2. 打破原子核
放射性元素存在同位素的發現， 使科學家把研究的重點對準了原子核。世界上第一個提出存在原子核的物理學家盧瑟福， 又開始解剖原子核的工作。
還是在1911 年10 月的時候， 盧瑟福通過對α粒子散射實驗結果的分析， 不僅確認了原子中存在一個帶正電荷的核心， 這就是原子核。而且他還從理論上估算了原子和原子核的大小。盧瑟福計算出金原子的半徑大約是0 。 000000016厘米， 金原子核的半徑就更小了， 大約隻有0. 000000000003 厘米。對這麽小的原子核怎麽來研究， 如何才能探知它內部的秘密， 這既是讓物理學家興奮不已， 又是讓他們備感頭疼的問題。
1914 年， 盧瑟福的學生馬斯頓在用閃爍鏡觀測α粒子在空氣中的射程時， 注意到出現了一些射程特別長的粒子。
這是一種反常的現象， 因為當時物理學家都知道α粒子在空氣中的射程大約為7 厘米， 而馬斯頓在實驗中卻發現了有的粒子的射程長達40 厘米。馬斯頓反複實驗， 證明實驗沒有錯誤。他對這種反常現象的解釋是， 空氣中的氫離子被α粒子撞擊， 由於氫離子比α粒子要輕， 所以碰撞後氫離子的速度要比原來α粒子的速度大得多， 走的也要比較遠。馬斯頓把實驗的情況以及他的看法都寫信告訴了盧瑟福， 盧瑟福對此非常感興趣。其實， 馬斯頓已經涉及到原子核的分裂現象， 但他卻沒有意識到。
盧瑟福對原子核的分裂早有考慮。早在1905 年， 他提出α射線起源於原子核內； 1912 年， 他已有了原子核可能因放出α粒子而分裂的想法。馬斯頓的實驗使盧瑟福意識到， 要打開原子核， 恐怕還要靠α粒子。在α粒子散射的實驗中， 有少數α粒子被反彈回來， 這說明α粒子是正對著金原子核撞擊的， 隻是由於受到同性電荷的壓力才使它們的散射角度為180°。那麽， 有沒有辦法讓α粒子打到原子核上去呢？ 經過分析， 盧瑟福認為要想用α粒子去撞擊原子核， 至少要有二個條件： 一是α粒子的速度要足夠大； 二是要選擇帶正電荷較少的原子核作為靶子， 也就是選取列在元素周期表前麵的一些元素做實驗對象。
盧瑟福在1917 年底寫給玻爾的信中， 表達了他“試圖把原子擊破”的想法。也就是說， 這時他已有了打開原子核的計劃。
很快， 在助手的協助下， 盧瑟福開始了實驗。他的實驗儀器是一個抽成真空的黃銅罐子， 裏麵放上一片塗有釷的放射性同位素的小片。之所以選取釷的放射性同位素， 是因為它放出的α粒子的速度達到19200 公裏/ 秒。這是相當快的速度。他在正對著α粒子源的銅罐那一端開了一個小窗口， 窗口上塗著硫化鋅。如果有α粒子射到窗口上， 硫化鋅就會發出閃光。盧瑟福對α粒子源， 即塗有釷的放射性同位素的小片， 與小窗口之間的距離作了精心的設計， 讓它大於7 厘米。這樣， 就使α粒子源放射出的α粒子不能直接射到硫化鋅上。
實驗中， 盧瑟福讓助手在抽成真空的黃銅罐裏， 先後充上不同的氣體， 也就是選取不同的氣體元素的原子核作為靶子。一天， 他的助手報告說， 當黃銅罐裏充了氫氣時， 實驗中硫化鋅出現了閃光， 而且還發現這個閃光和α粒子打到硫化鋅上所發出的閃光有所不同。這表明， 到達小窗口的粒子不是α粒子。經過反複實驗研究， 認定這種穿透力很強、速度很快的粒子就是失去電子的氫原子， 即氫原子核。對這個實驗結果的解釋並不難， α粒子打入氫原子， 而且碰上了氫原子核， 由於α粒子的質量是氫原子核質量的4 倍， 所以當高速的α粒子撞到氫原子核後， 氫原子核就被彈開了。這就有點像一個小球被一個飛速過來的大球撞擊， 小球會以比大球更快的速度運動。
這一實驗結果鼓舞了盧瑟福及其助手， 他繼續換上不同的氣體元素做實驗。他們先後給黃銅罐充上二氧化碳和氧氣， 結果沒有出現硫化鋅閃光。對此， 他們認為是正常的。
因為碳和氧的原子核都比較重， 被α粒子撞上， 它們也不會動， 即使被撞動也走不了多遠。但是， 當充上氮氣以後， 小窗口的硫化鋅又出現了閃光。這又奇怪了， 氮原子核的質量也要比α粒子的質量大， 這回引起硫化鋅閃光的又是什麽呢？ 實驗的結果， 使硫化鋅閃光的還是氫原子核。這是一個引起熱烈討論的發現。盧瑟福的助手提出， 這次硫化鋅閃光很可能是由於α粒子撞擊了氮原子核， 並從氮原子核中打出了氫原子核而產生的。
盧瑟福作為一個偉大的物理學家， 他不僅能積極支持確有價值的新思想， 而且對問題的思考更為縝密。盧瑟福從事實驗研究的顯著特點， 就是他不以產生的想法摘取實驗事實， 隻有在實驗中將有關的各種可能性和因素一一排除後， 才將事實的本來麵貌確切地揭示出來。正因為如此， 盧瑟福的實驗研究素以準確而聞名。這一次也毫不例外， 他認為， α粒子打出氫原子核的推測是有一定道理的， 但必須把實驗條件進行嚴格的檢驗。這裏不能有任何虛假和馬虎。
盧瑟福考慮到如果在給黃銅罐充入氮氣時， 混入氫氣或水汽都會影響到實驗的結果。假若真有水汽混入氮氣， 水分子中有兩個氫原子， α粒子打到水分子上， 也會把氫原子核打出來。但這和α粒子撞擊氫原子核毫無關係了。於是， 按照盧瑟福的分析， 他的助手們把可能混入氮氣和黃銅罐裏的水汽與氫氣都排除幹淨。在這樣的實驗條件下， 用α粒子去轟擊氮氣， 小窗口的硫化鋅還是閃光了， 而且還就是高速的氫原子核。這說明， 氮原子核確實被打破了！盧瑟福對這個實驗的解釋是， α粒子撞上氮原子核後， 被氮原子核所俘獲， 同時氮原子核又放出一個氫原子核， 小窗口的硫化鋅閃光就是由氮原子核放出的氫原子核所引起的。在氮原子核經曆了上述過程之後， 它變成了另外一種原子核。
這一結果進一步鼓舞了物理學家。他們又繼續做了許多實驗， 發現用α粒子去撞擊氖、鎂、矽、硫、氯、氬和鉀， 結果都打出了氫原子核。看來， 氫原子核是各種元素原子核的組成部分。盧瑟福測出了氫原子核的質量和電荷， 與以前所假定的質子完全一樣， 從而確認了氫原子核就是組成原子核的質子。
盧瑟福的這個實驗有著比確認質子更為重要的意義。盧瑟福在實驗中， 通過α粒子撞擊氮原子核， 使氮原子核在俘獲α粒子而放出氫原子核後， 其自身變成了另外一種原子核。這實際上是世界上第一次人工核反應。這是一個了不起的大事。在古代， 就有許多人夢想把普通的金屬變成貴重的金屬， 成語“點石成金”表達的就是這種願望。不過， 曆代煉金術士奮鬥了數千年， 夢想始終未能變成現實。他們想盡各種辦法， 所得到的僅僅是金屬表麵顏色與光澤的改變， 做為一種騙術而已。盧瑟福的實驗使這種夢想成為可能。
還是在1911 年10 月的時候， 盧瑟福通過對α粒子散射實驗結果的分析， 不僅確認了原子中存在一個帶正電荷的核心， 這就是原子核。而且他還從理論上估算了原子和原子核的大小。盧瑟福計算出金原子的半徑大約是0 。 000000016厘米， 金原子核的半徑就更小了， 大約隻有0. 000000000003 厘米。對這麽小的原子核怎麽來研究， 如何才能探知它內部的秘密， 這既是讓物理學家興奮不已， 又是讓他們備感頭疼的問題。
1914 年， 盧瑟福的學生馬斯頓在用閃爍鏡觀測α粒子在空氣中的射程時， 注意到出現了一些射程特別長的粒子。
這是一種反常的現象， 因為當時物理學家都知道α粒子在空氣中的射程大約為7 厘米， 而馬斯頓在實驗中卻發現了有的粒子的射程長達40 厘米。馬斯頓反複實驗， 證明實驗沒有錯誤。他對這種反常現象的解釋是， 空氣中的氫離子被α粒子撞擊， 由於氫離子比α粒子要輕， 所以碰撞後氫離子的速度要比原來α粒子的速度大得多， 走的也要比較遠。馬斯頓把實驗的情況以及他的看法都寫信告訴了盧瑟福， 盧瑟福對此非常感興趣。其實， 馬斯頓已經涉及到原子核的分裂現象， 但他卻沒有意識到。
盧瑟福對原子核的分裂早有考慮。早在1905 年， 他提出α射線起源於原子核內； 1912 年， 他已有了原子核可能因放出α粒子而分裂的想法。馬斯頓的實驗使盧瑟福意識到， 要打開原子核， 恐怕還要靠α粒子。在α粒子散射的實驗中， 有少數α粒子被反彈回來， 這說明α粒子是正對著金原子核撞擊的， 隻是由於受到同性電荷的壓力才使它們的散射角度為180°。那麽， 有沒有辦法讓α粒子打到原子核上去呢？ 經過分析， 盧瑟福認為要想用α粒子去撞擊原子核， 至少要有二個條件： 一是α粒子的速度要足夠大； 二是要選擇帶正電荷較少的原子核作為靶子， 也就是選取列在元素周期表前麵的一些元素做實驗對象。
盧瑟福在1917 年底寫給玻爾的信中， 表達了他“試圖把原子擊破”的想法。也就是說， 這時他已有了打開原子核的計劃。
很快， 在助手的協助下， 盧瑟福開始了實驗。他的實驗儀器是一個抽成真空的黃銅罐子， 裏麵放上一片塗有釷的放射性同位素的小片。之所以選取釷的放射性同位素， 是因為它放出的α粒子的速度達到19200 公裏/ 秒。這是相當快的速度。他在正對著α粒子源的銅罐那一端開了一個小窗口， 窗口上塗著硫化鋅。如果有α粒子射到窗口上， 硫化鋅就會發出閃光。盧瑟福對α粒子源， 即塗有釷的放射性同位素的小片， 與小窗口之間的距離作了精心的設計， 讓它大於7 厘米。這樣， 就使α粒子源放射出的α粒子不能直接射到硫化鋅上。
實驗中， 盧瑟福讓助手在抽成真空的黃銅罐裏， 先後充上不同的氣體， 也就是選取不同的氣體元素的原子核作為靶子。一天， 他的助手報告說， 當黃銅罐裏充了氫氣時， 實驗中硫化鋅出現了閃光， 而且還發現這個閃光和α粒子打到硫化鋅上所發出的閃光有所不同。這表明， 到達小窗口的粒子不是α粒子。經過反複實驗研究， 認定這種穿透力很強、速度很快的粒子就是失去電子的氫原子， 即氫原子核。對這個實驗結果的解釋並不難， α粒子打入氫原子， 而且碰上了氫原子核， 由於α粒子的質量是氫原子核質量的4 倍， 所以當高速的α粒子撞到氫原子核後， 氫原子核就被彈開了。這就有點像一個小球被一個飛速過來的大球撞擊， 小球會以比大球更快的速度運動。
這一實驗結果鼓舞了盧瑟福及其助手， 他繼續換上不同的氣體元素做實驗。他們先後給黃銅罐充上二氧化碳和氧氣， 結果沒有出現硫化鋅閃光。對此， 他們認為是正常的。
因為碳和氧的原子核都比較重， 被α粒子撞上， 它們也不會動， 即使被撞動也走不了多遠。但是， 當充上氮氣以後， 小窗口的硫化鋅又出現了閃光。這又奇怪了， 氮原子核的質量也要比α粒子的質量大， 這回引起硫化鋅閃光的又是什麽呢？ 實驗的結果， 使硫化鋅閃光的還是氫原子核。這是一個引起熱烈討論的發現。盧瑟福的助手提出， 這次硫化鋅閃光很可能是由於α粒子撞擊了氮原子核， 並從氮原子核中打出了氫原子核而產生的。
盧瑟福作為一個偉大的物理學家， 他不僅能積極支持確有價值的新思想， 而且對問題的思考更為縝密。盧瑟福從事實驗研究的顯著特點， 就是他不以產生的想法摘取實驗事實， 隻有在實驗中將有關的各種可能性和因素一一排除後， 才將事實的本來麵貌確切地揭示出來。正因為如此， 盧瑟福的實驗研究素以準確而聞名。這一次也毫不例外， 他認為， α粒子打出氫原子核的推測是有一定道理的， 但必須把實驗條件進行嚴格的檢驗。這裏不能有任何虛假和馬虎。
盧瑟福考慮到如果在給黃銅罐充入氮氣時， 混入氫氣或水汽都會影響到實驗的結果。假若真有水汽混入氮氣， 水分子中有兩個氫原子， α粒子打到水分子上， 也會把氫原子核打出來。但這和α粒子撞擊氫原子核毫無關係了。於是， 按照盧瑟福的分析， 他的助手們把可能混入氮氣和黃銅罐裏的水汽與氫氣都排除幹淨。在這樣的實驗條件下， 用α粒子去轟擊氮氣， 小窗口的硫化鋅還是閃光了， 而且還就是高速的氫原子核。這說明， 氮原子核確實被打破了！盧瑟福對這個實驗的解釋是， α粒子撞上氮原子核後， 被氮原子核所俘獲， 同時氮原子核又放出一個氫原子核， 小窗口的硫化鋅閃光就是由氮原子核放出的氫原子核所引起的。在氮原子核經曆了上述過程之後， 它變成了另外一種原子核。
這一結果進一步鼓舞了物理學家。他們又繼續做了許多實驗， 發現用α粒子去撞擊氖、鎂、矽、硫、氯、氬和鉀， 結果都打出了氫原子核。看來， 氫原子核是各種元素原子核的組成部分。盧瑟福測出了氫原子核的質量和電荷， 與以前所假定的質子完全一樣， 從而確認了氫原子核就是組成原子核的質子。
盧瑟福的這個實驗有著比確認質子更為重要的意義。盧瑟福在實驗中， 通過α粒子撞擊氮原子核， 使氮原子核在俘獲α粒子而放出氫原子核後， 其自身變成了另外一種原子核。這實際上是世界上第一次人工核反應。這是一個了不起的大事。在古代， 就有許多人夢想把普通的金屬變成貴重的金屬， 成語“點石成金”表達的就是這種願望。不過， 曆代煉金術士奮鬥了數千年， 夢想始終未能變成現實。他們想盡各種辦法， 所得到的僅僅是金屬表麵顏色與光澤的改變， 做為一種騙術而已。盧瑟福的實驗使這種夢想成為可能。
