原子核的第一個模型與質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

1、原子核的第一個模型與質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)早在1914年人們就知道，原子核是所有放射性過程活動的處所，核的種類由瓠和Z來決定。人們 也相信，在a粒子和核之間的相互作用純粹是電磁作用。達爾文從已知數(shù)據(jù)得出結(jié)論”；“除了反平方力外， 正比于距離的其他幕次的力，都不能夠給出盧瑟福散射截面依賴于C初始速度的關(guān)系式?！北R瑟福 假設(shè)這是正確的，然后計算a粒子逼近核的最小距離，1911年他認識到，核半徑很?。簉W3X10-12厘米。 同理，達爾文在1914年注意到：“氫和氦的核半徑肯定小于10-13 “厘米。”顯然，氫的核特別重要。 盧瑟福早在1914年就強調(diào)指出“氫核是正電子（他加的著重號）”氫原子核在那些日子常被稱

2、作H粒子， “質(zhì)子”的名字是以后才有的。概括地說；早在1914年，人們就知道有關(guān)放射性和A、Z、r的基本事實 以及有關(guān)H粒子的一些基本特征。那么，原子核是由什么組成的呢？在引進Z作為一個獨立參數(shù)的論文中，范登布魯克第一個提血粒子和電子是原子核的組分。電子對 于核質(zhì)量的貢獻十分小。他注意到電子主要的作用是將電荷補償?shù)秸_的數(shù)值。當然，不是所有的原子核 都只由a粒子和電子組成，因為這樣的話，質(zhì)量A就只能近似地是4的倍數(shù)。顯然H粒子會有助于克服這 個困難。事實上，1914年2月盧瑟福想到了。粒子本身的結(jié)構(gòu)：“可以期望，氦原子即a粒子包含有 4個正電子H粒子和2個負電子”，用符號表示為He=4H+2e

3、； 一般地說，對于一個給定的質(zhì)量為A 和核電荷為Z （把A處理成一個整數(shù)）的同位素X，有：X=AH+（A-Z） e（1. 6）在1914年3月19日的一次皇家學會討論會上，盧瑟福對核結(jié)構(gòu)作了進一步的論述：“一般的證據(jù)表 明，初級8粒子產(chǎn)生于核的擾動。因此原子核必須被考慮成一個由正粒子和電子組成的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)， 但現(xiàn)在討論原子核本身的可能的結(jié)構(gòu)還為時過早（也不會有什么用）?！币虼?，盡管總是小心翼翼和不樂意作猜測的盧瑟福，也輕率地假設(shè)：電子是原子核的組分。實際上， 他從未把它當做是一個假設(shè)。難道這不是不言自明的嗎？難道在在過程中，人們沒有看到一些電子從某些 原子中跑出來嗎？對于盧瑟福，以及對于所

4、有那時的物理學家來說，把電子說成是原子核的建筑部件和說 房屋是由磚塊組成的，或者說項鏈是由珍珠串成的，同樣的合乎情理。實際上，原子核的H粒子一電子圖象是簡單性的必然弊病的又一個例子。這個模型和它的錯誤，同樣 都是不可避免的。電子是原子核的建筑部件是不正確的，公式（11. 6）是錯誤的。那么人們怎么理解電 子以8衰變形式從原子核中產(chǎn)生呢？大約在盧瑟福于皇家學會上的講話之后20年，費米利用量子場論的 工具找到了這個問題的答案。這將是以后章節(jié)的論題。在費米的工作之前很久就積累了一些證據(jù)，表明H 粒子一電子模型有嚴重的麻煩。我再回到1914年之后的那些年。鑒于H粒子的重要性，自然就要去尋找“自發(fā)的H衰

5、變”。1915年， 實驗顯示了 “一個極強烈的可能性，即H粒子是從放射性的原子中發(fā)射出來的”。但隨即這一可能又消失 了。大約在那個時候，我們也親眼見證在核中尋找亞結(jié)構(gòu)的開始。1914年盧瑟福就已經(jīng)寫道：“氦核是個 非常穩(wěn)定的構(gòu)造，當它從放射性原子里以高速被逐出時，它在這種強烈的擾動下仍然能夠保持不變；氦核 可能是組成大多數(shù)原子的基本單位之一?！边€有一些新的亞單元也被提了出來：a粒子（4H+4e），p粒子 （2H+2e），以及別的粒子，這些主要都是因為數(shù)字術(shù)的原因。1921年盧瑟福給博特伍德的信中寫道：“寫 出這些東西極其容易，但是要得到實驗證據(jù)以形成一個正確的決定卻是極其困難?！庇行r候盧瑟福

6、本人 也被另一個亞單元X3 （3 H+e）的貌似正確的證據(jù)引向歧路。憑借某種想象，人們確實能夠把這些論文看 作是a粒子模型、甚至殼層模型的先驅(qū)。盡管如此，說這些工作沒有給物理學留下任何一點影響，我不認 為是不公平的。是什么力把原子核聚集到一起呢？盧瑟福在1914年說：“原子核線度雖然非常小，但它是由正負帶電體形成的非常復(fù)雜的系統(tǒng)，并由非 常強的電力（重點號為我所加）把它們緊緊地束縛在一起?！彼€能說些什么呢？在那時除了電磁力和引 力以外沒有別的力，而引力對目前的問題顯然是可以忽略的。盡管如此，人們在同一年盧瑟福的另外的陳 述中注意到一個奇怪的敘述：“一些核電子與一些正的核被包裹在一起，它們肯定

7、由數(shù)量級不同于那些 束縛外部電子的力保持著平衡。”正如我們將在本章的（h）節(jié)中所見，一種新的強核力的證明不久就要出 現(xiàn)了。那么原子核和量子論又是怎樣的呢？在原子結(jié)構(gòu)和光譜線的第一版中，索末菲就大膽表示了以下看法：“核的組成像原子的球面卜 樣，是由同樣的量子定律支配的?！痹谀莻€時候，再沒有別的什么辦法可以證實這一想法。如果連氦的原 子光譜都不服從量子理論，誰又敢用它去處理。粒子呢？（f）結(jié)合能1905年，當愛因斯坦第一次推導(dǎo)”出方程E=mc2（11. 7）時，他立刻評注說：“用那些能量可高度變化的物體（比如鐳鹽）來驗證這個理論，不是不可能成功的。 然而，到1907年他已經(jīng)相信，“要達到他所必需的

8、實驗精度“當然是不可能的。” 1910年他注意到“目前 無論如何沒有希望”對等式（11. 7）作出實驗上的確證。當愛因斯坦第一個提出運用放射性衰變中的重量減少來作為檢驗公式（11. 7）的一種方法時，普朗 克第一個注意到另一種試驗：一個束縛系統(tǒng)的重量比其組成成分重量和要小。這個效應(yīng)非常之小（ 10T 克），但是這概念既新穎又杰出。1913年，朗之萬把普朗克的說法應(yīng)用到原子核：“在我看來，由于與普勞特定律存在確定的偏離，內(nèi) 部即結(jié)合能的慣性質(zhì)量因此是顯而易見的?！辈恍业氖牵麤]有考慮同位素混合的影響，因此對束縛 能效應(yīng)估計過高。為了對一個原子核X的核束縛能B的大小給出一個精確的含義，人們當然必須

9、知道X的組分。直到 1932年仍然用（11. 6）式計算核的質(zhì)量。只要人們沒有更好的想法，他們就不可避免地陷于錯：誤的原 子核質(zhì)量公式（用明白的符號表示）mx=AmH+（A-Z）meB/c2（11. 8）核內(nèi)部的力被假設(shè)為電磁力:因而它也是核結(jié)合能B的動力學起源。1914年盧瑟福說：“正如洛倫茲 所指出的，一些帶電粒子如果緊靠在一起，那么由這些粒子組成的一個系統(tǒng)的電質(zhì)量，將不只依賴于這些 粒子的數(shù)目，而且還依賴于它們的場相互作用的方式。就所考慮的正的和負的電子的尺度而言，為了產(chǎn)生 由此而導(dǎo)致的可觀的質(zhì)量改變，它們必須貼靠得非常之緊。這可以解釋諸如氦原子不是正好為氫原子質(zhì)量 的4倍這樣的事實。”

10、然而，數(shù)量上的估計顯示，為核結(jié)合假設(shè)的電磁起源只能給出一個極小的效應(yīng)。楞 次（索末菲的一個助手）強調(diào)了這一點，他是第一個集中精力研究公式（11. 8）的人。不管這公式有什 么別的缺陷，它同B的動力學起源無關(guān)。在無法做出結(jié)論的情況下，最好的物理學家們始終躊躇不決。直到1921年泡利還這么評論說：“也許 質(zhì)量和能量等價的原理能夠在將來某一天著重號是我加的通過觀察原子核的穩(wěn)定性來檢驗?！碑敃r質(zhì) 譜法已開始得出大量關(guān)于同位素質(zhì)量的很好的數(shù)據(jù)。1927年，阿斯頓提供了一張有30個同位素數(shù)據(jù)的清 單。結(jié)合能是用斂集率（packing fraction）來記錄的，即比率B/A （對于氧，A =16），于是根

11、據(jù)定義，氧 的斂集率等于0。這是我所知道的描述這些數(shù)據(jù)的最含糊的方法之一，這也是因為氧有3種穩(wěn)定的同位素 的緣故。1930年問世的由盧瑟福、查德威克和埃利斯合寫的書，在那些年是最有影響的原子核物理學教材，這 本書中敘述了。粒子由4H+Ze組成且有27MeV的結(jié)合能。1932年一切迷惑云消霧散。在2月份發(fā)現(xiàn)中子的文章發(fā)表之后，很快就澄清了原子核是由質(zhì)子和中子（見第17章）所組成。 同月宣布發(fā)現(xiàn)了質(zhì)量為2的氫的同位素氖。班布里奇（K. T. Ba inbridge）的題為同位素H2的重量 （1932年10月）的文章也許是最后一次對老的H粒子一電子模型的論述”：“假設(shè)原子核是由兩個質(zhì)子和 一個電子組成，那么結(jié)合能近似等于2X106電子伏特。如果H2的原子核由一個質(zhì)子和一個質(zhì)量為1. 0067 的查德威克中子所組成，那么這兩個粒子的結(jié)合能就是9. 7X105電子伏特，”（正確值是B2. 15MeV）。 人們發(fā)現(xiàn)，這最后的數(shù)值可能來自第一次對B的正確公式的應(yīng)用，這個公式從此替代了老的公式（11. 8）：mx=Zm +（A 一Z） mn B/c2（11. 9）其中mp，mn各是質(zhì)子和中子的質(zhì)量。6月份，考克饒夫和瓦爾登的論述由人工加速粒子產(chǎn)生的第一個核轉(zhuǎn)變的論文發(fā)表了?！彼麄兊慕Y(jié)果是：Li7十質(zhì)子f2a+(14. 3 + 2. 7) MeV(11. 10)在誤差范圍內(nèi)驗證了