质子和中子

一、质子的发现

英国物理学家卢瑟福在 1911 年根据α粒子的散射实验提出了原子结构的有核模型，即原子中有一个半径为 10−15～10−14m 的带正电的中心体， 称为原子核，它集中了原子的绝大部分质量，所带电量为 Ze，其中 Z 为原子序数，e 为电子电量．在原子核外散布着 Z 个带负电的电子．该模型提出后，人们自然会想到，“原子核是什么”、“原子核是由什么构成的， 它是由单个的粒子，还是由若干个更小的带正电荷的粒子所组成的”、“原子核能不能再分裂”等问题．总之是要探讨原子核的结构问题．

当贝克勒尔首次发现放射性现象后，人们对放射性现象进行了大量的研究，并在放射出的射线中相继发现了α射线、β射线和γ射线，这样， 人们自然就要问，这些射线究竟是来自原子中的电子，还是来自核．答案是容易找到的，因为α粒子带正电，比电子重几千倍，所以α粒子不可能来自电子．电子的能量很低，而实验测定放射出的β射线和γ射线的能量却为几十万电子伏，因此这两种射线也不可能来自电子．这样很显然，α、β、γ三种射线均来自原子中的原子核．既然原子核可以放出带正电的α 射线、带负电的β射线和不带电的γ射线，这充分说明原子核的内部结构也是相当复杂的．

卢瑟福在对放射性现象的研究中，为了确定α射线的本性，进行多年的实验研究工作．早在 1899 年，卢瑟福依据放射性辐射的穿透本领，发现并区别了放射性辐射中的α射线与β射线；1903 年，卢瑟福把放射性辐射置于磁场中，发现了α射线和β射线在磁场中的偏转，并计算出了α 射线的荷质比和氦原子相同；1903 年，他同罗伊兹用光谱方法最后证实α粒子就是氦离子，从而确定了α粒子的本性．当时已知各种放射性元素都会放射出α粒子，各种原子核的带电量都是氢核的整数倍，那么，α粒子和氢核是否都是原子核的一个组成单位呢？科学家们假定，原子核是由α粒子（可能还有氢原子）和电子所组成的．1913 年，原子核中包含有足够数量的α粒子和电子的原子核模型已被人们普遍接受．

原子核既然是由粒子构成的，可否用一个粒子击出一个或几个粒子， 从而发现原子核的结构呢？这对卢瑟福来说是轻车熟路．因为早在 1911 年卢瑟福就曾用α粒子打开了原子的大门而发现了原子的有核结构．1919年卢瑟福又想用α粒子这炮弹来轰击原子核的大门．于是他选用天然放射性物质镭释放出的α粒子去轰击氮原子核，这是世界上最早实现的人工核反应，也是人类有史以来首次通过有意识的行为改变了原子核．通过这一实验卢瑟福发现了质子．

卢瑟福的实验设计如图所示，在一个密闭的（通过阀可充入氮等各种气体）黄铜罐 A 中，放置一 a 粒子源，在罐的右端开一个窗口，并用银箔F 封住，在外面放一涂有硫化锌的荧光屏 S，再用望远镜 M 进行观察．卢瑟福用这个装置对α粒子轰击氮核的过程进行了仔细的研究．在标准大气压下，一般α粒子在空气中的射程是 2.6—11.5 厘米，卢瑟福所用的α粒

子的射程事前已测定是 7 厘米，因此只要荧光屏距α粒子源稍大于 7 厘米，从荧光屏上就观察不到闪光．但是实验中当把空气换成氮气后，竟从

荧光屏上观察到了闪光．而且粒子的射程可达 40 厘米，因此，卢瑟福认为这是一种新的粒子．它是由 a 粒子打入氮核内，使氮核发生了反应而放出的“新粒子”．为了进一步了解这种新的粒子的性质，卢瑟福就在这个实验装置里加进电场和磁场，并根据它在电场和磁

场中的偏转测定它的质量和电荷，从而确定了新粒子就是质子．用¹H

表示、其α粒子轰击氮核的核反应过程可用方程式表示为：

¹⁴ N + ⁴ He→ ¹⁷O +¹ H

7 2 8 1

至此，质子被发现了！卢瑟福发现质子所用的方法，是世界上第一次用人工方法使原子核发生了转变，为研究原子核的组成提供了一种崭新的方法．卢瑟福在 1919 年发表的《α粒子与轻原子的碰撞》的论文中公布了这一发现，并在“氮的反常效应”部分写道：“⋯⋯氮原子（核）由于在与快速α粒子相碰时所产生的巨大的力的作用而解体，而此时释放出的氢原子（质子）乃是氮核的组成部分．”

为了了解卢瑟福实验中发现的质子是α粒子直接从氮核中打出来的，还是α粒子打进氮核后形成了不稳定的复核，然后发生衰变时放出来的，1925 年，英国科学家布莱凯特做了云雾室实验重复了卢瑟福的工作， 并从拍摄到的二万多张云雾室照片中得到了八张照片，进一步证实了卢瑟福的发现，并证实了上面的后一种设想是正确的．后来，人们又用同样的方法，用α粒子分别轰击硼、氟、钠、铝、磷等，都产生了质子，发生类似的转变，因此确认了质子是原子核的组成部分之一．质子的原意是“第一个”、“最重要”的意思．