[其它杂谈]核能史话  原子世界的图象 [第13页]

第二章：原子的结构

3、原子世界的图象

    从1808年道尔顿提出“原子论”起，到1911年卢瑟福建立有核原子模型理论止，先后共经历了一百多年时间。看来要揭开原子世界的秘密，的确是不容易的。正是由于象卢瑟福、汤姆逊等出类拔萃的科学家们百折不挠的努力，最后才终于打破了原子不可分割的界线。他们发现了电子、α粒子等亚原子粒子；找到了原子中的核心部分，并对它的特性进行了研究；建立了比较完善的原子结构理论；正确地描绘了原子世界的图象。

    由上可知，卢瑟福通过α粒子散射实验，建立了有核原子模型理论。不足之处是对电子在原子中的分布情况还很不清楚。当然，它们肯定不象西瓜模型中的瓜子那样均匀分布，但具体的分布情况仍不得而知。为了解答这个问题，我们必须提到丹麦物理学家尼尔斯·玻尔教授的工作。他对卢瑟福的伟大发现不但非常重视而且给予了高度的评价，他曾经亲自到卢瑟福的实验室工作了几个月，然后在1912年发表了一篇有关电子围绕原子核运动的论文。他在描述电子围绕原子核转动时，应用量子的概念说明电子运动的轨道是不能任意选择的，只能处在特定的轨道上环绕原子核转动。这就好比宇宙空间中太阳系的行星，它们都是以自身固有的轨道围绕太阳运动。破尔把自己的论文寄给了卢瑟福，他的卓越见解立刻使卢瑟福欣喜若狂，因为玻尔把核外电子的运动情况解释得如此完美无缺，这是人们意想不到的。

    这样一来，卢瑟福原先假定的原子中的核外电子是由于受到核心对它的电磁引力作用，才能迅速运动的说法，可作更进一步的说明。因为电子和核之间的强大引力如果没有其它力来抵消，电子就有可能被原子核吸引过去。现根据玻尔的电子轨道理论，卢瑟福就把电子围绕核高速旋转所产生的离心力，看成是保证电子不被吸到核心上的抵消力。这就是卢瑟福提出的关于原子结构的行星模型。

    卢瑟福的原子构造理论反过来又为他多年来所作的一系列α粒子散射实验结果，提供了更满意的解释。卢瑟福又利用数学这个有用的工具，对α粒子散射现象从物理和数学上加以分析和推导。最后，获得了一个公式。而验证此公式正确与否的实验任务是由卢瑟福的得力助手盖革和马斯敦完成的。他们曾选用了七种不同的散射物质和不同能量的α粒子，进行了极为广泛的测定和验证。结果，完全证实了卢瑟福散射公式的正确性。这样一来，就为卢瑟福的有核原子结构理论提供了有力的实验依据。从此以后，卢瑟福的有核原子模型得到了物理学家的一致公认，而“原子核”这个名称一直沿用至今。

    从α粒子散射实验开始，直到散射公式被实验证实为止。使得人们有可能对原子世界的图象加以更真实的描绘，于是原子中原子核的客观存在已毋庸置疑了。而物理学家的注意力也从原子转向原子核，人们思考着这个比原子还要小万倍的实体是由什么东西所组成的？它又有哪些重要的特性呢？

    当然，人们首先关心的是原子核的核电荷数值的大小。从卢瑟福的散射公式中可以看出，只要除了核电荷数之外的参数都已知，即可通过实验测量，求得靶核的核电荷数。

    当时曾对铜、银和铂三种金属分别进行测定，结果铜为29，银为46，而铂为77。这和它们在周期表上所占的位置序号分别为29，47和78十分接近。银和铂的差值是由于实验测量中的误差所引起的，故所得的核电荷数仅是大致的估计。

    除此以外，有人想通过测定原子中的电子数目，间接求得核电荷数。因为原子本身是中性的，所以原子中的电子数和核电荷数在数值上应是相同的。1911年，英国物理学家巴克拉从X射线的散射实验中，曾将一些轻元素原子中的电子数目总结为：“对一些轻元素而言，其拥有的电子数目是该元素原子量的一半左右”。

    例如，原子量为4的氦元素拥有2个电子，核电荷数也为2。而碳、氮、氧等原子量在40以下的元素，它们的电子数都与这一结论相符。这样，在原子量为A的原子中，轨道电子数和核电荷数均等于0.5A。另外，已知电子的质量约是氢原子质量的二千分之一(即0.0005)。并以氢原子质量用作原子量单位，那末一个电子的质量就约等于0.0005。那么电子的总质量为0.0005×0.5A。而原子核的质量就等于原子量A减去电子总质量:A－0.0005×0.5A＝0.99975A

    由此可见，原子核占有了原子量的绝大部分(99.975％)，且带有全部正电荷。

    早在十九世纪六十年代，俄国化学家门捷列夫把已在自然界找到的元素全部收集在一起，并根据它们的化学性质和原子量，按照一定的次序，沿着横向和纵向进行排列。结果发现化学性质不同的元素，按一定的周期排列后，同一栏里元素的化学性质都相似。后人称这种元素表为“门捷列夫元素周期表”。表中各元素依次编号叫做“原子序数”，用Z表示。氢被列为第一号元素，接着就是氦、锂、铍等等。

    到了l9l3年，荷兰物理学家范丁·布鲁克大胆指出，就每个化学元素而言，它们的用基本电荷单位表示的核电荷数，等于这个元素在周期表上所占的位置序数(即原子序数Z)。这就是说，某元素原子核所带的正电荷数和该元素在周期表中的原子序数相同，所以元素的化学性质和核电荷数有关。而核电荷数舶精确测定，可以纠正元素排列中的混乱现象。起初人们试图严格地按原子量的递增次序来排列元素的位置。结果发现碘和碲、镍和钴、钾和氩的位置发生了颠倒。而从核电荷数角度上看，碘比蹄、镍比钴、钾比氩都是大一个单位。因此碘、镍和钾在周期表中的位置理应分别在碲、钴和氩的后面，这就避免了元素排列中的混乱现象。同时，通过核电荷的精确测定，还可预测那些在自然界中应该存在而至今末被人们发现的元素。由此可见，对于某种特定的元素而言，原子序数是比原子量更为基本、更带有特征性的参量。

    但是，核电荷数的精确测定还是要归功于前面提到的巴克拉所开创的研究路线。他从研究X射线的衍射中，发现各种原子都会反射一种具有特殊穿透能力的X射线，而且原子量越高的原子所反射的X射线，其穿透能力愈强。人们把此种X射线命名为“特征X射线”。

    紧接着在1913年，英国物理学家莫塞莱进一步研究了X射线谱与原子序数之间的关系，从而精确地测定了原子核的电荷数。他通过X射线在晶体中发生衍射的方法，精确地测定了各种原子的特征X射线的波长。结果发现，原子量越大的原子其特征X射线的波长就越短，穿透能力也就越强。由于周期表上各元素的原子序数基本上是按原子量的大小排列的，所以说特征X射线的波长随着原子序数的增大而愈来愈短。莫塞莱经过多次实验后认为，各种原子的特征X射线的波长取决于各种元素的核电荷数。我们知道随着原子序数增加核电荷数也相应增加，因为核外的电子数增加了。这样一来，我们不但能用特征X射线来确定原子核的电荷数，而且可把元素的核电荷数和周期表上的原子序数互相等同起来。

    另外，莫塞莱借助玻尔的原子理论，分析了电子在核壳层中的静态分布。并进一步研究了电子在壳层之间跃迁时的动态特性，并建立了它们之间的经验关系式，实验测量结果符合得非常好。这就充分说明，原子序数和核电荷数是互相关联的。

    除了核电荷数外，核质量数也是原子核的重要特征之一。但要直接测量它还是比较困难的。因为原子核总是附有轻易不能除去的电子，所以通常采用先精确测定原子的质量，而后减去全部电子质量的方法来获得原子核质量。

    那么，单个原子质量又是怎样精确测定的呢？当然，最简单的办法是把大量原子集中在一起称量，这就是以往经常采用的方法。同时，从化学中我们知道，单个原子质量的测定和该元素的原子量有关，这样就把核质量的测量问题变成为测定元素原子量的问题。

    多少年来，人们都以氧原子量(16.00D0)作为标准去衡量其它各种元素的原子量。而到了1960～1961年间，物理学家和化学家们在有关的国际学术会议上，决定统一物理和化学的单位。并一致认为把碳元素的主要同位素碳—12的原子量作为测定其它元素原子量的新标准，并把碳—12的原子量定为12.000000。根据这—标准，氧16的原子量就为15.994915，所以采用碳—12原子量的十二分之一作为一个原子质量单位要比氧16的单位大一些。而新老标准间的差值约为万分之三(0.03％)。

    虽然原子核在原子世界中只占很小一部分，但它仍应具有一定大小。从卢瑟福的α粒子散射实验中，我们已知当散射角最大时，就是α粒子与散射物质原子核之间的距离最近。卢瑟福曾用银和金测得这个最近距离为万亿分之2～3厘米。此段距离可以看成是原子核半径和α粒子半径的和。由此可得，核半径的数量级是万亿分之一厘米。这一结果刚好和以后进一步精确测得的核半径相一致。

    后来人们为了便于表示，定义了一个新的长度单位叫做费米(fcrmi)、并用符号fm表示，1fm等于十亿分之一厘米。当然，这样做也是为了纪念对核科学事业作出过重要贡献的美籍意大利物理学家费米。计算表明，所有元素的核半径是在2～8fm内变化。

    如果我们取原子半径的平均值，那么原子半径就是核半径的四万倍。由此可见，原子核在原子中所占的空间实在是很小很小的，如把原子放大到像地球那样大，那末原子核的半径也只等于319米(地球半径为6378公里)。

    在上面的讨论中，我们是把原子核近似看成为球形，这样它的体积可根据公式球体积的公司算得。由此可知，核体积仅和核质量成止比。也就是说，原子核的密度是一个常量，而其数值却大得十分惊人。我们不妨打个比喻，如把我国的珠穆朗玛峰(世界最高峰海拔8848.13米)捏成一团后，硬塞进人们的衣袋里，此时的密度大约和原子核的密度相等。计算表明，一立方厘米的核物质重约一亿两千万吨。如用万吨轮来运输，需要一万二千艘，按每年能建造一百艘万吨轮计，则也得连续生产120年。若改用火车运输，那末所需车皮的长度恰等于绕地球赤道一周那样长。也就是说，需用二千四百万辆载重量为5吨的解放牌卡车，才能一次拉动。