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高中物理
第十五章 波粒二象性与原子结构
质子、中子与同位素的发现
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2025-10-24 08:54
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质子、中子与同位素的发现
天然放射现象表明原子核有内部结构,原子核的结构也可以发生变化。20 世纪上半叶,物理学家开始通过人工方法使原子核的结构发生变化,并借助这种方法探明了原子核的组成。我们知道原子核由质子和中子组成,它们是如何被发现的呢? ## 质子的发现 1914 年,卢瑟福的学生在实验中发现,有些 α 粒子穿越空气时的距离竟然长达 40 cm,远超过 α 粒子在空气中一般的穿越距离。这是什么原因呢? 卢瑟福对此进行了深入而细致的研究。1917 年至 1919 年间,卢瑟福再度利用 α 射线作为“探针”成功地“击破”了原子核,解决了这一问题。 图 15–7 为卢瑟福的实验装置示意图。容器 C 中放置着放射性物质 A,A 可以在底座支架上左右移动,并可以由底座上的标尺测出 A 离开银箔 F 的距离。从 A 中射出的 α 粒子可以射到 F 上。当 F 厚度适当时,α 粒子恰好可以被 F 完全吸收而不能透过 F。F 后放置一荧光屏 S,通过 S 后的显微镜 M 可以观察 S 上是否发生由粒子入射引起的闪光。C 上的两个阀门 T 可以分别向 C 内充入或抽出氮气。 {width=400px} 卢瑟福经过研究发现,荧光屏 S 上的闪光是 α 粒子击中氮原子核后产生的新粒子透过银箔所致。将这种新粒子引进磁场和电场,可以确认是氢原子核,也就是质子,用符号 11H 或 p 表示。这是历史上第一次利用一定能量的粒子轰击原子核,实现原子核结构转变的过程。我们将这样的过程称为**核反应**(nuclear reaction)。**核反应的过程也遵循质量数和电荷数守恒的规律**。 对上述质子产生的机制曾有两种不同的猜测:一种是 α 粒子直接从氮原子核中打出了质子,同时 α 粒子被氮原子核散射;另一种是 α 粒子打进氮原子核后形成的复合核衰变放出了质子。1925 年,英国物理学家布拉凯特(P. Blackett,1897—1974)又在充有氮气的云室中重做了这个实验。布拉凯特拍摄了 2 万多张云室照片,从 40 多万条 α 粒子的径迹中,发现有 8 条产生了两分叉的情况。如图 15–8 所示,分叉后细而长的是 11H 的径迹,短而粗的是 178O 的径迹,由此证明后一种猜测是正确的
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