|基本粒子9︱核电荷数如何测量？莫斯莱发现原子序数

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片
上节课我们就说完了原子核的发现过程，卢瑟福也因此建立了一个行星原子模型，这个模型只是初步的给人们描述了一个原子的图像，就像是八大行星绕着太阳旋转一样。
不过在这个模型中还存在很多的问题，还有困难，比如原子核的核电荷数是多少？原子核的组成成分是啥？原子的稳定问题以及核外电子的排布问题？
通过解决以上的问题，物理学就出现了两个大的分支，研究原子核及其组成分成的就叫核物理，以及后来又衍生出的粒子物理，研究原子稳定性的问题，以及核外电子排布的，就是旧量子论。
旧量子论的主要内容就是玻尔的量化原子模型，这些内容在我之前的量子力学中已经讲过了，那今天我们要说的核电荷数的测量，其实严格来说又跑题了，因为在之前的量子力学中我已经说了一遍了。
不过，我觉得在今天的这个系列中还是有必要要再说一下，因为这是卢瑟福发现原子核遗留下来的问题，好，那闲话就不多说了，开始今天的正题。
【|基本粒子9︱核电荷数如何测量？莫斯莱发现原子序数】
卢瑟福在发表了自己的原子模型以后，有一次在剑桥大学卡文迪许实验室的晚宴中就遇见了尼尔斯·玻尔，玻尔这个时候还是学生，他专门从丹麦来英国的剑桥找自己的偶像汤姆逊。
但两个人的见面并不愉快，正好这时玻尔遇见了卢瑟福，两人就聊得挺投缘的，所以在玻尔的心里就萌生了一个想法。那到了1912年，玻尔就离开剑桥，去曼彻斯特投奔了卢瑟福。
在卢瑟福这里玻尔就学到了最新、最前沿的原子物理，也抓住了一个重要的研究题目，卢瑟福原子模型的稳定性问题。
在1913年玻尔就发表了三篇论文，通过量化电子轨道角动量，也就是量化了电子在核外所能占据的轨道大小，就解释了原子稳定性的问题。
同时也解释了原子光谱的来历，就是核外的电子在不同能级之间的跃迁形成，为了验证自己的想法，玻尔就推导出了一个公式，通过这个公式我们就能知道，电子从第一激发态跃迁回基态的时候，所释放的电磁波的波长，正比于核电荷数。
因此我们只需要测量电磁波的波长，就能算出核电荷数了。这个测量的工作是由卢瑟福团队的亨利·莫斯莱完成的，玻尔他不是实验物理学家，自己做不了实验，在论文发表以后，同年的7月份玻尔就专门去找了莫斯莱，让莫斯莱赶紧测，因为当时反对他的原子模型的人挺多了，主要是玻尔解释不了为什么电子在核外只能占据特定的能级？所以当务之急就是用实验证明他的理论没有问题，那至于为什么，以后再慢慢解释也来得及。
亨利·莫斯莱就觉得这个题目还不错，而且他当时正在实验室学习如何利用晶体替代衍射光栅测量X射线的波长，因为X射线经过晶体以后会发生偏转，这偏转的程度就跟X射线的波长有关。
那亨利·莫斯莱的实验是这样的，他选用了一些中等相对质量的原子进行测量，因为这些原子核电荷数不高也不低，可以释放出波长比较合适的X射线。
那根据玻尔的理论，只要我们用大量的能量足够的电子去轰击金属原子，总有可能会发生这些金属原子基态电子会被撞出来的可能，那基态没有了电子，第一激发态的电子就要往回跃迁，然后释放出一个X射线光子，携带两个能级之间的能量差。
通过测量释放出来的X射线波长，然后根据玻尔给出的公式就能算出每种元素原子的核电荷数了。
那经过莫斯莱两个月的辛苦工作，测量的结果就在同年9月份发表了出了，这个实验不仅验证了玻尔的量化原子模型，还顺带测量出了原子核的电荷数，提出了原子序数的概念，理清了元素周期表中元素的排列问题。