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原子物理发展史X射线的发现 一、伦琴的发现（1895年11月8日） 伦琴发现X射线的过程，多少有些神秘，传说也难免有些臆测的色彩。这段传说是这样的: 伦琴为探索阴极射线的性质，曾经用列纳德管重复H赫兹和列纳德所做的实验，据说列纳德曾经为他提供了一支优质列纳德管。实验时，伦琴为保证实验的精确性，就设法使放电管不受外界的影响，因而他用锡箔和硬纸板包住放电管。当他接通电流并把涂有亚铂氰化钡的荧光屏移近列纳德管的铝膜窗口时，他发现荧光屏上出现荧光。于是，他仔细调节焚光屏和铝窗的距离，结果确证阴极射线可穿透空气几厘米远。然后，他改用克鲁克斯管做实验，也发现荧光，不过荧光显得模糊不清，于是他继续实验。 1895年11月8日星期五晚上，为了仔细观察荧光屏上模糊的荧光，也为了排除外界的一切光线干扰，他关闭实验室不使漏光，并且检查克鲁克斯管是否用黑纸板包封严密。当他要着手实验而接通高压电源时，突然发现在实验台上放在克鲁克斯管附近的小荧光晶体闪炼着荧光，涂有亚铂氰化钡的纸屏也闪烁着浅绿色的光。他惊讶极了，这种奇异现象可是从未见到也从未听说过！ 于是他急切地重复实验。他把荧光屏移开，直到2米多远还隐约可以见到这种荧光。他似乎意识到这不可能是阴极射线，因为列纳德管引出的射线只不过有几厘米射程！ 对于这种奇异现象，伦琴是不会放过的，用他的话说，他开始探索这"看不见的射线"。从此，他废寝忘食地在实验室里连续干了6个星期，全神贯注探索这种奇异射线的性质。他不声张他的发现，除非彻底查清可能得到的一切结果，否则他是不向外界宣布的。 最后，直到他确认这是一种闻所未闻的新射线时，才于1895年12月288在维尔茨堡物理医学协会上第一次报告自己的发现。他报告的论文题为一种新的射线-初步报告。在这个报告中，他介绍了实验装置和实验方法。 由于当时对这种新射线的本质尚不清楚，故称为X射线，在这篇文章中还指出了X射线的某些性质。因为伦琴是德国人，所以德国科学家常把它称为伦琴射线。 二、X射线的性质 伦琴发现： 1、 X射线在空气中的射程有2米多而且是直线传播的，不反射也不会折射； 2、 外界磁场不会使X射线发生偏转； 3、 X射线来自克鲁克斯管的对阴极，即接受阴极射线轰击的那个电极； 4、 X射线具有非常强的穿透性 X光能穿透上千页的厚书、2-3厘米厚木板、15毫米的铝板。他拿铅板来挡X光，发现效果很好，仅1-2毫来就可以挡住X光。在置换这些挡光助东西时，拉琴惊讶地看到了自己手的骨头和轮廓。 11月22日，伦琴把夫人带进实验室，用X射线拍了一张夫人的左手照片，照片骨肉分明，连结婚戒指也清晰可见，这张照片的复印件一直保留下来，印在许多书中。此外，伦琴还用X拍摄了许多物体的照片；例如：木盒、罗盘仪、绕在木轴上的纱包(金属)线、金属块、甚至房门等等。 关于X射线的发现和研究，除第一篇论文外，伦琴的第二篇论文一种新的射线-续篇，发表于1896年3月9日，主要报告X射线使气体具有导电能力。 第三篇论文关于X射线性质的进一步观察，发表于1897年3月，主要报告他对X射线在空气中散射所作的观察 三、X射线的本质 1912年，德国著名物理学家Mvon劳厄(Max Von ，1879-1960)预言X射线是一种波长根短的"以太波"（电磁波)，并由A索末菲的助教W弗里德里希(Walter Friedrich，1883-1968)和博士生P尼平(Paltl Knipping1883-1935)通过X射线的晶体衍射实验获得"劳厄图样"，才确证X射线是一种波长很短的光，后来就简称为X光。 伦琴放弃作诺贝尔报告的事议论纷纷。其中，以列纳德最为起劲；他说X射线是维尔茨堡大学研究所机械师最先发现的，而且还宣称他早就发现X射线等等。其实，X射线的确早就存在于克鲁克斯管和列纳德管的实验中，但他们都不曾意识到这是一种新射线，而是忽略了这种"莫名其妙的次要现象"，伦琴独自进行实验，全面测试，这些都未曾受到列纳德等人的直接启发和帮助，因此，伦琴对列纳德的中伤和歪曲不予理睬，外界自然作出公正的评判。 四、深远的影响 X射线的发现，对物理学的进展和科学技术的进步产生了深远的影响。 法国实验物理学家H，贝克勒尔(1852-1908)于1896年初了解到伦琴的发现，这引起他的极大的兴趣并立即做X射线实验，在实验过程中，他发现了一种与X射线多少有些相似的现象，即由铀盐放射出的一种奇异的"铀射线"，这就是1896年3月贝克勒尔首次发现物质的放射性。他的这一发发现为居里夫妇发现放射性元素镭和钋开辟了道路。由于放射性的发现，他们分享了1903年诺贝尔物理奖金。 借助X射线作为工具，1897年汤姆生发现了电子。 英国物理学家布拉格父子利用X射线作晶体结构分析，提出了著名的布拉格公式，荣获1915年诺贝尔物理学奖。 英国物理学家C.巴克拉（1877-1944）由于发现标识元素的次级X射线而获1917年诺贝尔物理奖。 美国著名物理学家A.H 康普顿于1923年前后发现康普顿效应而获1927年诺贝尔物理奖。 X射线在医学上应用是人尽皆知的，尤以"X射线层析图像技术"为最著名。 Lunqin 伦琴，W.K.Wilhelm Konrad Rontgen (18451923) 德国实验物理学家。1845年3月27日生于伦内普(现属联邦德国)。3岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。1865年 迁居瑞士苏黎世，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工 程系，1868年毕业。1869年获苏黎世大学博士学位，并 担任了物理学教授A.孔脱的助手；1870年随同孔脱返回 德国，1871年随他到维尔茨堡大学和1872年又随他到斯 特拉斯堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长，1900 年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。1923年 2月10日在慕尼黑逝世。 伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作， 如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的 比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振 面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细 现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射线 的发现赢得了巨大的荣誉，以致这些贡献大多不为人所注意。 1895年11月8日,伦琴在进行阴极射线的实验时第一 次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。 经过几天废寝忘食的研究，他确定了荧光屏的发光是由 于射线管中发出的某种射线所致。因为当时对于这种射 线的本质和属性还了解得很少，所以他称它为X射线,表 示未知的意思。同年12月28日，维尔茨堡物理学医学 学会会刊发表了他关于这一发现的第一篇报告。他对 这种射线继续进行研究，先后于1896年和1897年又发表 了新的论文。1896年1月23日,伦琴在自己的研究所中作 了第一次报告；报告结束时，用X 射线拍摄了维尔茨堡 大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔 带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为伦琴射 线。 伦琴射线是人类发现的第一种所谓“穿透性射线”， 它能穿透普通光线所不能穿透的某些材料。在初次发现 时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片（见图 伦琴拍摄的他夫人手的X射线照片）,显示出手的骨结构。这种发现实现了某些神话中的幻想(中国也有“秦王照胆镜”的传说),因而在社会上立即引起很大的轰动， 为伦琴带来了十分巨的荣誉。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。 放射性的发现 一、贝克勒尔的灵感 放射性是由法国科学家贝克勒尔在1896年发现的。这一发观与前-年伦琴发现X射线密切有关。 贝克勒尔出身于一个物理学世家，他的祖父、父亲，包括他自己的儿子，四代人都是物理学家。贝克勒尔的祖父是法国自然史博物馆设置物经学教授职位时的第一任教授，他的父亲从作为他祖父的一名助手到后来也成为博物馆中一名教授。对荧光的研究，是这个家族的传统。贝克勒尔自幼受到科学熏网，聪明好学。后来，他继承父亲也在自然史博物馆任教授。 在X射线发现不久，贝克勒尔很快想到，如果把荧光的物质放在强光下照射、是否在发出荧光的同时，能放出X射线。于是，他把荧光物质(一块铀化合物-钾铀酰硫酸盐晶体)放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒。如果此铀化合物在阳光激发下，发射荧光同时也有X射线发出的话，由于X射线的强的穿透性，定能使底片感光。结果，在底片上果然发现丁与荧光物质形状相同的像。 1896年2月24，他向法国科学院报告了此实验结果。但是，事隔一周，在3月2日，他向科学院又作丁一个报告，宣布了一个惊人的发现：在上次报告后，他想继续实验，但天不作美，连续两天不见太阳。他把铀化合物和底片一起放在抽屉里。可是，丰富的实践经验， 使他富有灵感，他想到要看一下此铀化合物未经太阳曝晒，底片是否感光。原以为最多能看到非常微弱的影像，但恰恰相反，底片冲出后在上面出现丁很深的感光黑影，使他大为惊奇。他进一步用不发荧光的铀化物进行实验，结果发现也能使底片感光。这说明了铀化物本身也会放出一种肉眼看不见的射线，它与荧光是完全无关的。 以上就是放射性发现的简单经过。应该说放射性的发现。是这个家族几代人努力的结果。另外，正如杨振宁在讲述贝克勒尔发现放射性的故事时讲到，科学家的"灵感"对科学家的发现"非常重要"，"这种灵感必定来源于他的丰富的实践和经验。" 二、居里夫妇的努力-镭和钋的发现 放射性的发现也引起了居里夫人(MCurie，1367一1934)的极大兴趣。居里夫人，1867年11月7日生于波兰华沙一个家境贫寒的物理教师家庭中，她16岁时以优异成绩中学毕业。但当时华沙的波兰大学不收女大学生，父母又天钱送她去国外学习，为此地只好先参加工作，做一名家庭教师。白天教书，晚上自学。几年后于1891年她利用平时积下来的钱，买了一张四等车票，离开了祖国来到巴黎，考入了当时著名的法国大学理学院学习自然科学。她喜欢物理，有强烈的求知欲。有理想，能吃苦，意志坚强，出色完成了学业，得到了物理学硕士和数学硕士两个学位。 1897年在放射性发现不久，她就开始致力于放射性研究工作。首先她想到，铀不一定是唯一能放出射线的元素，并且很快，在当时己知的一些元素中，发现了"钍"也可发射类似于铀放射的射线，强度也相近。"放射性"这个词，正是当时由居里夫人所提出的。 放射性元素钍发现后，居里夫人的丈夫皮埃尔·居里(PCurie,1859-1906)，也开始参与放射性的研究工作。通过对各种矿石的大 量测试结果，他们发现了有一些矿石(如沥青铀矿)的放射性远强于铀和钍的放射性。通过分离和浓缩，于1898年他们先后发现了在沥 青铀矿物中还有两种放射性元素。居里夫人称第一种元素为"钋"(Polorium)，以纪念她的祖国波兰；第二种元素被称为"镭"，意思是放出射线，镭的放射性强度是铀的一百万倍以上。他们的研究，使放射性研究有了一个大的飞跃。 1903年，居里夫妇与贝克勒尔，共享了诺贝尔物理学奖。 当时他们的实验是在一个简陋的棚屋中进行的。由于缺少经费他们利用自己的积蓄购矿石、做实验。居里夫人有一句名言是："人要有毅力，否则将一事无成。"从1897年开始直到逝世的36年科学生涯中， 她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智能，全身心投入了放射性研究，成果累累。1911年，居里夫人又因此荣获丁诺贝尔化学奖。 三、三种射线-射线、射线、射线 放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福(当时还是电子发现者J·J汤姆生教授的研究生)也投入了对放射性的研究工作。在科学家们的共同努力下，发现了各种放射性元素所放出的射线中包括、和三种射线。其中射线是带两个正电荷的氦核 (又称粒子)；射线是带负电荷的电子流；射线是电中性的电磁辐射，与可见光和X射线一样，只是波长比X射线还要短。对这三种射线的区分可以用它们在磁场中的不同轨迹判定。 磁场方向垂直纸面向内，则带正电的氦核向左偏，由于质量大偏转小，带负电的电子质量小向石偏转大；电中性的射线方向不变。放射性元素放出这三种射线的过程，又分别称为衰变、衰变和衰变。 实验事实告诉我们，有的元素有放射性，有的没有。有的可放射线，有的只能放射线，而射线一般是伴随和射线的发射而放出。 放射性的发现不仅进一步揭开了微观世界的奥秘、而且与X射线一样，放射性已在工农业生产、医学、生命科学、材料科学等许多领域中得到了广泛的应用。 原子物理名词解释表 射线： 射线是从放射性物质中射出来的一种粒子流。粒子就是氦原子核，它贯穿物质的本领很小，一张薄线通常就能把它档住，但是它有很强的电离作用。 射线： 射线是高速的电子流。它的贯穿本领较大，能穿透几毫米厚的铝板，但它的电离作用较弱。 射线： 射线是一种波长很短的电磁波（光子），它的贯穿本领更强，能穿透几厘米的铅板，但它的电离作用很小。 半衰期： 放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间，叫半衰期。 原子核的衰变规律是： 其中：No是指初始时刻（t=0）时的原子核数 t为衰变时间，T为半衰期 N是衰变后留下的原子核数 电子： 电子是带负电的基本粒子，静止质量等于9.1095×1031kg，电量等于1.602×1019C，这是电量的基本单位，电子的半径小于1015m，电子常用符号e表示。 发射光谱 物体发光直接产生的光谱叫做发射光谱。 说明：（1）稀薄气体发光是由不连续的亮线组成，这种发射光谱又叫做明线光谱：原子产生的明线光谱也叫做原子光谱曲。 （2）固体或液体及高压气体的发射光谱，是由连续分布的波长的光组成的，这种光谱做连续光谱。 放射性,放射性元素： 物质发射射线，射线和射线的性质的叫做放射性。具有放射性的元素叫做放射性元素。 光电效应： 在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫光电效应。 光谱分析： 由于每种原子都有自己的特征谱线，因而可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成，这种方法叫做光谱分析。 光子说: 光子(又叫光量子)是一种静止质量为零的粒子，具有能量和动量。它的能量表 （为频率，h为普朗克常量） 动量表示式为 （C为光速） 核反应和反应能： 利用天然放射性的高速粒子或利用人工加速的粒子去轰击原子核，使原子核变成另一种原子核的过程，叫做核反应。 在核反应过程中，放出或吸收的能量，叫反应能。 放出能量的核反应，叫放能反应。吸收能量的核反应，叫做吸能反应。 激光： 一个入射光子由于引起受激辐射可以得到两个同样的光子，如果在媒质中传播的这些光子再引起其它原子发光受激辐射，这样就会产生越来越多的相同的光子使光得到加强，这就是激光，即由于受激辐射而得到加强的光就是激光。 激光的主要特点是：具有很好的单色性、方向性和相干性，并且亮度极高。 聚变： 轻核结合成质量较大的核的过程，叫聚变。 聚变必须在极高的温度下进行，所以这种反应也叫热核反应。 康普顿效应： 当伦琴射线（x光）被一个自由电子散射时散射光的频率将小于入射光的频率，即散射光的波长大于入射光的波长，这种现象叫康普顿效应。 链式反应： 由于中子的轰击，重核（如铀核）裂变时释放一至三个新生中子，这些新生中子又可能使其它原子核发生裂变，从而使裂变自动持续下去，这种裂变自动持续下去的反应过程叫链式反应。 裂变： 重原子核分裂成两个或多个较轻原子核的过程，叫裂变。 嬗变： 用人工方法得到的放射性同位素放射出一个粒子或粒子的过程叫做嬗变。 原子核通过人工核反应而转变成另一种原子核的过程叫嬗变。 受激辐射： 当原子处于激发态E2时，如果恰好有能量 （这里E2 ）E1）的光子射来，在入射光子的影响下，原子会发出一个同样的光子而跃迂到低能级E1上去，这种辐射叫做受激辐射。 衰变： 原子核由于放出某种粒子而转变为新核的变化叫做原子核的衰变。 说明： 放出粒子的衰变，叫衰变。 如 放出粒子的衰变，叫做衰变。 如 放射性的原子核在发生衰变或衰变时产生的新核有的具有过多的能量(核处于激发态中)，这时它就会辐射出光子。放出光子的过程叫做衰变或辐射，也可以叫跃迁。 同位素和放射性同位素： 具有相同的质子数和不同的中子数的原子互称同位素。 具有放射性的同位素，叫做放射性同位素。 蜕变： 原子核自发地发射一个粒子或粒子，转变成另一个核的过程叫做蜕变，相应的叫做蜕变成蜕变。 吸收光谱： 高温物体发出的白光（其中包含连续分布的波长的光）通过物质时某些波长的光被物质吸收后产生的光谱，叫做吸收光谱。 原子反应堆： 是一种能有控制的利用裂变原子能的装置。 原子核反应堆除了用来发电（核电站）外，它可产生大量中子，可以引出用于科学研究，还可以制造放射性同位素和核燃料（如钚-239，铀-233）。 原子核的结合能： 核子间存在着强大的核力，核子结合成原子核时放出的能量或原子核分解为核子时吸收的能量，叫做原子核的结合能。 原子核的组成： 原子核是由质子和中子组成的，质子和中子统称为核子。每个质子都带一单位的正电荷，中子不带电。质子和中子的质量几乎相等。所以原子核的电荷数就等于它的质子数，质量数就等于它的核子数（即质子数与中子数之和）。 质子： 质子是带正电的基本粒子，它就是氢原子核，质子的静止质量为1.673×1027kg，电量为1.602×1019C，半径约为0.8×1015m，质子常用符号H表示。 中子： 中子是不带电的基本粒子，静止质量为1.675×10-27kg，它的半径约为0.8×1015m，与质子大小类似。中子常用符号n表示。 自发辐射： 处于激发态的原子中，电子在激发态能级上只能停留一段很短的时间，就自发地跃迁到较低能级中去，同时辐射出一个光子，这种辐射叫做自发辐射。 电子的发现 一、证实阴极射线是带负电的粒子流 1895年法国年轻物理学家J佩兰在阴极射线管内放入一个静电计，由静电计显示接收到的电荷的电性和电量，结果表明阴极射线是带负电的粒子流。电子的发现是和阴极射线的实验研究联系在一起的，而阴极射线的发现和研究是从真空管中放电现象开始的。早在1858年，德国物理学家普吕克（JPlucker,18011868）在利用放电管研究气体放电现象时发现了阴极射线。当时，水银真空泵发明不久，利用真空泵，普吕克发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光。当变化管外所加的磁场，荧光的位置也会发生变化，可见这种荧光是从阴极所发出的电流撞击玻璃管所产生的。阴极射线究竟是什么呢？ 最初以为阴极射线是电磁辐射。1890年前后，JJ汤姆生特制了一支15米长的真空管，并且用旋转镜测定时间，测得阴极射线的速度是19×105 m/s。实验结果使他怀疑阴极射线的传播是电磁辐射的说法（电磁辐射速度为3×108m/s）。 二、荷质比的测量 1897年初，JJ汤姆生设计了新的阴极射线管，在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过A和B聚集，从另一对电极D和E间的电场中穿过。右侧管壁上贴有标尺，供测量偏转用。他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也和赫兹一样，没见到任何偏转，但他分析了不发生偏转的可能原因是电场建立不起来。于是，他利用了当时最先进的真空动技术，获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确说明阴极射线是带负电的粒子。他在管外加上了一个与电场和射线速度都垂直的磁场，此磁场由管外线圈产生。当电场力Ee与磁场产生的偏转力evB相等时，可使射线不发生偏转，打到管壁中央，由此可较精确得到粒子的速度vEB。再根据阴极射线在电场下引起的荧光斑点的偏转半径，就可以推算出阴极射线粒子的荷质比e/m。汤姆生当时所测得的e/m1011库仑千克。要比氢离子的荷质比大一千多倍，由于在这个实验中观察到荧光斑点，JJ汤姆生得出结论："阴极射线也是物质的粒子。"e/m很大，可能是由于m小，也可能是e大或者两者兼有。他进而猜想，阴极射线的载荷子要比普通的分子小。 三、电子的发现（1897年） JJ汤姆生在判断阴极射线的带电粒子的基本性质时，其实验方法颇有独到之处。他为判明粒子荷质比的测量值是否受到管内残存气体的影响，就在管内分别充以各种气体来做实验。结论是没有影响。他为判明阴极射线的粒子是否属于同一种粒子，就利用铅和铁等不同金属材料做电极。结果，测得的荷质比的数值都相同。他从管内气体，电极材料与阴极射线粒子的荷质比无关。断定这种粒子是所有物质都共同具有的带电物质粒子。他当时（1897年）把它叫做"微粒"（corpnscle）后来被称为"电子"。 四、电子电荷的测定 1898年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量荷电粒子的电量的研究。其中一种方法是采用威尔生所发明的云室，即在饱和水蒸气中带电粒子可以作为一个核心，使它周围的水蒸气凝成小水滴（成为雾滴），测定了雾滴的数目和电荷的总量，可以算出电子电荷的平均值。当时测得的电子电荷是11×1019库仑，同电解中所得到的氢离子的电荷是同一数量级，从而直接证明了电子的质量约是氢离子的千分之一。由此，JJ汤姆生完全确认了电子的存在，且证明电子是所有材料元素中的普适成分。于是，JJ汤姆生最终解开了阴极射线之谜。从电子发现的历史可见，正如英国著名科学家贝尔纳所说：“发现的最大困难，在于摆脱一些传统的观念。” 在这以后，不少科学家不断努力以较精确地测量电子的电荷值，其中最有代表性的是美国科学家密立根（RAMilliken，18681953），以他的严谨的科学态度和追求精确的测量受到人们的赞誉。 1906年第一次测到电子电荷量为e134×1019库仑，后来他不断改进，到1913年最后测利电子电荷量为e159×1019库仑。在当时条件来说，这是一个高精度的测量值。近代精确的电子电荷值是：e160217733（49）×1019库仑 括号中的值是测量误差。密立根当时还发现电荷量是量子化的，e是最小的电荷量，即粒子所带电荷都是e的整数倍。 五、到处都有电子 JJ汤姆生还以大量实验结果阐明电子的普遍存在：阴极射线，射线和光电流等都是电子流；电场可以激发出电子，紫外光可以从金属中击出电子，加热的金属可发射电子，放射性物质镭还可以自发放射出电子。由此可见，电子是原子的组成部分而且比原子小得多，它是带电物质的最小荷电体。 电子是第一个被发现的微观粒子，电子的发现，对原子组成的了解起了极为重要的作用，因为它是构成所有物质中的普适成分。正由于电子的发现，汤姆生被后人誉为"一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人"。 玻尔的原子模型 一、原子有核模型面临困难 卢瑟福原子有核模型很好地解释了粒子的散射实验，但也存在着严重困难。 按照经典电磁理论：任何带电粒子在做加速运动的过程中要以发射电磁波的方式放出能量，这样，电子绕核运动的轨道半径会越来越小，最后很快地（时间约为10-9秒数量级）落在原子核上，原子就不可能稳定。 而事实上原子是稳定的。 另外，按照经典电磁理论：电子绕核运行时辐射电磁波的频率应该等于电子绕核运行的频率，随着运行轨道半径的不断变化，电子绕核运行的频率要不断变化，因此原子辐射电磁波的频率也要不断变化，这样，大量原子发光的光谱就应该是连续光谱。 然而，实际上原子光谱是由一些不连续的亮线组成的明线光谱。 为此，原子有核模型提出以后并没有引起学术界的重视。 二、二十世纪初物理界的几件大事对玻尔的影响 作为卢瑟福的学生，玻尔对卢瑟福的模型的正确性是坚信不疑的，为此要设法找到一个根本性的修正方法，既能说明原子的稳定性，又能解释原子的明线光谱。 在玻尔模型提出之前，在物理学界还有几件大事，对他很有启发： 一是1900年德国物理学家普朗克提出了能量量子化概念，即分子和原子的能量不是连续变化，而只能取一些分立值。 二是爱因斯坦为解释光电效应的实验规律，进一步提出光量子假定，即电磁波可看成是由能量为h、动量为h/的粒子（光子）组成，揭示了光的波粒二重性。（h是普朗克常量，是粒子振动的固有频率，是波长） 第三件大事是瑞士物理学家巴耳末、瑞典物理学家里德伯等用下面这个很简单的经验公式就能描述实验已观测到的所有氢原子光谱： 1/=RH(1/n2 - 1/m2) 其中： 是光谱波长 RH 是里德伯常数= 4/B ， B=364.56纳米 m.，n都是正整数。 当n=1，m=2，3，4， 时可得一组谱线的波长，这个谱线称为赖曼系， 当n=2，m=3，4，5, 时所得一组谱线的波长，这个谱线称为巴耳末系， 当n=3，m=4，5，6， 时所得一组谱线的波长，这个谱线称为帕邢系， 类似可得布喇开系（n=4）和普丰特系（n=5）等。 上述经验公式是根据实验资料，凭经验凑出来的。但是，如此简单的公式，却能把大量的谱线，按规律分成许多谱系，而且计算所得的波长与实验值非常一致。这在当时确实是一个无人知晓的"谜"，这个谜底将由玻尔来揭晓。 三、玻尔原子模型的内容（1913年） 经过两年坚持不懈的努力，玻尔终于在1913年，将量子概念用到了卢瑟福的原子模型中，并且将原子结构与光谱联系起来，提出了玻尔的氢原子模型。这个模型是以以下三个基本假设为基础的： 1定态假设：原子系统只能具有一系列的不连续的能量状态，电子只能处于这一些分立的"允许轨道"上，在这些状态中，电子虽然绕核作加速运动但不辐射电磁能量，这些状态称为原子系统的稳定状态（简称定态），相应的能量分别为E1，E2，E3，（ E1E2 E3 ，相应的"允许轨道"半径为 r1 ，r 2 ，r 3 ，它们之间的关系是： En = - e2/2rn En = -13.6/n2 电子伏 rn = 0.0529n2 纳米 n = 1,2,3, （n为正整数，称为量子数。） 2频率条件假设：当电子从一个具有较大定态能量En的"允许轨道"跃迁到另一个较低定态能量Em的"允许轨道"时，原子会以电磁波的形式放出能量，则放出光子的能量由下式决定： h=(En - Em)/h 式中h为普朗克常量。 反之，当电子在较低能量Em的"允许轨道"时，如吸收频率恰好为的光子，就可以跃迁到较大能量En的"允许轨道"上 3角动量量子化假设：在电子绕核作圆周运动中，不同的可能的稳定状态决定于下面这个条件，电子的角动量mvr等于h/2的整数倍，即 mn r = nh/(2) ， n = 1, 2, 3, 根据这三个假设，玻尔导出了里德伯等人的氢原子光谱实验公式，并且还成功预言了当时尚未观察到的紫外区和远红外区的谱系。 玻尔理论推广到类氢原子（锂、钠、钾等）也获得很大成功。这样，终于揭开了三十多年的令人费解的氢光谱之迷，对量子论和原子物理的发展奠定了基础。1922年，玻尔为此荣获诺贝尔物理奖。 四、玻尔的成功原因 玻尔取得如此巨大的科学成就，固然有种种客观原因，但就主观素质而言，他不受经典著作的约束，思想解放，大胆创新，第一个将普朗克和爱因斯坦的量子化概念用到了卢瑟福的原子有核模型中，成功的给出了氢原子结构的描述。 玻尔成功后，当时世界上许多科学发达国家的著名大学和研究所都对他发出邀请，并提出高薪报酬，包括他的导师卢瑟幅的邀请，但他一一婉言谢绝了，他一心致力于自己诞生的国土（丹麦）上建立一个物理研究所，1921年3月在哥本哈根大学由他倡建成立了理论物理研究所（1965年改名为尼尔斯.玻尔研究所）。 在玻尔的不懈努力下，玻尔研究所生气勃勃地发展起来了，使这个人口不到500万的国家，建成了一个当时与英国剑桥、德国哥廷根齐名的国际物理学研究中心，哥本哈根被许多著名物理学家誉为"物理学界的朝拜圣地"。 玻尔在科学探索的道路上敢于改革，富有革命性。因此，他成了原子论的奠基者和一大批量子理论家的旗手和领袖。 Aiyinsitan爱因斯坦，A.Albert Einstein (18791955) A.爱因斯坦是20世纪最伟大的自然科学家，物理学 革命的旗手。1879年 3月14日生于德国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭。一年后，随全家迁居慕尼黑。 父亲和叔父在那里合办一个为电站和照明系统生产电机、 弧光灯和电工仪表的电器工厂。在任工程师的叔父等人 的影响下,爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启蒙。1894 年,他的家迁到意大利米兰,继续在慕尼黑上中学的爱因 斯坦因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育，自 动放弃学籍和德国国籍，只身去米兰。1895年他转学到 瑞士阿劳市的州立中学；1896年进苏黎世联邦工业大学 师范系学习物理学，1900年毕业。由于他的落拓不羁的 性格和独立思考的习惯，为教授们所不满，大学一毕业 就失业，两年后才找到固定职业。1901年取得瑞士国籍。 1902年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员，从事发明专 利申请的技术鉴定工作。他利用业余时间开展科学研究， 于1905年在物理学三个不同领域中取得了历史性成就， 特别是狭义相对论的建立和光量子论的提出，推动了物 理学理论的革命。同年,以论文分子大小的新测定法 取得苏黎世大学的博士学位。1908年兼任伯尔尼大学编 外讲师，从此他才有缘进入学术机构工作。1909年离开 专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。1911年任布拉 格德语大学理论物理学教授，1912年任母校苏黎世联邦 工业大学教授。1914年，应M.普朗克和W.能斯脱的邀请， 回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直 到1933年。1920年应H.A.洛伦兹和P.埃伦菲斯特（即P. 厄任费斯脱）的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回 德国不到四个月，第一次世界大战爆发，他投入公开的 和地下的反战活动。他经过8年艰苦的探索,于1915年最 后建成了广义相对论。他所作的光线经过太阳引力场要 弯曲的预言，于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人 的日全食观测结果所证实，全世界为之轰动，爱因斯坦 和相对论在西方成了家喻户晓的名词，同时也招来了德 国和其它国家的沙文主义者、军国主义者和排犹主义者 的恶毒攻击。1933年1月纳粹攫取德国政权后,爱因斯坦 是科学界首要的迫害对象，幸而当时他在美国讲学，未 遭毒手。3月他回欧洲后避居比利时,9月9日发现有准备 行刺他的盖世太保跟踪，星夜渡海到英国，10月转到美 国普林斯顿，任新建的高级研究院教授，直至1945年退 休。1940年他取得美国国籍。1939年他获悉铀核裂变及 其链式反应的发现，在匈牙利物理学家L.西拉德推动下， 上书罗斯福总统，建议研制原子弹，以防德国占先。第 二次世界大战结束前夕，美国在日本两个城市上空投掷 原子弹，爱因斯坦对此强烈不满。战后，为开展反对核 战争的和平运动和反对美国国内法西斯危险，进行了不 懈的斗争。1955年 4月18日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿。遵照他的遗嘱，不举行任何丧礼，不筑坟墓，不立纪念碑，骨灰撒在永远对人保密的地方，为的是不使任何地方成为圣地。 质子的发现 1886年，德国的物理学家 戈德斯坦在研究阴极射线时发现了一种"奇怪的射线"，这种射线来自阳极，它和阴极射线的方向相反。如果在阴极上开个小孔，那么这种射线还会穿透出来。后来这个现象在1907年被汤姆生称为"阳极射线"，进一步研究表明：它在磁场中能发生偏转（说明它带有电荷），并且是粒子流；它的电荷和质量正好等于氢的正离子，即和氢原子核相同。1914年卢瑟福综合了实验事实后，提出了这种粒子就是氢原子核，叫做"质子"。 中子的发现 1911年，卢瑟福根据粒子散射实验的结果提出了原子核式结构模型：在原子的中心有一个很小的核，叫原子核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在原子核里，带负电的电子在核外空间绕着核旋转。 按照这个模型，人们十分关心的是：原子核的结构怎样？原子核里有什么？它和核外电子数有什么关系？ 一、"质子-电子"模型 最简单的设想是原子核是由带正电的粒子构成，但不能解释原子核释放射线的事实。1913年，居里夫人在布鲁塞尔国际科学会议上提出：原子核应由带正电的粒子和电子所构成。这个设想能够解释放射性物质既能放出粒子又能放出射线的事实。 1914年，质子的发现促使当时的物理学家接受原子核结构的"质子-电子"模型。例如，钠原子序数为11，其核内有22个质子，11个电子，核外有11个电子，从整体上来说钠原子呈中性。 二、"质子电子"模型面临挑战，中性粒子可能存在。 1924年奥地利的物理学家W泡利提出的"核自旋"的概念使"质子电子"模型受到严重的挑战。由于这种难于调和的矛盾，促使勇于探自然秘密的人们转而注意1920年卢瑟福提出的设想。卢瑟福在第二次贝克讲座中提出可能存在质量和质子相仿的中性粒子。他认为，这个中性粒子是由于库仑力的作用，使核内部的质子和电子结合而产生的。这种"可能存在的中性粒子"的想法始终活跃在他的学生们的脑海中。 三、粒子轰击铍靶的实验 1928年，德国的物理学家W玻特和他的学生H贝尔用钋粒子轰击铍靶发现了一种具有很强穿透能力的辐射，甚至几厘米厚的铅板都能穿透，并认为这种辐射是射线。 约里奥居里和他的妻子伊伦居里对玻特的实验很感兴趣，用他们的超强钋样品研究了玻特的穿透辐射，于1932年1月28日报告了一项意想不到的重大的观察结果：这种辐射能使石蜡层放出质子。 玻特的"射线"竟然打出质子，这是件多么不可思议的事！ 对射线来说，尽管它的穿透能力很强，但不可能从石蜡中打出质子的，因为，一颗弹子撞击另一个弹子，这时容易发生反冲的，但是如果一辆汽车被一颗弹子撞击它就不会有明显的移动，就质量而言，质子就相当于汽车，射线就相当于子弹。玻特的"射线"可能并不是射线。 约里奥居里夫妇离发现这中子已经不远了，遗憾的是他们错过了了现中子的机会。与诺贝尔物理奖擦肩而过。他们后来讲："如果他们读过领会1920年卢瑟福的演讲，肯定会对这个实验的意义有正确的理解。" 四、中子的发现 居里夫妇的研究结果引起了卢瑟福实验室的密切关注。卢瑟福的年轻学生，英国的物理学家J查德威克（James chaelwick 1891-1974）把约思奥居里夫妇1月18日的报告内容告诉了卢瑟福，当这位爵爷听了他们提出的解释后，显出少有的激动，并说："我不信射线能打出质子！" 查德威克认为射线是没有质量的，因而根本不可能从石蜡中打出质子。他用玻特发现的这种辐射与硼作用，发现产生了新的原子核，查德威克通过测定，发现新原子核的质量增加了，并且证实这个增加的质里几乎和质子的质量相等。这样就在可以断定：玻特发现的"辐射"实际上是质量与质子相等的粒子流。查德威克让这些粒子流能过电磁场，没有发现任何的偏转现象，说明它们是呈现电中性的。 经过艰苦的实验和探索，查德威克认为这些粒子流就是中子，并于1932年2月17日写了封信寄给自然杂志，