化学自习室移动版

首页>必修一>元素周期律与化学键>常识与故事a>

原子结构的发现过程

一、基本线索

1.道尔顿原子模型(1803年):原子是组成物质的基本的粒子,它们是坚实的、不可再分的实心球。

2.汤姆生原子模型(1904年):原子是一个平均分布着正电荷的粒子,其中镶嵌着许多电子,中和了正电荷,从而形成了中性原子。
3.卢瑟福原子模型(1911年):在原子的中心有一个带正电荷的核,它的质量几乎等于原子的全部质量,电子在它的周围沿着不同的轨道运转,就像行星环绕太阳运转一样。
4.玻尔原子模型(1913年):电子在原子核外空间的一定轨道上绕核做高速的圆周运动。

现在,科学家已能利用电子显微镜和扫描隧道显微镜拍摄表示原子图像的照片。随着现代科学技术的发展,人类对原子的认识过程还会不断深化。

二、具体过程

1.早在两千四百年前,古希腊著名的哲学家德谟克里特提出了“原子”的概念,认为自然界的一切物质都是由一些坚硬不可分的小颗粒构成,并命“小微粒”为原子。但是,由于没有科学实验依据和宗教势力的极力反对.所以在这之后的两千多年里,人们对物质的结构认识一直没有很大进展。

2.化学作为一门科学,从1661年英国化学家波义耳提出物质组成的元素说开始建立,第一次重大的突破就是1808年英国化学家道尔顿提出原子学说.合理地解释了当时的一些化学现象和规律,准确地阐明了化学变化是原子间的化合与分解.从此结束了化学的神秘性。恩格斯曾给原子论以很高的评价,他说;“化学的新时代是随着原子论开始的”,并誉称他为近代化学之父。

第二次是1869年俄国化学家门捷列夫找到了物质之间相互变化的内在联系和规律,发现了著名的化学元素周期律,从而预示新元素的发现,指导化学理论和实验等研究工作的进展。恩格斯评价说。“门捷列夫不自觉地应用黑格尔的量转化为质的规律,完成了科学上的一个勋业”.

化学键理论则是第三次大的突破。1916年德国化学家柯赛尔和美国化学家路易斯创立了经典的电价理论和共价理论.从1927年量子力学应用于化学开始.化学健理论已建立起比较完整的体系,成为化学的重要基础理论,它将揭示物质的性质和结构之间的本质联系,为研制新材料,探索新能减研究生命现象,模拟生命体内的化学变化等各方面提供充实的理论依据。美国杰出的化学家两次获得诺贝尔奖的鲍林指出:“化学键理论是化学家手中的金钥匙”.

(1)道尔顿简介

他这样评价自己:如果我比我周围的人获得更多的成就的话,那完全是由于自己不懈的努力。同时他认为:一些人比另外一些人获得更多的成就,主要是由于他们对放在他们面前的问题比起一般人能够更加专注和坚持,而不是由于他的天赋比别人高多少。这是道尔顿的切身体会,也是他成功的经验总结。

1766年9月6日,道尔顿出生在英格兰北部一个穷乡僻壤。父亲是一位兼种一点薄地的织布工人,母亲生了6个孩子,有3个因生活贫困而夭折。道尔顿6岁起在村里教会办的小学读书。在学习中,道尔顿有一种可贵的韧劲。上小学时,每当遇到较难的运算题,他总是坚持要把难题解出。为此当同学们部放学回家了,他却常常端坐在教室里,埋头解题。刚读完小学,就因家境困难而辍学。但是他酷爱读书,在农活的空隙还坚持自学。他的勤奋好学的态度得到村里一个叫鲁宾逊的亲戚的赞赏。鲁宾逊主动地利用晚上时间来教他数学和物理。到了15岁时,道尔顿他离家来到附近的肯达尔镇上,在他表兄任校长的教会学校里担任助理教师。在这所学校里,他仍然坚持一边努力工作,一边发愤读书,无论是数学、自然科学,还是哲学、文学的书籍,他都广泛涉猎。正是这种勤奋学习为他当时的教学和以后的科研奠定了坚实的基础,也正是由于他虚心地求教和不倦地自学终于使道尔顿成为一位知识渊博的学者。例如,从21岁时,道尔顿记气象日记,坚持了整整57年。直到临终的前一天,他还记下了一段气象观察。

在肯达尔镇,有个名叫约翰•豪夫的盲人学者,他2岁时患天花而失明。他凭着坚强的毅力和出众的才智,通过自学先后掌握了拉丁文、希腊文和法文,还获得了数学、天文、医学、植物、学等学科的丰富知识,成为远近闻名的学者。道尔顿从他的身上找到了学习的榜样,主动登门拜豪夫为师,跟他学习数学、哲学和拉丁文、希腊语。

1793年,道尔顿经豪夫推荐,来到了曼彻斯特,受聘于一所新学院担任数学和物理学讲师。后来他还开设了化学课程,系统地学习化学知识是从这里开始的。

曼彻斯特是英国产业革命中兴起的纺织工业中心之一,也是新兴的资产阶级和无产阶级的重要活动堡垒。一些来自中下阶层的新型科学家、企业家、商人、工程师、医生及文学家、哲学家自发地组织了以提倡科学和工艺为宗旨的民间科学团体——曼彻斯特文学与哲学学会。他们定期聚会,宣读论文,讨论自然科学、哲学、文学、民法、商业及各种工艺问题,思想很活跃。在产业革命中作出突出贡献的一些企业家、科学家、思想家都参加到这一学会中来,学会实际上成为产业革命的参谋部。道尔顿到曼彻斯特后不久,很快参加了这一学会的活动。他的研究成果大部在这个学会的例会上宣读,这个学会的刊物发表了他多达百余篇的论文,道尔顿的科研活动与该学会有着密切的联系。由于他学识渊博,待人诚恳,作风朴实,大家都很尊重他,1808年推选他为学会的副会长, 1817年任会长,直到他去世。

道尔顿在曼彻斯特发表的第一篇论文,不是气象问题,也不是物理问题,而是一篇关于色盲的研究文章。说起来,事出偶然。圣诞节时道尔顿为母亲买了一双深蓝色的袜子表示自己对老人的孝敬。当他送给母亲时,母亲却厉声责问他,为什么买一双红色袜子。依照当地宗教习俗,妇女禁忌红色。由此道尔顿才发现自己的辨色能力与众不同。对此他经过认真的调查,发现他哥哥也和他一样,具有不正常的辨色能力,另有一些人也具有这一病症。为此他撰写了论文,提出人类中存在着色盲这一病症。道尔顿的这一发现引起了社会公众的重视,所以在英国将色盲常称为道尔顿症。

学识的增加,使道尔顿感到要深入研究,解决几个科学难题,必须付出更多的时间和精力。为此,1799年他果断地辞去了学院的繁忙教职,从曼彻斯特文学和哲学会借了一间工作室,又在工作室附近租了一间简陋的民房,开始他清贫的以科研为主的新生活。据他的房东介绍说:道尔顿的生活很有规律,几乎每天都是,早餐前先去实验室升火,吃完早餐后即开始工作,一直干到午餐时才出来。吃罢午餐又继续进实验室工作,一直忙到晚上9点,晚餐后稍作休息,就进住房读书至夜半。这种生活就象时钟运转一样有规律,“午夜方眠,黎明即起”成为道尔顿勤奋治学生活的真实写照。

通过气象观测和对气体物理性质的研究,道尔顿常思考这么一个问题:为什么复合的大气,或者由两种或更多种弹性流体(气体)组成的混和物竟能在外观上构成一种均匀体?他决心解释常见的自然现象。他曾假定各种物质(气体)都是由同样大小的微粒构成。混和气体的分压定律表明一种气体的微粒能均匀地分布在另一种气体的微粒之中。气体的扩散也是类似的物理过程。由此道尔顿认为,物质的微粒结构是存在的,这些质点也许是大小了,即便采用显微镜也无法看到。这时他想起了公元前古希腊哲学家提出的原子假设,于是他选择了原子这一名词来称呼这种微粒。

那么怎样证实气体原子的存在呢?道尔顿认为,必须去测定各种原子的相对质量和不同原子合成新粒子的组成。当时化学家在气体化合物的化学反应中,为道尔顿的研究提供了一些实验数据,但是还远远满足不了他计算各种原子的相对质量的需要,为此道尔顿作了一些大胆的假设和推理。首先他从物理学的角度出发,没有行通,于是道尔顿转向了化学,他以氢原子量作为基准,利用化学家对一些物质的分析结果,换算出一批原子的相对质量,这就是世界上第一张原子相对质量表,记载在1803年9月6日道尔顿的日记中,这一天恰好是道尔顿37岁的生日,因而更富有意义。

1803年10月,在曼彻斯特文学和哲学学会的一次活动中,道尔顿第一次讲述了他的原子论。他的基本观点可归纳为三点:(1)元素是由非常微小、不可再分的微粒——原子组成,原子在一切化学变化中不可再分,并保持自己的独特性质。(2)同一元素所有原子的质量、性质都完全相同。不同元素的原子质量和性质也各不相同,原子质量是每一种元素的基本特征之一。(3)不同元素化合时,原子以简单整数比结合。

尽管道尔顿提出的原子论被后人发现存在许多错误,但是他关于原子的描述、原子量的计算是项意义深远的开创性工作,第一次把纯属臆测的原子概念变成一种具有一定质量的、可以由实验来测定的物质实体。

1804年夏天,当时在英国已颇有名气的化学家托马斯•汤姆逊拜访了道尔顿。道尔顿向他介绍了自己的原子论,汤姆逊极为饮赏,他抓紧时间,在1807年出版的他所著的《化学体系》一书中,宣传了道尔顿的原子论,从而使这一理论为其他化学家所认识。

道尔顿自己的著作《化学哲学新体系》在1808年才陆续问世。这一名著分两卷,第一卷又分上下两册。在第一卷上册中,他主要论述了物质的结构,详尽地阐明了原子论的由来和发展,包括他关于原子论的基本观点。第一卷下册于1810年出版,它的内容主要是结合化学实验的事实,运用原子理论对一些元素和化合物的组成、性质作介绍。第二卷直到1827年才出版,它重点叙述金属氧化物、硫化物以及原子结构的发现过程合金的性质,把原子论的思想作了进一步的发展。

道尔顿原子论所提出的新概念和新思想,很快成为化学家们解决实际问题的重要理论。首先用它清晰地解释了当时正被运用的定比定律、当量定律。同时这一理论使众多的化学现象得到了统一的解释。特别是原子量的引入,原子质量是化学元素基本特征的思想,引导着化学家把定量研究与定性研究结合起来,从而把化学研究提高到一个新的水平。

道尔顿的原子论在整个科学界引起了重视和推崇。1816年法国科学院选道尔顿为外国通讯院士。1822年在没有征求道尔顿本人意见的情况下,英国皇家学会增选他为会员。其后他先后被聘为柏林科学院名誉院士、莫斯科自然科学爱好者协会名誉会员、慕尼黑科学院名誉院士。对此道尔顿没有丝毫兴趣,他仍然象过去一样,将自己的热情和精力奉献给科学,继续从事原子论的研究,测定各种元素的原子量,继续过着那朴实而紧张的隐居式生活。道尔顿的清贫生活,特别是那简陋的住房和艰苦的工作条件,使慕名而来访的科学家感到意外。由于他们的大声呼吁,英国政府才在1833年关心起道尔顿的生活,决定每年给他150英镑的微薄的养老金,以供他晚年生活。

1837年4月,他刚过70岁,不幸中风,后经治疗病情有所好转,便又象往常那样继续工作。直到1844年7月26日晚,他还用发抖的手记下最后一篇气象日记。第二天清晨,他就象婴儿入唾一样静静地长眠了。享年77岁。对道尔顿的逝世,曼彻斯特市民们感到非常悲痛,当时的市政厅立即作出决定,授子这位科学家以荣誉市民的称号,将他的遗体安放在市政厅。4万多市民络绎不绝地前去致哀。8月12日公葬时,有100多辆马车送葬,数百人徒步跟随,沿街商店也都停止营业,以示悼念。一位终身未娶、没有后人也没有钱财的普通市民,在死后能获得这种非同寻常的礼遇,可见人们对道尔顿的崇敬。

(2)创立分子学说的阿佛加德罗(AmEDEO AVOGaDRO 1776一1856 )

在物理学和化学中,有一个重要的常数叫阿佛加德罗常数。Na=6.02205XL023/摩尔。它表示1摩尔的任何物质所含的分子数。还有一常见的定律叫阿佛加德罗定律。它的内容是在同一温度、同一压强下,体积相同的任何气体所含的分子数都相等,这一定律是意大利物理学家阿佛加德多于1811年提出的,在19世纪,当它没有被科学界所确认和得到科学实验的验证之前,人们通常把它称为阿佛加德罗的分子假说。假说得到科学的验证,被确认为科学的真理后,人们才称它为阿佛加德罗定律。在验证中,人们证实在温度、压强都相同的情况下,1摩尔的任何气体所占的体积都相等。例如在0℃、压强为760MMHg时,1摩尔任何气体的体积都接近于22.4升,人们由此换算出:1摩尔任何物质都含有6.02205 x L023个分子,这一常数被人们命名为阿佛加德罗常数,以纪念这位杰出的科学家。

就在英国化学家道尔顿正式发表科学原子论的第二年(1808年),法国化学家盖·吕萨克在研究各种气体在化学反应中体积变化的关系时发现,参加同一反应的各种气体,在同温同压下,其体积成简单的整数比。这就是著名的气体化合体积实验定律,常称为盖·吕萨克定律。盖吕萨克是很赞赏道尔顿的原子论的,于是将自己的化学实验结果与原子论相对照,他发现原子论认为化学反应中各种原子以简单数目相结合的观点可以由自己的实验而得到支持,于是他提出了一个新的假说:在同温同压下,相同体积的不同气体含有相同数目的原子。他自认为这一假说是对道尔顿原子论的支持和发展,并为此而高兴。

没料到,当道尔顿得知盖·吕萨克的这一假说后,立即公开表示反对。因为道尔顿在研究原子论的过程中,也曾作过这一假设后被他自己否定了。他认为不同元素的原子大小不会一样,其质量也不一样,因而相同体积的不同气体不可能含有相同数目的原子。更何况还有一体积氧气和一体积氮气化合生成两体积的一氧化氮的实验事实(O2+N2==2NO)。若按盖·吕萨克的假说,n(个氧和)2n(个氮原子生成了)2n(个氧化氮复合原子),岂不成了一个氧化氮的复合原子由半个氧原子、半个氮原子结合而成?原子不能分,半个原子是不存在的,这是当时原子论的一个基本点。为此道尔顿当然要反对盖·吕萨克的假说,他甚至指责盖·吕萨克的实验有些靠不住。

盖·吕萨克认为自己的实验是精确的,不能接受道尔顿的指责,于是双方展开了学术争论。他们俩人都是当时欧洲颇有名气的化学家,对他们之间的争论其他化学家没敢轻易表态,就连当时已很有威望的瑞典化学家贝采里乌斯也在私下表示,看不出他们争论的是与非。

就在这时意大利一位名叫阿佛加德罗的物理学教授对这场争论发生了浓厚的兴趣。他仔细地考察了盖·吕萨克和道尔顿的气体实验和他们的争执,发现了矛盾的焦点。1811年他写了一篇论文,在文中他首先声明自己的观点来源于盖·吕萨克的气体实验事实,接着他明确地提出了分子的概念,认为单质或化合物在游离状态下能独立存在的最小质点称作分子,单质分子由多个原子组成,他修正了盖·吕萨克的假说,提出:“在同温同压下,相同体积的不同气体具有相同数目的分子。”“原子”改为“分子”的一字之改,正是阿佛加德罗假说的奇妙之处。由此可见,对科学概念的理解必须一丝不苟。对此他解释说,之所以引进分子的概念是因为道尔顿的原子概念与实验事实发生了矛盾,必须用新的假说来解决这一矛盾。这就是1811年阿佛加德罗提出分子假说的主要内容和基本观点。

现在,大家都认识到分子论和原子论是个有机联系的整体,它们都是关于物质结构理论的基本内容。然而在阿佛加德罗提出分子论后的50年里,人们的认识却不是这样。原子这一概念及其理论被多数化学家所接受,并被广泛地运用来推动化学的发展,然而关于分子的假说却遭到冷遇。阿佛加德罗发表的关于分子论的第一篇论文没有引起任何反响。3年后的1814年,他又发表了第二篇论文,继续阐述他的分子假说。也在这一年,法国物理学家安培,就是那个在电磁学发展中有重要贡献的安培也独立地提出了类似的分子假说,仍然没有引起化学界的重视。已清楚地认识到自己提出的分子假说在化学发展中的重要意义的阿佛加德罗很着急,在1821年他又发表了阐述分子假说的第三篇论文,在文中他写道:“我是第一个注意到盖·吕萨克气体实验定律可以用来测定分子量的人,而且也是第一个注意到它对道尔顿的原子论具有意义的人。沿着这种途径我得出了气体结构的假说,它在相当大程度上简化了盖,吕萨克定律的应用。”在他讲述了分子假说后,他感慨地写道:“在物理学家和化学家深入地研究原子论和分子假说之后,正如我所预言,它将要成为整个化学的基础和使化学这门科学日益完善的源泉。”尽管阿佛加德罗作了再三的努力,但是还是没有如愿,直到他1856年逝世,分子假说仍然没有被大多数化学家所承认。

道尔顿的原子论发表后,测定各元素的原子量成为化学家最热门的课题。尽管采用了多种方法,但因为不承认分子的存在,化合物的原子组成难以确定,原子量的测定和数据呈现一片混乱,难以统一。于是部分化学家怀疑到原子量到底能否测定,甚至原子论能否成立。不承认分子假说,在有机化学领域中同样产生极大的混乱。分子不存在,分类工作就难于进行下去,例如醋酸竟可以写出19个不同的化学式。

无论是无机化学还是有机化学,化学家对这种混乱的局面都感到无法容忍了,强烈要求召开一次国际会议,力求通过讨论,在化学式、原子量等问题上取得统一的意见。于是1860年9月在德国卡尔斯鲁厄召开了国际化学会议。来自世界各国的140名化学家在会上争论很激烈,但役达成协议。这时意大利化学家康尼查罗散发了他所写的小册子,希望大家重视研究阿佛加德罗的学说。他回顾了50年来化学发展的历程,成功的经验,失败的教训都充分证实阿佛加德罗的分子假说是正确的,他论据充分,方法严谨,很有说服力。经过50年曲折经历的化学家此时已能冷静地研究和思考,终于承认阿佛加德罗的分子假说的确是扭转这一混乱局面的唯一钥匙。阿佛加德罗的分子论终于被确认,可惜此时他已溘然长逝了。甚至没有为后人留下一一张照片或画像。现在唯一的画像还是在他死后,按照石膏面模临摹下来的。

阿佛加德罗出生在一个世代相袭的律师家庭。按照他父亲的愿望,他攻读法律,16岁时获得了法学学上学位,20岁时又获得宗教法博士学位。此后当了3年律师。蝶蝶不休的争吵和尔虞我诈的斗争使他对律师生活感到厌倦。1800年他开始研究数学、物理、化学和哲学,并发现这才是他的兴趣所在。1799年意大利物理学家伏打发明了伏打电堆,使阿佛加德罗把兴趣集中于窥视电的本性。1803年他和他兄弟费里斯联名向都灵科学院提交了一篇关于电的论文,受到了好评,第二年就被选为都灵科学院的通讯院士。这一荣誉使他下决心全力投入科学研究。1806年,阿佛加德罗被聘为都灵科学院附属学院的教师,开始了他一边教学、一边研究的新生活。

由于阿佛加德罗的才识,1809年他被聘为维切利皇家学院的数学物理教授,并一度担任过院长。在这里他度过了卓有成绩的10年。分子假说就是在这里研究和提出的。1819年,阿佛加德罗成为都灵科学院的正式院士,不久担任了都灵大学第一个数学物理讲座的第一任教授。

自从1821年他发表的第三篇关于分子假说的论文仍然没有被重视和采纳后,他开始把主要精力转回到物理学方面。阿佛加德发表了很多著作,其中重要的著作《可度量物体物理学》,是关于分子物理学最早的一部著作。

他精通法语、英语和德语,拉丁语和希腊语的造诣也很高。他那渊博的知识来源于勤奋的学习。他博览群书,所做的摘录多达75卷,每卷至少700页。最后一卷是1854年编成的,是他逝世前两年的学习记录,可谓活到老学到老。

阿佛加德罗生前非常谦逊,对名誉和地位从不计较。他没有到过国外,也没有获得任何荣誉称号,但是在他死后却赢得了人们的崇敬,1911年,为了纪念阿佛加德罗定律提出100周年,在纪念日颁发了纪念章,出版了阿佛加德罗选集,在都灵建成了阿佛加德罗的纪念像并举行了隆重的揭幕仪式。1956年,意大利科学院召开了纪念阿佛加德罗逝世100周年纪念大会。在会上意大利总统将首次颁发的阿佛加德罗大金质奖章授予诺贝尔化学奖获得者:英国化学家邢歇伍德、美国化学家鲍林。他们一致赞颂了阿佛加德罗,指出“为人类科学发展作出突出贡献的阿佛加德罗永远为人们所崇敬”。

(3)发现电子的人----汤姆生

1879年,克鲁克斯研究气体放电管中气体的放电现象,当放电管中的气压降低到0.01MM汞柱时,在放电管中通上高压,在正对阴极的玻璃壁上就会发出荧光。实验证明,荧光是由于阴极所发射的一股射线激发玻璃壁中的原子而产生的。这股射线还能推动安放在放电管中的云母风车转动,证明这种射线是一股粒子流。这种射线在行进过程中,磁场或电场都能使它偏转方向,就证明了这股射线带电。由于这股射线是从阴极产生的,因此,科学家就把这种带电的粒子流叫做阴极射线;这种高真空的放电管则称为阴极射线管。物理学家用各种各样的说法来阐明阴极射线的本质,例如,克鲁克斯认为它是“物质的第四态”或“超气态物质”; 1897年著名的英国物理学家汤姆生则认为阴极射线是一种带负电的微粒子,并且用实验证明了电子的存在。有力地证明原子是不可再分的最小微粒的错误结论。

约瑟夫·约翰·汤姆生于1856年12月28日出生于英国曼彻斯特市附近的奇塔姆山区。他的父亲曾经靠卖报糊口,后来又在曼彻斯特市的大街上以摆书摊为生。在汤姆生三岁时,他的父亲经过奋斗,成了专印大学教科书的书商,深深地体会到没有知识的苦处,所以特地请了家庭教师指导儿子学习。后来,又把汤姆生送进了欧文学院学习。不幸得很,在汤姆生还没有取得学位时,他的父亲就去世了。家庭无力供给学费,他只能依靠一笔很少的助学金维持学业。1870年,在汤姆生二十岁的时候,他获得了剑桥大学三一学院的奖学金,进入了著名的剑桥大学。

汤姆生在剑桥大学的第一个目标就是获得数学荣誉学位,汤姆生刻苦勤奋,自强不息,终于获得了学位。

1881年汤姆生开始担任三一学院教授,继续研究数学。1884年,著名的物理学家雷利辞去了剑桥大学卡文迪许实验室实验物理学教授的职务,汤姆生接替了雷利,在该实验室工作达四十二年之久。

在卡文迪许实验室,汤姆生选择了气体放电现象作为研究课题。当时,包括汤姆生在内的大多数英国物理学家认为阴极射线是带电的粒子流,因为它在磁场中的射程变成曲线的形状。但大多数德国物理学家从阴极射线能使玻璃发出荧光这一性能提出异议,认为阴极射线是一种类似于紫外线辐射的以太扰动。

汤姆生在发现电子以后,又于1904年提出了一种原子模型,认为原子是一个平均分布着正电荷的粒子,其中镶嵌着许多电子,中和了正电荷,从而形成了中性原子。1905年汤姆生被任命为英国皇家学院教授,1906年获诺贝尔物理奖。

1912年,汤姆生利用磁场的作用测量了带正电的气体离子(称为极隧射线)的荷质比,发现在磁分离器中,相同荷质比的粒子在荧光屏上形成一束抛物线。在这些气体离子的抛物线中,除了质量为20单位的氖的抛物线外,还有一条质量为22单位的抛物线,从而发现了质量为22单位的氖的稳定同位素,这是世界上第一次发现的稳定同位素。汤姆生的学生阿斯顿将天然的氖进行扩散分离,最后得到两部分氖气,它们的相对分子质量分别为20.15和21.56,证实了氖-22的存在。

1916年汤姆生当选为英国皇家学会主席,1918年开始担任他的母校剑桥大学三—学院校长职务,1940年8月30日在剑桥逝世,享年83岁。

(4)揭开原子秘密的人---卢瑟福

1871年,卢瑟福诞生在新西兰的一个农村。他家人口很多,卢瑟福从小一边上学一边帮着家里干农活。少年时的卢瑟福是个很爱动脑筋的孩子,尤其喜欢自己动手做些小玩意。他曾经“发明”了一种可以发射“远射程炮弹”的玩具火炮,还巧妙地设计出增加炮击距离的方法。有一次,家里的大钟坏了,卢瑟福便动手把钟拆开来,他的兄弟姐妹都认为一定会受到父母的责罚,但卢瑟福竟把钟修好了,而且以后还走得很准。后来,他还自制了一架照相机,自己拍摄,自己冲洗,成了个摄影迷。24岁时,卢瑟福获得一笔奖学金,来到英国剑桥大学凯文迪许实验室进行深造。从此,他开始了在英国的科学研究生活。37岁那年,由于他对于放射性现象研究的杰出成就,他获得了诺贝尔化学奖。但他并没有满足,决心对原子进行更深入的探索。
长期以来,人们一直认为原子是物质最小的单位,是不可分割的,它的形状像个实心小球。而此时随着科学的发展,一些科学家认识到原子内部还有着更小的单位,卢瑟福的老师汤姆逊就持这一种观点。他们认为,原子的模样像西瓜,瓜瓣就像是原子内均匀分布的正电荷,而瓜子就是电子。
“原子果真像老师所说的那样吗?“卢瑟福想通过实验来探究一下自己一直思索的这个问题。他想,如果原子果真像个西瓜,那么,如果用比原子更小的粒子作“炮弹”来轰击它,就一定很容易地穿过它而笔直地前进。于是,他决定用一种叫做“A“的粒子做“炮弹”,来轰击原子,看看会发生什么情况。
然而,要做这个实验并不是一件容易的事。除了要设计一套专门仪器外,实验本身就像是用机关枪扫射几个散落在茫茫草原中的小核桃一样的困难。
在年轻的助手和几个学生帮助下,卢瑟福终于设计出了一个试验装置:一个“A”射线的放射源,就像一挺机关枪,一个金属箔作靶子,就像放核桃的草地,在它的旁边放一个硫化锌的荧光屏,屏后安装一架显微镜,来观察实验的情况。
实验开始了,发射源发射出的“A”粒子“炮弹”,以每秒2000米的速度穿过金属箔,在漆黑的实验室里,荧光屏上出现了点点闪光。
实验使卢瑟福感到惊叹,他开始了连续不停的实验和思考,像着了魔一样整日整夜地呆在实验室里。管理实验大楼的工友搞不清他是否离开过,他的妻子儿女也难得见他一面。一天清晨,卢瑟福兴冲冲地冲进了办公室,对着正在整理东西的助手,大声地说道:“我知道了,它大致可以设想为一个小的太阳系。”助手怔怔地看着他,耸了耸肩说:“什么?您是说我们在一个看不见的世界里当了普罗米修斯吗?——普罗米修斯是希腊神话中为人类送来火种的神。“是的,就像是太阳系。”卢瑟福继续解释到,“原子既不是像小实心球,也不像西瓜,它的中心有个小的、带阳电的核,而带阴电的电子在围绕着这个核飞转。这就如同:原子核是太阳,电子就像行星,绕着太阳转……
“那么,a粒子被弹回来的现象怎么解释呢?”助手问他。“这是因为原子内部大部分是空隙,所以比原子更小的粒子能很容易穿过;又因为当中有个核,a粒子碰上这个坚硬的核就会被弹了回来。
卢瑟福终于打开了原子神秘之宫的大门!他的这一崭新的原子结构理论,具有划时代的意义。从此,原子学和原子核物理学便诞生并发展起来。
1919年,卢瑟福用人为的方法第一次分裂了原子,他用a粒子轰击氮原子,使它变成了一个氧原子和一个氢原子。1926年,在他的指导下,两个年轻研究人员瓦耳顺和科克拉夫特设计出了一架巨型原子捣碎机,用这架仪器,他们把轻金属锂转变为氦。
一时间,报纸新闻把这一消息迅速传遍了全球。
科学家们清醒地预感到:世界迎来了一个新的时代——原子时代。
1933年,62岁的卢瑟福仍在不知疲倦地进行着研究工作。就在这一年,他又发现和命名了质子——氢原子核,并预言核内存在着中子。
由于他卓越的成就和影响,多种荣誉和奖赏不断向他涌来。英国皇家学会授予他最高奖章——科柏莱奖章。几十所大学和科学团体争相授予他荣誉学位和学籍。在巨大的荣誉面前,卢瑟福仍然保持着谦虚的态度,从不夸耀自己的成绩。1937年10月,卢瑟福由于长期紧张地工作,积劳成疾,在英国剑桥医院与世长辞。
为纪念这位杰出的科学家,英国皇家学会在一所实验室门前,为他雕塑了一座半身铜像。每年都有很多人来到他的墓碑前,向这位揭开原子秘密的先驱者表示深深的怀念与敬意。

(5)玻尔:诠释“哥本哈根精神”

玻尔,N.(NiELS HeNRIK DAVID BHR,1885.10.07~1962.11.18) 丹麦物理学家,哥本哈根学派的创始人。玻尔(BHR,NiELS)1885年10月7日生于丹麦首都哥本哈根,父亲是哥本哈根大学的生理学教授.从小跟着当教授的爸爸参加每周一次的家庭式学术沙龙,练出一身“反骨”。7岁上小学时,他就敢公然指出教材和教师的差错。博士毕业后去英国进修,第一次见导师,他带去了自己一篇批评导师的论文, 1903年进入哥本哈根大学学习物理,1909年获科学硕士学位,1911年获博士学位.大学二年级时研究水的表面张力问题,自制实验器材,通过实验取得了精确的数据,并在理论方面改进了物理学家瑞利的理论,研究论文获得丹麦科学院的金奖章.

玻尔27岁受聘于哥本哈根大学,31岁成为教授,32岁当选丹麦科学院院士,37岁获诺贝尔物理学奖后,他将自己那种“自由思考和讨论,高度的智力活动,快乐而大胆的科学涉险精神”转化为著名的“哥本哈根精神”。1921年,他婉拒了卢瑟福“在曼彻斯特建立现代物理研究中心”的高薪邀请,创建了哥本哈根大学理论物理学研究所,并领导这一世界性的科学中心40年,因为他“立志帮助自己的国家发展自己的物理学研究”。在玻尔周围团结了一大批性格鲜明、才华横溢的青年学者,而他们中的很多人后来都获得了诺贝尔奖。在丹麦这个小国形成的哥本哈根学派,很快成为全世界量子力学的学术中坚和物理学界的朝拜对象。

玻尔自称“从来不怕在别人面前显露我的愚蠢”。玻尔的声望达到这样的程度:他与爱因斯坦齐名。给玻尔写信或拜访他不需要地址,到了哥本哈根,邮差或司机自然知道他的住处。他1922年应邀赴德国讲学的活动甚至能形成“玻尔节”。而就在那次“玻尔节”中,20岁的大学生海森堡对玻尔的学说提出了强烈的质疑,玻尔在约他散步并深入长谈后坦陈了自己的疏漏,并邀他前往哥本哈根作研究。海森堡后来回忆说:“我真正的科学生涯是从那次散步开始的。”而玻尔却得意地说,他去德国讲学的最大收获是海森堡和泡利。没有权威的“尊严”,没有论资排辈,没有欺瞒压制,尤其是没有思想钳制,只有自由的思想和真理。

并先后于1909年和1911年分别以关于金属电子论的论文获得哥本哈根大学的科学硕士和哲学博士学位。随后去英国学习,先在剑桥J.J.汤姆孙主持的卡文迪什实验室,几个月后转赴曼彻斯特,参加了以E.卢瑟福为首的科学集体,从此和卢瑟福建立了长期的密切关系。

1913年玻尔任曼彻斯特大学物理学助教,1916年任哥本哈根大学物理学教授,1917年当选为丹麦皇家科学院院士。1920年创建哥本哈根理论物理研究所,任所长。玻尔领导这一研究所先后达40年之久。这一研究所培养了大量的杰出物理学家,在量子力学的兴起时期曾经成为全世界最重要、最活跃的学术中心,而且至今仍有很高的国际地位。1922年玻尔荣获诺贝尔物理学奖。1923年接受英国曼彻斯特大学和剑桥大学名誉博士学位。1937年5、6月间,玻尔曾经到过我国访问和讲学。1939年任丹麦皇家科学院院长。第二次世界大战开始,丹麦被德国法西斯占领。1943年玻尔为躲避纳粹的迫害,逃往瑞典。1944年玻尔在美国参加了和原子弹有关的理论研究。1947年丹麦政府为了表彰玻尔的功绩,封他为“骑象勋爵”。1952年玻尔倡议建立欧洲原子核研究中心(CeRn),并且自任主席。1955年他参加创建北欧理论原子物理学研究所,担任管委会主任。同年丹麦成立原子能委员会,玻尔被任命为主席。

玻尔从1905年开始他的科学生涯,一生从事科学研究,整整达57年之久。他对原子科学的贡献在20世纪上半叶是与爱因斯坦并驾齐驱的、最伟大的物理学家之一。 

作为卢瑟福的学生,玻尔除了研究原子物理学和有关量子力学的哲学问题以外,对原子核问题也是一直很关心的。从20世纪30年代开始,他的研究所花在原子核物理学方面的力量更大了。

当L.迈特纳和O.R.弗里施根据O.哈恩等人的实验提出了重核裂变的想法时,玻尔等人立即理解了这种想法并对裂变过程进行了更详细的研究,玻尔并且预言了由慢中子引起裂变的是铀-235而不是铀-238。他和J.A.惠勒于1939年在《物理评论》上发表的论文,被认为是这一期间核物理学方面的重要成就。众所周知,这方面的研究导致了核能的大规模释放。

玻尔是量子力学中著名的哥本哈根学派的领袖,他以自己的崇高威望在他周围吸引了国内外一大批杰出的物理学家,创建了哥本哈根学派。他们不仅创建了量子力学的基础理论,并给予合理的解释,使量子力学得到许多新应用,如原子辐射、化学键、晶体结构、金属态等。更难能可贵的是,玻尔与他的同事在创建与发展科学的同时,还创造了“哥本哈根精神”——这是一种独特的、浓厚的、平等自由地讨论和相互紧密地合作的学术气氛。直到今天,很多人还说“哥本哈根精神”在国际物理学界是独一无二的。曾经有人问玻尔:“你是怎么把那么多有才华的青年人团结在身边的?”他回答说:“因为我不怕在年青人面前承认自己知识的不足,不怕承认自己是傻瓜。”

爱因斯坦与玻尔围绕关于量子力学理论基础的解释问题,开展了长期而剧烈的争论,但他们始终是一对相互尊敬的好朋友。玻尔高度评价这种争论,认为它是自己“许多新思想产生的源泉”,而爱因斯坦则高度称赞玻尔:

“作为一位科学思想家,玻尔所以有这么惊人的吸引力,在于他具有大胆和谨慎这两种品质的难得融合;很少有谁对隐秘的事物具有这一种直觉的理解力,同时又兼有这样强有力的批判能力。他不但具有关于细节的全部知识,而且还始终坚定地注视着基本原理。他无疑是我们时代科学领域中最伟大的发现者之一。”

玻尔和爱因斯坦是在1920年相识的。那一年,年轻的玻尔第一次到柏林讲学,和爱因斯坦结下了长达35年的友谊。但也就是在他们初次见面之后,两人即在认识上发生分歧,随之展开了终身论战。他们只要见面,就会唇枪舌剑,辩论不已。1946年,玻尔为纪念爱因斯坦70寿辰文集撰写文章。当文集出版时,爱因斯坦则在文集末尾撰写了长篇《答词》,尖锐反驳玻尔等人的观点。他们的论战长达30年之久,直至爱因斯坦去世。但是,长期论战丝毫不影响他们深厚的情谊,他们一直互相关心,互相尊重。爱因斯坦本来早该获得诺贝尔奖,但由于当时有不少人对相对论持有偏见,直到1922年秋才回避相对论的争论,授予他上年度诺贝尔物理奖,并决定把本年度的诺贝尔物理奖授予玻尔。这两项决定破例同时发表。爱因斯坦当时正赴日本,在途经上海时接到了授奖通知。而玻尔对爱因斯坦长期未能获得诺贝尔奖深感不安,怕自己在爱因斯坦之前获奖。因此,当玻尔得知这一消息后非常高兴。立即写信给旅途中的爱因斯坦。玻尔非常谦虚,他在信中表示,自己之所以能取得一些成绩,是因为爱因斯坦作出了奠基性的贡献。因此,爱因斯坦能在他之前获得诺贝尔奖,他觉得这是“莫大的幸福”。爱因斯坦在接到玻尔的信后,当即回了信。信中说:“我在日本启程之前不久收到了您热情的来信。我可以毫不夸张地说,它象诺贝尔奖一样,使我感到快乐。您担心在我之前获得这项奖金。您的这种担心我觉得特别可爱——它显示了玻尔的本色。”

玻尔的一生得到过很多荣誉,除诺贝尔物理奖外,还获得过英国、挪威、意大利、美国、德国、丹麦给予科学家的最高奖赏。得到各种学术头衔、名誉学位,会员资格比任何一位同时代的科学家都多。他热爱祖国,以他的决心和胆识,谢绝各种外来的高薪聘请,在一个人口不到五百万的丹麦国建立起物理学的国际中心,把哥本哈根建成了物理学家“朝拜的圣地”。他的一生就是不断地进取和创造。为后来人树立了光辉的榜样。

由于对卢瑟福的仰慕,于1912年3月到曼彻斯特大学在卢瑟福领导下工作了4个月,当时正值卢瑟福提出了他的原子核式模型.人们把原子设想成与太阳系相似的微观体系,但是在解释原子的力学稳定性和电磁稳定性上却遇到了矛盾.这时玻尔开始酝酿自己的原子结构理论.

1921年,玻尔发表了“各元素的原子结构及其物理性质和化学性质”的长篇演讲,阐述了光谱和原子结构理论的新发展,诠释了元素周期表的形成,对周期表中从氢开始的各种元素的原子结构作了说明,同时对周期表上的第72号元素的性质作了预言.1922年,发现了这种元素铪,证实了玻尔预言的正确.1922年玻尔获诺贝尔物理学奖.

30年代中期,开始出现了许多由中子诱发的原子结构的发现过程核反应,迫切需要一种合用的核模型,玻尔提出了原子核的液滴模型,对一些类型的核反应作出了说明,相当好地解释了重核的裂变.

1943年,玻尔从德军占领下的丹麦逃到美国,参加了研制原子弹的工作,但对原子弹即将带来的国际问题深为焦虑.1945年二次大战结束后,玻尔很快回到了丹麦继续主持研究所的工作,并大力促进核能的和平利用. 1962年11月18日,玻尔因心脏病突发在丹麦的卡尔斯堡寓所逝世,享年75岁。

(责任编辑:化学自习室)
说点什么吧
  • 全部评论(0
    还没有评论,快来抢沙发吧!