登月|基本粒子10︱质子和中子是如何被发现的？同位旋是啥东西？月球

【登月|基本粒子10︱质子和中子是如何被发现的？同位旋是啥东西？】

文章图片

文章图片

文章图片

文章图片
在前面的文章中，我们已经说完了电子的发现过程，电子电荷值的测量，还算出了原子的质量和体积的大小。
这些工作都是在1906年之前完成的，那到了1911年卢瑟福就宣布发现了原子核， 1913年，团队成员斯莱夫测量了原子核的核电荷数，发现原子核的核电荷数和它在元素周期表中的位置序数是一样的。
这时我们就知道了氢原子核有一个单位的核电荷数，那氦就有两个，一直到92号铀元素，它的核心有92个核电荷数。
而且我们根据相对原子质量这个概念，也能够看出来，原子的质量大约就是氢原子质量的整数倍，所以这个时候人们就猜测，原子的原子核是由氢原子核以及电子构成的。
比如，在氢原子里面，就只有一个氢原子核，所以它的单位电荷数是1 ，相对原子质量大约也是1 ，那氦原子里面就应该有四个氢原子核和两个电子，这样的话才能保证电子抵消两个单位的核电荷数，留下两个，而且还能保证氦原子的质量是氢原子质量的4倍。
这样想法还不错，在当时挺好用的，根据这个规则，可以一直排列到铀元素，铀的相对原子质量为238 ，原子序数为92 ，根据设想在它的核心里面应该会有146个电子。
这就是在1932年中子发现以前，人们对原子核结构的设想，而且在期间卢瑟福的一个发现，还多多少少验证了这个想法。
就在1917年的时候，卢瑟福就发现利用α粒子轰击一些轻原子核，可以导致轻原子的核发生分裂，它当时先观察到的现象是这样的，有一次他给一些金属的表面涂上了放射性镭元素，结果发现摆在附近的硫化锌荧光屏出现了闪光。
这你可能会想，这种现象有啥奇怪的，肯定镭元素释放的α粒子撞击了荧光屏，才导致了闪光。但事情可没这么简单，卢瑟福发现荧光屏摆放的位置超过了α粒子在空气中的飞行距离。
这说明打在荧光屏上的粒子不是α粒子，那是不是β粒子呢？这东西飞的距离可比α粒子远多了，加上电磁场一测就发现这种粒子是氢原子核，也就是我们现在所说的质子。
那质子又是怎么来的？卢瑟福为了确认氢原子核的来源，就重新设计了实验，他让α粒子经过氮气，结果发现α粒子可以把氮原子核中的一个质子给敲出来，卢瑟福一测，这就是氢原子核。
那么以上就是人类最早发现的核裂变，也是发现质子的过程，其实质子也不用发现，人们已经知道有这么个东西，就是氢原子核，就像我刚才说的，人们还用这个东西去构建其他原子核呢。
那卢瑟福的实验无非就是再次证实以前的观点，再加上人们在1906年发现的放射性衰变中β粒子，也是从原子核中射出来的，所以以上的证据都表明了，原子核是由质子和电子构成的。而且卢瑟福还在1920年的时候提出了中子的概念，认为他是质子和电子复合物，电中性相对原子质量是1 。很明显这跟我们今天所说的中子是不一样的。
这样的想法一直持续了几十年的时间，到了1932年，人们就发现了一个无法解释的现象，才动摇地以上的想法，促成了中子的发现。
这个发现也跟α粒子有关，在1930年的时候，物理学家博特和贝克尔就发现，用α粒子去轰击铍元素，它释放出来的射线比质子和电子的穿透能力强得太多了，而且不能被电磁偏转，所以他俩就猜测，根据以往的经验这一定是类似于γ射线的电磁波。
到了1932年，伊伦娜和约里奥-居里，这是居里夫人的女儿和女婿，他俩就用铍射线去轰击石蜡，石蜡是一种富氢物质，里面有很多氢原子，他俩就发现铍射线可以打出石蜡中的质子。
这一点并不奇怪，但是令他们惊讶的是铍射线打出来的质子的速度非常高，速度就意味着动能，动能就是能量，他俩一算，结果发现能量在这个过程中不守恒了，如果铍射线是电磁波的话，它与质子的碰撞就属于康普顿散射，根据质子的动能我们就能算出电磁波的能量，结果发现铍射线，也就是他俩认为的电磁波所携带的能量是产生它的α粒子所携带能量的10倍。得到这个结果以后，居里夫妇没有怀疑铍射线的本质问题，而是怀疑能量在微观层面可能不守恒了，让他们错过了一次重大的发现。