來。吃罷午餐又繼續進實驗室工作,一直忙到晚上9點,晚餐后稍作休息,就進住房讀書至夜半。這種生活就象時鐘運轉一樣有規律,“午夜方眠,黎明即起”成為道爾頓勤奮治學生活的真實寫照。

通過氣象觀測和對氣體物理性質的研究,道爾頓常思考這么一個問題:為什么復合的大氣,或者由兩種或更多種彈性流體(氣體)組成的混和物竟能在外觀上構成一種均勻體?他決心解釋常見的自然現象。他曾假定各種物質(氣體)都是由同樣大小的微粒構成;旌蜌怏w的分壓定律表明一種氣體的微粒能均勻地分布在另一種氣體的微粒之中。氣體的擴散也是類似的物理過程。由此道爾頓認為,物質的微粒結構是存在的,這些質點也許是大小了,即便采用顯微鏡也無法看到。這時他想起了公元前古希臘哲學家提出的原子假設,于是他選擇了原子這一名詞來稱呼這種微粒。

那么怎樣證實氣體原子的存在呢?道爾頓認為,必須去測定各種原子的相對質量和不同原子合成新粒子的組成。當時化學家在氣體化合物的化學反應中,為道爾頓的研究提供了一些實驗數據,但是還遠遠滿足不了他計算各種原子的相對質量的需要,為此道爾頓作了一些大膽的假設和推理。首先他從物理學的角度出發,沒有行通,于是道爾頓轉向了化學,他以氫原子量作為基準,利用化學家對一些物質的分析結果,換算出一批原子的相對質量,這就是世界上第一張原子相對質量表,記載在1803年9月6日道爾頓的日記中,這一天恰好是道爾頓37歲的生日,因而更富有意義。

1803年10月,在曼徹斯特文學和哲學學會的一次活動中,道爾頓第一次講述了他的原子論。他的基本觀點可歸納為三點:(1)元素是由非常微小、不可再分的微!咏M成,原子在一切化學變化中不可再分,并保持自己的獨特性質。(2)同一元素所有原子的質量、性質都完全相同。不同元素的原子質量和性質也各不相同,原子質量是每一種元素的基本特征之一。(3)不同元素化合時,原子以簡單整數比結合。

盡管道爾頓提出的原子論被后人發現存在許多錯誤,但是他關于原子的描述、原子量的計算是項意義深遠的開創性工作,第一次把純屬臆測的原子概念變成一種具有一定質量的、可以由實驗來測定的物質實體。

1804年夏天,當時在英國已頗有名氣的化學家托馬斯•湯姆遜拜訪了道爾頓。道爾頓向他介紹了自己的原子論,湯姆遜極為飲賞,他抓緊時間,在1807年出版的他所著的《化學體系》一書中,宣傳了道爾頓的原子論,從而使這一理論為其他化學家所認識。

道爾頓自己的著作《化學哲學新體系》在1808年才陸續問世。這一名著分兩卷,第一卷又分上下兩冊。在第一卷上冊中,他主要論述了物質的結構,詳盡地闡明了原子論的由來和發展,包括他關于原子論的基本觀點。第一卷下冊于1810年出版,它的內容主要是結合化學實驗的事實,運用原子理論對一些元素和化合物的組成、性質作介紹。第二卷直到1827年才出版,它重點敘述金屬氧化物、硫化物以及原子結構的發現過程合金的性質,把原子論的思想作了進一步的發展。

道爾頓原子論所提出的新概念和新思想,很快成為化學家們解決實際問題的重要理論。首先用它清晰地解釋了當時正被運用的定比定律、當量定律。同時這一理論使眾多的化學現象得到了統一的解釋。特別是原子量的引入,原子質量是化學元素基本特征的思想,引導著化學家把定量研究與定性研究結合起來,從而把化學研究提高到一個新的水平。

道爾頓的原子論在整個科學界引起了重視和推崇。1816年法國科學院選道爾頓為外國通訊院士。1822年在沒有征求道爾頓本人意見的情況下,英國皇家學會增選他為會員。其后他先后被聘為柏林科學院名譽院士、莫斯科自然科學愛好者協會名譽會員、慕尼黑科學院名譽院士。對此道爾頓沒有絲毫興趣,他仍然象過去一樣,將自己的熱情和精力奉獻給科學,繼續從事原子論的研究,測定各種元素的原子量,繼續過著那樸實而緊張的隱居式生活。道爾頓的清貧生活,特別是那簡陋的住房和艱苦的工作條件,使慕名而來訪的科學家感到意外。由于他們的大聲呼吁,英國政府才在1833年關心起道爾頓的生活,決定每年給他150英鎊的微薄的養老金,以供他晚年生活。

1837年4月,他剛過70歲,不幸中風,后經治療病情有所好轉,便又象往常那樣繼續工作。直到1844年7月26日晚,他還用發抖的手記下最后一篇氣象日記。第二天清晨,他就象嬰兒入唾一樣靜靜地長眠了。享年77歲。對道爾頓的逝世,曼徹斯特市民們感到非常悲痛,當時的市政廳立即作出決定,授子這位科學家以榮譽市民的稱號,將他的遺體安放在市政廳。4萬多市民絡繹不絕地前去致哀。8月12日公葬時,有100多輛馬車送葬,數百人徒步跟隨,沿街商店也都停止營業,以示悼念。一位終身未娶、沒有后人也沒有錢財的普通市民,在死后能獲得這種非同尋常的禮遇,可見人們對道爾頓的崇敬。

(2)創立分子學說的阿佛加德羅(AmEDEO AVOGaDRO 1776一1856 )

在物理學和化學中,有一個重要的常數叫阿佛加德羅常數。Na=6.02205XL023/摩爾。它表示1摩爾的任何物質所含的分子數。還有一常見的定律叫阿佛加德羅定律。它的內容是在同一溫度、同一壓強下,體積相同的任何氣體所含的分子數都相等,這一定律是意大利物理學家阿佛加德多于1811年提出的,在19世紀,當它沒有被科學界所確認和得到科學實驗的驗證之前,人們通常把它稱為阿佛加德羅的分子假說。假說得到科學的驗證,被確認為科學的真理后,人們才稱它為阿佛加德羅定律。在驗證中,人們證實在溫度、壓強都相同的情況下,1摩爾的任何氣體所占的體積都相等。例如在0℃、壓強為760MMHg時,1摩爾任何氣體的體積都接近于22.4升,人們由此換算出:1摩爾任何物質都含有6.02205 x L023個分子,這一常數被人們命名為阿佛加德羅常數,以紀念這位杰出的科學家。

就在英國化學家道爾頓正式發表科學原子論的第二年(1808年),法國化學家蓋·呂薩克在研究各種氣體在化學反應中體積變化的關系時發現,參加同一反應的各種氣體,在同溫同壓下,其體積成簡單的整數比。這就是著名的氣體化合體積實驗定律,常稱為蓋·呂薩克定律。蓋呂薩克是很贊賞道爾頓的原子論的,于是將自己的化學實驗結果與原子論相對照,他發現原子論認為化學反應中各種原子以簡單數目相結合的觀點可以由自己的實驗而得到支持,于是他提出了一個新的假說:在同溫同壓下,相同體積的不同氣體含有相同數目的原子。他自認為這一假說是對道爾頓原子論的支持和發展,并為此而高興。

沒料到,當道爾頓得知蓋·呂薩克的這一假說后,立即公開表示反對。因為道爾頓在研究原子論的過程中,也曾作過這一假設后被他自己否定了。他認為不同元素的原子大小不會一樣,其質量也不一樣,因而相同體積的不同氣體不可能含有相同數目的原子。更何況還有一體積氧氣和一體積氮氣化合生成兩體積的一氧化氮的實驗事實(O2+N2==2NO)。若按蓋·呂薩克的假說,n(個氧和)2n(個氮原子生成了)2n(個氧化氮復合原子),豈不成了一個氧化氮的復合原子由半個氧原子、半個氮原子結合而成?原子不能分,半個原子是不存在的,這是當時原子論的一個基本點。為此道爾頓當然要反對蓋·呂薩克的假說,他甚至指責蓋·呂薩克的實驗有些靠不住。

蓋·呂薩克認為自己的實驗是精確的,不能接受道爾頓的指責,于是雙方展開了學術爭論。他們倆人都是當時歐洲頗有名氣的化學家,對他們之間的爭論其他化學家沒敢輕易表態,就連當時已很有威望的瑞典化學家貝采里烏斯也在私下表示,看不出他們爭論的是與非。

就在這時意大利一位名叫阿佛加德羅的物理學教授對這場爭論發生了濃厚的興趣。他仔細地考察了蓋·呂薩克和道爾頓的氣體實驗和他們的爭執,發現了矛盾的焦點。1811年他寫了一篇論文,在文中他首先聲明自己的觀點來源于蓋·呂薩克的氣體實驗事實,接著他明確地提出了分子的概念,認為單質或化合物在游離狀態下能獨立存在的最小質點稱作分子,單質分子由多個原子組成,他修正了蓋·呂薩克的假說,提出:“在同溫同壓下,相同體積的不同氣體具有相同數目的分子!薄霸印备臑椤胺肿印钡囊蛔种,正是阿佛加德羅假說的奇妙之處。由此可見,對科學概念的理解必須一絲不茍。對此他解釋說,之所以引進分子的概念是因為道爾頓的原子概念與實驗事實發生了矛盾,必須用新的假說來解決這一矛盾。這就是1811年阿佛加德羅提出分子假說的主要內容和基本觀點。

現在,大家都認識到分子論和原子論是個有機聯系的整體,它們都是關于物質結構理論的基本內容。然而在阿佛加德羅提出分子論后的50年里,人們的認識卻不是這樣。原子這一概念及其理論被多數化學家所接受,并被廣泛地運用來推動化學的發展,然而關于分子的假說卻遭到冷遇。阿佛加德羅發表的關于分子論的第一篇論文沒有引起任何反響。3年后的1814年,他又發表了第二篇論文,繼續闡述他的分子假說。也在這一年,法國物理學家安培,就是那個在電磁學發展中有重要貢獻的安培也獨立地提出了類似的分子假說,仍然沒有引起化學界的重視。已清楚地認識到自己提出的分子假說在化學發展中的重要意義的阿佛加德羅很著急,在1821年他又發表了闡述分子假說的第三篇論文,在文中他寫道:“我是第一個注意到蓋·呂薩克氣體實驗定律可以用來測定分子量的人,而且也是第一個注意到它對道爾頓的原子論具有意義的人。沿著這種途徑我得出了氣體結構的假說,它在相當大程度上簡化了蓋,呂薩克定律的應用!痹谒v述了分子假說后,他感慨地寫道:“在物理學家和化學家深入地研究原子論和分子假說之后,正如我所預言,它將要成為整個化學的基礎和使化學這門科學日益完善的源泉!北M管阿佛加德羅作了再三的努力,但是還是沒有如愿,直到他1856年逝世,分子假說仍然沒有被大多數化學家所承認。

道爾頓的原子論發表后,測定各元素的原子量成為化學家最熱門的課題。盡管采用了多種方法,但因為不承認分子的存在,化合物的原子組成難以確定,原子量的測定和數據呈現一片混亂,難以統一。于是部分化學家懷疑到原子量到底能否測定,甚至原子論能否成立。不承認分子假說,在有機化學領域中同樣產生極大的混亂。分子不存在,分類工作就難于進行下去,例如醋酸竟可以寫出19個不同的化學式。

無論是無機化學還是有機化學,化學家對這種混亂的局面都感到無法容忍了,強烈要求召開一次國際會議,力求通過討論,在化學式、原子量等問題上取得統一的意見。于是1860年9月在德國卡爾斯魯厄召開了國際化學會議。來自世界各國的140名化學家在會上爭論很激烈,但役達成協議。這時意大利化學家康尼查羅散發了他所寫的小冊子,希望大家重視研究阿佛加德羅的學說。他回顧了50年來化學發展的歷程,成功的經驗,失敗的教訓都充分證實阿佛加德羅的分子假說是正確的,他論據充分,方法嚴謹,很有說服力。經過50年曲折經歷的化學家此時已能冷靜地研究和思考,終于承認阿佛加德羅的分子假說的確是扭轉這一混亂局面的唯一鑰匙。阿佛加德羅的分子論終于被確認,可惜此時他已溘然長逝了。甚至沒有為后人留下一一張照片或畫像,F在唯一的畫像還是在他死后,按照石膏面模臨摹下來的。

阿佛加德羅出生在一個世代相襲的律師家庭。按照他父親的愿望,他攻讀法律,16歲時獲得了法學學上學位,20歲時又獲得宗教法博士學位。此后當了3年律師。蝶蝶不休的爭吵和爾虞我詐的斗爭使他對律師生活感到厭倦。1800年他開始研究數學、物理、化學和哲學,并發現這才是他的興趣所在。1799年意大利物理學家伏打發明了伏打電堆,使阿佛加德羅把興趣集中于窺視電的本性。1803年他和他兄弟費里斯聯名向都靈科學院提交了一篇關于電的論文,受到了好評,第二年就被選為都靈科學院的通訊院士。這一榮譽使他下決心全力投入科學研究。1806年,阿佛加德羅被聘為都靈科學院附屬學院的教師,開始了他一邊教學、一邊研究的新生活。

由于阿佛加德羅的才識,1809年他被聘為維切利皇家學院的數學物理教授,并一度擔任過院長。在這里他度過了卓有成績的10年。分子假說就是在這里研究和提出的。1819年,阿佛加德羅成為都靈科學院的正式院士,不久擔任了都靈大學第一個數學物理講座的第一任教授。

自從1821年他發表的第三篇關于分子假說的論文仍然沒有被重視和采納后,他開始把主要精力轉回到物理學方面。阿佛加德發表了很多著作,其中重要的著作《可度量物體物理學》,是關于分子物理學最早的一部著作。

他精通法語、英語和德語,拉丁語和希臘語的造詣也很高。他那淵博的知識來源于勤奮的學習。他博覽群書,所做的摘錄多達75卷,每卷至少700頁。最后一卷是1854年編成的,是他逝世前兩年的學習記錄,可謂活到老學到老。

阿佛加德羅生前非常謙遜,對名譽和地位從不計較。他沒有到過國外,也沒有獲得任何榮譽稱號,但是在他死后卻贏得了人們的崇敬,1911年,為了紀念阿佛加德羅定律提出100周年,在紀念日頒發了紀念章,出版了阿佛加德羅選集,在都靈建成了阿佛加德羅的紀念像并舉行了隆重的揭幕儀式。1956年,意大利科學院召開了紀念阿佛加德羅逝世100周年紀念大會。在會上意大利總統將首次頒發的阿佛加德羅大金質獎章授予諾貝爾化學獎獲得者:英國化學家邢歇伍德、美國化學家鮑林。他們一致贊頌了阿佛加德羅,指出“為人類科學發展作出突出貢獻的阿佛加德羅永遠為人們所崇敬”。

(3)發現電子的人----湯姆生

1879年,克魯克斯研究氣體放電管中氣體的放電現象,當放電管中的氣壓降低到0.01MM汞柱時,在放電管中通上高壓,在正對陰極的玻璃壁上就會發出熒光。實驗證明,熒光是由于陰極所發射的一股射線激發玻璃壁中的原子而產生的。這股射線還能推動安放在放電管中的云母風車轉動,證明這種射線是一股粒子流。這種射線在行進過程中,磁場或電場都能使它偏轉方向,就證明了這股射線帶電。由于這股射線是從陰極產生的,因此,科學家就把這種帶電的粒子流叫做陰極射線;這種高真空的放電管則稱為陰極射線管。物理學家用各種各樣的說法來闡明陰極射線的本質,例如,克魯克斯認為它是“物質的第四態”或“超氣態物質”; 1897年著名的英國物理學家湯姆生則認為陰極射線是一種帶負電的微粒子,并且用實驗證明了電子的存在。有力地證明原子是不可再分的最小微粒的錯誤結論。

約瑟夫·約翰·湯姆生于1856年12月28日出生于英國曼徹斯特市附近的奇塔姆山區。他的父親曾經靠賣報糊口,后來又在曼徹斯特市的大街上以擺書攤為生。在湯姆生三歲時,他的父親經過奮斗,成了專印大學教科書的書商,深深地體會到沒有知識的苦處,所以特地請了家庭教師指導兒子學習。后來,又把湯姆生送進了歐文學院學習。不幸得很,在湯姆生還沒有取得學位時,他的父親就去世了。家庭無力供給學費,他只能依靠一筆很少的助學金維持學業。1870年,在湯姆生二十歲的時候,他獲得了劍橋大學三一學院的獎學金,進入了著名的劍橋大學。

湯姆生在劍橋大學的第一個目標就是獲得數學榮譽學位,湯姆生刻苦勤奮,自強不息,終于獲得了學位。

1881年湯姆生開始擔任三一學院教授,繼續研究數學。1884年,著名的物理學家雷利辭去了劍橋大學卡文迪許實驗室實驗物理學教授的職務,湯姆生接替了雷利,在該實驗室工作達四十二年之久。

在卡文迪許實驗室,湯姆生選擇了氣體放電現象作為研究課題。當時,包括湯姆生在內的大多數英國物理學家認為陰極射線是帶電的粒子流,因為它在磁場中的射程變成曲線的形狀。但大多數德國物理學家從陰極射線能使玻璃發出熒光這一性能提出異議,認為陰極射線是一種類似于紫外線輻射的以太擾動。

湯姆生在發現電子以后,又于1904年提出了一種原子模型,認為原子是一個平均分布著正電荷的粒子,其中鑲嵌著許多電子,中和了正電荷,從而形成了中性原子。1905年湯姆生被任命為英國皇家學院教授,1906年獲諾貝爾物理獎。

1912年,湯姆生利用磁場的作用測量了帶正電的氣體離子(稱為極隧射線)的荷質比,發現在磁分離器中,相同荷質比的粒子在熒光屏上形成一束拋物線。在這些氣體離子的拋物線中,除了質量為20單位的氖的拋物線外,還有一條質量為22單位的拋物線,從而發現了質量為22單位的氖的穩定同位素,這是世界上第一次發現的穩定同位素。湯姆生的學生阿斯頓將天然的氖進行擴散分離,最后得到兩部分氖氣,它們的相對分子質量分別為20.15和21.56,證實了氖-22的存在。

1916年湯姆生當選為英國皇家學會主席,1918年開始擔任他的母校劍橋大學三—學院校長職務,1940年8月30日在劍橋逝世,享年83歲。

(4)揭開原子秘密的人---盧瑟福

1871年,盧瑟福誕生在新西蘭的一個農村。他家人口很多,盧瑟福從小一邊上學一邊幫著家里干農活。少年時的盧瑟福是個很愛動腦筋的孩子,尤其喜歡自己動手做些小玩意。他曾經“發明”了一種可以發射“遠射程炮彈”的玩具火炮,還巧妙地設計出增加炮擊距離的方法。有一次,家里的大鐘壞了,盧瑟福便動手把鐘拆開來,他的兄弟姐妹都認為一定會受到父母的責罰,但盧瑟福竟把鐘修好了,而且以后還走得很準。后來,他還自制了一架照相機,自己拍攝,自己沖洗,成了個攝影迷。24歲時,盧瑟福獲得一筆獎學金,來到英國劍橋大學凱文迪許實驗室進行深造。從此,他開始了在英國的科學研究生活。37歲那年,由于他對于放射性現象研究的杰出成就,他獲得了諾貝爾化學獎。但他并沒有滿足,決心對原子進行更深入的探索。
長期以來,人們一直認為原子是物質最小的單位,是不可分割的,它的形狀像個實心小球。而此時隨著科學的發展,一些科學家認識到原子內部還有著更小的單位,盧瑟福的老師湯姆遜就持這一種觀點。他們認為,原子的模樣像西瓜,瓜瓣就像是原子內均勻分布的正電荷,而瓜子就是電子。
“原子果真像老師所說的那樣嗎?“盧瑟福想通過實驗來探究一下自己一直思索的這個問題。他想,如果原子果真像個西瓜,那么,如果用比原子更小的粒子作“炮彈”來轟擊它,就一定很容易地穿過它而筆直地前進。于是,他決定用一種叫做“A“的粒子做“炮彈”,來轟擊原子,看看會發生什么情況。
然而,要做這個實驗并不是一件容易的事。除了要設計一套專門儀器外,實驗本身就像是用機關槍掃射幾個散落在茫茫草原中的小核桃一樣的困難。
在年輕的助手和幾個學生幫助下,盧瑟福終于設計出了一個試驗裝置:一個“A”射線的放射源,就像一挺機關槍,一個金屬箔作靶子,就像放核桃的草地,在它的旁邊放一個硫化鋅的熒光屏,屏后安裝一架顯微鏡,來觀察實驗的情況。
實驗開始了,發射源發射出的“A”粒子“炮彈”,以每秒2000米的速度穿過金屬箔,在漆黑的實驗室里,熒光屏上出現了點點閃光。
實驗使盧瑟福感到驚嘆,他開始了連續不停的實驗和思考,像著了魔一樣整日整夜地呆在實驗室里。管理實驗大樓的工友搞不清他是否離開過,他的妻子兒女也難得見他一面。一天清晨,盧瑟福興沖沖地沖進了辦公室,對著正在整理東西的助手,大聲地說道:“我知道了,它大致可以設想為一個小的太陽系!敝终乜粗,聳了聳肩說:“什么?您是說我們在一個看不見的世界里當了普羅米修斯嗎?——普羅米修斯是希臘神話中為人類送來火種的神!笆堑,就像是太陽系!北R瑟福繼續解釋到,“原子既不是像小實心球,也不像西瓜,它的中心有個小的、帶陽電的核,而帶陰電的電子在圍繞著這個核飛轉。這就如同:原子核是太陽,電子就像行星,繞著太陽轉……
“那么,a粒子被彈回來的現象怎么解釋呢?”助手問他!斑@是因為原子內部大部分是空隙,所以比原子更小的粒子能很容易穿過;又因為當中有個核,a粒子碰上這個堅硬的核就會被彈了回來。
盧瑟福終于打開了原子神秘之宮的大門!他的這一嶄新的原子結構理論,具有劃時代的意義。從此,原子學和原子核物理學便誕生并發展起來。
1919年,盧瑟福用人為的方法第一次分裂了原子,他用a粒子轟擊氮原子,使它變成了一個氧原子和一個氫原子。1926年,在他的指導下,兩個年輕研究人員瓦耳順和科克拉夫特設計出了一架巨型原子搗碎機,用這架儀器,他們把輕金屬鋰轉變為氦。
一時間,報紙新聞把這一消息迅速傳遍了全球。
科學家們清醒地預感到:世界迎來了一個新的時代——原子時代。
1933年,62歲的盧瑟福仍在不知疲倦地進行著研究工作。就在這一年,他又發現和命名了質子——氫原子核,并預言核內存在著中子。
由于他卓越的成就和影響,多種榮譽和獎賞不斷向他涌來。英國皇家學會授予他最高獎章——科柏萊獎章。幾十所大學和科學團體爭相授予他榮譽學位和學籍。在巨大的榮譽面前,盧瑟福仍然保持著謙虛的態度,從不夸耀自己的成績。1937年10月,盧瑟福由于長期緊張地工作,積勞成疾,在英國劍橋醫院與世長辭。
為紀念這位杰出的科學家,英國皇家學會在一所實驗室門前,為他雕塑了一座半身銅像。每年都有很多人來到他的墓碑前,向這位揭開原子秘密的先驅者表示深深的懷念與敬意。

(5)玻爾:詮釋“哥本哈根精神”

玻爾,N.(NiELS HeNRIK DAVID BHR,1885.10.07~1962.11.18) 丹麥物理學家,哥本哈根學派的創始人。玻爾(BHR,NiELS)1885年10月7日生于丹麥首都哥本哈根,父親是哥本哈根大學的生理學教授.從小跟著當教授的爸爸參加每周一次的家庭式學術沙龍,練出一身“反骨”。7歲上小學時,他就敢公然指出教材和教師的差錯。博士畢業后去英國進修,第一次見導師,他帶去了自己一篇批評導師的論文, 1903年進入哥本哈根大學學習物理,1909年獲科學碩士學位,1911年獲博士學位.大學二年級時研究水的表面張力問題,自制實驗器材,通過實驗取得了精確的數據,并在理論方面改進了物理學家瑞利的理論,研究論文獲得丹麥科學院的金獎章.

玻爾27歲受聘于哥本哈根大學,31歲成為教授,32歲當選丹麥科學院院士,37歲獲諾貝爾物理學獎后,他將自己那種“自由思考和討論,高度的智力活動,快樂而大膽的科學涉險精神”轉化為著名的“哥本哈根精神”。1921年,他婉拒了盧瑟!霸诼鼜厮固亟F代物理研究中心”的高薪邀請,創建了哥本哈根大學理論物理學研究所,并領導這一世界性的科學中心40年,因為他“立志幫助自己的國家發展自己的物理學研究”。在玻爾周圍團結了一大批性格鮮明、才華橫溢的青年學者,而他們中的很多人后來都獲得了諾貝爾獎。在丹麥這個小國形成的哥本哈根學派,很快成為全世界量子力學的學術中堅和物理學界的朝拜對象。

玻爾自稱“從來不怕在別人面前顯露我的愚蠢”。玻爾的聲望達到這樣的程度:他與愛因斯坦齊名。給玻爾寫信或拜訪他不需要地址,到了哥本哈根,郵差或司機自然知道他的住處。他1922年應邀赴德國講學的活動甚至能形成“玻爾節”。而就在那次“玻爾節”中,20歲的大學生海森堡對玻爾的學說提出了強烈的質疑,玻爾在約他散步并深入長談后坦陳了自己的疏漏,并邀他前往哥本哈根作研究。海森堡后來回憶說:“我真正的科學生涯是從那次散步開始的!倍枀s得意地說,他去德國講學的最大收獲是海森堡和泡利。沒有權威的“尊嚴”,沒有論資排輩,沒有欺瞞壓制,尤其是沒有思想鉗制,只有自由的思想和真理。

并先后于1909年和1911年分別以關于金屬電子論的論文獲得哥本哈根大學的科學碩士和哲學博士學位。隨后去英國學習,先在劍橋J.J.湯姆孫主持的卡文迪什實驗室,幾個月后轉赴曼徹斯特,參加了以E.盧瑟福為首的科學集體,從此和盧瑟福建立了長期的密切關系。

1913年玻爾任曼徹斯特大學物理學助教,1916年任哥本哈根大學物理學教授,1917年當選為丹麥皇家科學院院士。1920年創建哥本哈根理論物理研究所,任所長。玻爾領導這一研究所先后達40年之久。這一研究所培養了大量的杰出物理學家,在量子力學的興起時期曾經成為全世界最重要、最活躍的學術中心,而且至今仍有很高的國際地位。1922年玻爾榮獲諾貝爾物理學獎。1923年接受英國曼徹斯特大學和劍橋大學名譽博士學位。1937年5、6月間,玻爾曾經到過我國訪問和講學。1939年任丹麥皇家科學院院長。第二次世界大戰開始,丹麥被德國法西斯占領。1943年玻爾為躲避納粹的迫害,逃往瑞典。1944年玻爾在美國參加了和原子彈有關的理論研究。1947年丹麥政府為了表彰玻爾的功績,封他為“騎象勛爵”。1952年玻爾倡議建立歐洲原子核研究中心(CeRn),并且自任主席。1955年他參加創建北歐理論原子物理學研究所,擔任管委會主任。同年丹麥成立原子能委員會,玻爾被任命為主席。

玻爾從1905年開始他的科學生涯,一生從事科學研究,整整達57年之久。他對原子科學的貢獻在20世紀上半葉是與愛因斯坦并駕齊驅的、最偉大的物理學家之一!

作為盧瑟福的學生,玻爾除了研究原子物理學和有關量子力學的哲學問題以外,對原子核問題也是一直很關心的。從20世紀30年代開始,他的研究所花在原子核物理學方面的力量更大了。

當L.邁特納和O.R.弗里施根據O.哈恩等人的實驗提出了重核裂變的想法時,玻爾等人立即理解了這種想法并對裂變過程進行了更詳細的研究,玻爾并且預言了由慢中子引起裂變的是鈾-235而不是鈾-238。他和J.A.惠勒于1939年在《物理評論》上發表的論文,被認為是這一期間核物理學方面的重要成就。眾所周知,這方面的研究導致了核能的大規模釋放。

玻爾是量子力學中著名的哥本哈根學派的領袖,他以自己的崇高威望在他周圍吸引了國內外一大批杰出的物理學家,創建了哥本哈根學派。他們不僅創建了量子力學的基礎理論,并給予合理的解釋,使量子力學得到許多新應用,如原子輻射、化學鍵、晶體結構、金屬態等。更難能可貴的是,玻爾與他的同事在創建與發展科學的同時,還創造了“哥本哈根精神”——這是一種獨特的、濃厚的、平等自由地討論和相互緊密地合作的學術氣氛。直到今天,很多人還說“哥本哈根精神”在國際物理學界是獨一無二的。曾經有人問玻爾:“你是怎么把那么多有才華的青年人團結在身邊的?”他回答說:“因為我不怕在年青人面前承認自己知識的不足,不怕承認自己是傻瓜!

愛因斯坦與玻爾圍繞關于量子力學理論基礎的解釋問題,開展了長期而劇烈的爭論,但他們始終是一對相互尊敬的好朋友。玻爾高度評價這種爭論,認為它是自己“許多新思想產生的源泉”,而愛因斯坦則高度稱贊玻爾:

“作為一位科學思想家,玻爾所以有這么驚人的吸引力,在于他具有大膽和謹慎這兩種品質的難得融合;很少有誰對隱秘的事物具有這一種直覺的理解力,同時又兼有這樣強有力的批判能力。他不但具有關于細節的全部知識,而且還始終堅定地注視著基本原理。他無疑是我們時代科學領域中最偉大的發現者之一!

玻爾和愛因斯坦是在1920年相識的。那一年,年輕的玻爾第一次到柏林講學,和愛因斯坦結下了長達35年的友誼。但也就是在他們初次見面之后,兩人即在認識上發生分歧,隨之展開了終身論戰。他們只要見面,就會唇槍舌劍,辯論不已。1946年,玻爾為紀念愛因斯坦70壽辰文集撰寫文章。當文集出版時,愛因斯坦則在文集末尾撰寫了長篇《答詞》,尖銳反駁玻爾等人的觀點。他們的論戰長達30年之久,直至愛因斯坦去世。但是,長期論戰絲毫不影響他們深厚的情誼,他們一直互相關心,互相尊重。愛因斯坦本來早該獲得諾貝爾獎,但由于當時有不少人對相對論持有偏見,直到1922年秋才回避相對論的爭論,授予他上年度諾貝爾物理獎,并決定把本年度的諾貝爾物理獎授予玻爾。這兩項決定破例同時發表。愛因斯坦當時正赴日本,在途經上海時接到了授獎通知。而玻爾對愛因斯坦長期未能獲得諾貝爾獎深感不安,怕自己在愛因斯坦之前獲獎。因此,當玻爾得知這一消息后非常高興。立即寫信給旅途中的愛因斯坦。玻爾非常謙虛,他在信中表示,自己之所以能取得一些成績,是因為愛因斯坦作出了奠基性的貢獻。因此,愛因斯坦能在他之前獲得諾貝爾獎,他覺得這是“莫大的幸!。愛因斯坦在接到玻爾的信后,當即回了信。信中說:“我在日本啟程之前不久收到了您熱情的來信。我可以毫不夸張地說,它象諾貝爾獎一樣,使我感到快樂。您擔心在我之前獲得這項獎金。您的這種擔心我覺得特別可愛——它顯示了玻爾的本色!

玻爾的一生得到過很多榮譽,除諾貝爾物理獎外,還獲得過英國、挪威、意大利、美國、德國、丹麥給予科學家的最高獎賞。得到各種學術頭銜、名譽學位,會員資格比任何一位同時代的科學家都多。他熱愛祖國,以他的決心和膽識,謝絕各種外來的高薪聘請,在一個人口不到五百萬的丹麥國建立起物理學的國際中心,把哥本哈根建成了物理學家“朝拜的圣地”。他的一生就是不斷地進取和創造。為后來人樹立了光輝的榜樣。

由于對盧瑟福的仰慕,于1912年3月到曼徹斯特大學在盧瑟福領導下工作了4個月,當時正值盧瑟福提出了他的原子核式模型.人們把原子設想成與太陽系相似的微觀體系,但是在解釋原子的力學穩定性和電磁穩定性上卻遇到了矛盾.這時玻爾開始醞釀自己的原子結構理論.

1921年,玻爾發表了“各元素的原子結構及其物理性質和化學性質”的長篇演講,闡述了光譜和原子結構理論的新發展,詮釋了元素周期表的形成,對周期表中從氫開始的各種元素的原子結構作了說明,同時對周期表上的第72號元素的性質作了預言.1922年,發現了這種元素鉿,證實了玻爾預言的正確.1922年玻爾獲諾貝爾物理學獎.

30年代中期,開始出現了許多由中子誘發的原子結構的發現過程核反應,迫切需要一種合用的核模型,玻爾提出了原子核的液滴模型,對一些類型的核反應作出了說明,相當好地解釋了重核的裂變.

1943年,玻爾從德軍占領下的丹麥逃到美國,參加了研制原子彈的工作,但對原子彈即將帶來的國際問題深為焦慮.1945年二次大戰結束后,玻爾很快回到了丹麥繼續主持研究所的工作,并大力促進核能的和平利用. 1962年11月18日,玻爾因心臟病突發在丹麥的卡爾斯堡寓所逝世,享年75歲。

(責任編輯:化學自習室)
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