基本粒子7｜如何知道α粒子就是氦核？放射性的发现和研究

前面的文章我们已经说完了电子的发现过程，电子电荷值的测量，然后我们还根据电子的电荷值，算出了原子的质量，以及体积的大小。

当然，电子的发现，以及跟电子有关的所有的测量都告诉了我们，物质确实是由原子构成的，而且原子不是构成物质的最小单元，在其中还有一个带负电的粒子，就是电子，这是组成所有元素原子的基本材料。

因此电子发现以后，基本上就没有人在怀疑原子的真实性了。但接下来的问题又来了，既然原子存在，而且还有内部结构，那你就要说清楚原子的结构是怎样的？

关于原子的结构，其实主要就是要说清楚三件事，它的质量是如何分布的？它的正电荷是如何分布的？质量和正电荷之间有什么关联？

那为什么要解释这三个问题？因为在汤姆逊测量出了电子的质荷比以后，我i们就推断出了氢原子质量和电子质量的比值，大约是2000倍。

这个推算的过程很简单，上节课我们就说了在法拉第时代就算出了氢原子和单位电荷的比值是10^-8千克/库仑，现在汤姆逊测出了电子质荷比，所以就能算出氢原子和电子的比值了。

你看，一个相对原子质量最小的氢原子都比电子重了2000倍，我们还知道电子是原子中的一个基本材料，所以就要解释其他的大部分质量是如何分布的？

还有我们知道电子带负电，而原子不带电，这就说明在原子中除了带负电的电子以外，还要有带正电的东西才能保证物质的电中性，那这个带正电的东西是啥？它又是如何分布的？它跟原子的主要质量有啥关系？

这就是当时人们所面临的问题，而解决这些问题的人叫欧内斯特·卢瑟福，1871年出生在新西兰，他是人类历史上最伟大的实验物理学家，在1895年到1898年这三年间在卡文迪许实验室跟过汤姆逊，接触并研究了X射线和元素的放射性，这是当时实验物理学最前沿，最时髦的研究方向。

1898年的后半年就去了加拿大的麦克吉尔大学开始了独立的工作，在这个地方待了9年的时间，研究的工作重点也是放射性，在这其间发现了元素的善变，以及半衰期，那卢瑟福也凭借这个成就，获得了1908年的诺贝尔化学奖。

1906年他就去了曼彻斯特大学工作，在这个地方，卢瑟福开创了核物理，粒子物理研究的一般方法，用阿尔法粒子作为探针，轰击金箔，就了解了原子的内部结构，提出了广为人知的行星原子模型。

1919年卢瑟福接替了老师汤姆逊的工作，成为了卡文迪许实验室第四任掌门人。那在他的带领下，就做出了人类历史上第一台加速器，他的学生查德威克发现了中子，他的学生考克罗夫特和瓦尔顿利用中子轰击重核，诱发重核裂变，开启了核物理时代。

所以说，卢瑟福的成就已经不是用诺贝尔奖能够衡量的，其实他也把当时能获得的所有奖项，荣誉都获得了一遍，但这不是最关键的，再关键的是，他有一个称号叫：诺贝尔幼儿园园长。因为在他的学生中，有11个人获得了诺奖，估计这很难再被其他人超越了。

既然我们到了卢瑟福，那就把和他有关的重要发现都说一下，这就包括了人类对放射性的发现，以及研究，还有原子核的发现和原子核大小的测量，以及原子序数的发现，核电荷数的测量，这些问题。

说句实在话，这其实有点跑题了，我们的题目叫基本粒子，或者是粒子物理，这些其实都是核物理的范畴，我就不管了，反正都是科普，说啥都一样。

我们就从放射性元素的发现开始，还记得最开始的时候我们说的阴极射线管吧，汤姆逊就是通过它发现电子的，还有阴极射线管末端的绿色辉光也非常的神秘，所以在当时阴极射线管是每一个实验物理学家的必备玩具。

在当时德国维尔茨堡大学的实验室里也有这么个东西，他的主人叫伦琴，在1895年某一天，伦琴就发现在他做阴极射线实验的时候，距离阴极射线管很远的荧光屏上也出了闪光，伦琴通过纸片、木板、薄金属板遮挡以后闪光依旧存在，这说明这种新出现的射线比阴极射线的穿透能力要强的多，由于不知道这是啥，就取名叫X射线。

现在我们知道这时阴极射线，也就是电子撞击了阳极上的金属原子，把其中基态的电子敲了出来，上层电子在跃迁的时候，就释放出了高能电磁波，就是X射线。

但当时的人们并不知道这是咋回事，所以伦琴就在年底发表了一篇论文《关于一种新射线》，论文一经发表立刻在全球就引起了巨大的轰动，轰动的并不是这篇论文，而是伦琴媳妇手部的X射线照片。可以说这张照片是人类从蛮荒时代以来，看到过的最惊奇的景象，非常不可思议，完全跟魔法一样神奇。

当然这件事也很快就传到了法国，法国人亨利·贝克勒尔，他家祖上是研究荧光物质的，还记得小时候的荧光表盘和荧光镯子吧，这东西在太阳底下一晒，在黑暗的环境下就能发出幽幽的绿光，当然在贝克勒尔家里还有一种荧光物质，叫亚硫酸铀钾，是一种含铀元素的荧光物质，这东西，不需要太阳照，也可能发光，但是太阳照了以后发光更强。

总之都跟太阳有关，所以贝克勒尔就想，太阳光是不是也可以让这些晶体发出跟X射线一样，具有穿透性的射线。

最后的研究结果是，只要是含有铀元素的物质，不管是不是荧光物质，也不管有没有太阳照射，都可以发出看不见的、穿透能力很强的射线。因为这些铀盐可以穿透层层包裹，使照相底片曝光。

最后贝克勒尔就得出这样的结论，铀元素可以释放出未知射线，具有穿透能力，这种射线被称为铀射线。

那随后在法国关于放射性的研究主要就是居里夫人和他的丈夫了，他俩发现了镭和钋两种元素，并且给元素的这种现象取名叫放射性。

现在我们将目光放回到英国的剑桥，卢瑟福和老师汤姆逊正在研究X射线通过气体后的电离效应，他们就听说了在法国又发现了一种新射线叫铀射线。

它们对铀射线也采用了同样的研究方法，看它经过气体以后，测量对气体导电率的影响，最后得出结论，X射线跟铀射线一样，都可以电离气体。

而且卢瑟福还通过研究铀射线的穿透性发现，铀射线其实有两种，一种叫α射线，他的穿透能力很弱，一张纸都可以挡住大部分的α射线。一种穿透能力跟X射线差不多，叫β射线。通过以上的研究，卢瑟福就顺利毕业，获得了加拿大麦克吉尔大学的教授职位。在去加拿大的时候，卢瑟福还顺便带了很多的铀盐和钍盐。

那接下来的问题是，α射线和β射线到底是啥东西，这需要搞清楚，其实这两个问题都不难，在1899年的时候，贝克勒尔就发现β射线可以被磁场偏转，并且利用汤姆逊的方法测量了β射线的质荷比，发现和电子的很接近，到了1907年考夫曼精确的测量了这个值，确认了β射线就是电子，不过它的速度要比阴极射线的快了很多。

确认α射线就稍微困难了一点，1903年卢瑟福在麦克吉尔大学也利用汤姆逊的方法对α射线进行了研究，发现这东西的质荷比，是氢离子质荷比的两倍，前面的文章说了，氢离子的质荷比可以通过电解实验测量出来。

这个结果就有两种可能，α粒子的电荷跟氢离子的电荷一样，但是相对原子质量是氢原子的2倍，也就是2。

但是没有相对原子质量是2的东西，在元素周期表中，氢的相对原子质量是1，下来就是相对原子质量为4的氦。

所以就剩下第二种可能了，α粒子的质量是氢离子的4倍，电荷是氢离子的2倍，这就可以解释实验结果了，那么得出来的结论就是，α粒子就是氦离子，也就是我们今天说的氦原子核。

不过可以看出，上面的推论其实猜测的成分很大，并不能严格地说明阿尔法粒子就是氦核，卢瑟福当时之所以这样认为，还有另一个证据。

1895年化学家拉塞姆在铀矿里面发现了“来自太阳的元素”，就是氦元素，之所以说它来自于太阳，是因为氦最早是从太阳的光谱里面看到的，地球上以前没有发现过这种元素。

现在我们发现这种元素可以从铀矿中产生，而且在1903年这个现象已经得到了确认，所以汤姆逊就认为氦跟放射性有关，所以他相信α粒子就是氦核。

不过卢瑟福这人比较严谨，任何的猜测都要经过实验验证，所以在1907年卢瑟福就收集了足够的α粒子，并且观察了它们的光谱，和太阳上发现的一致，至此α粒子就是氦离子才得到了完美的证实。

其实还有第三种射线，叫γ射线，这个名字也是卢瑟福在1903年给起的，他的穿透能力最强，而且不能被电磁偏转，所以随便一猜都能知道这东西跟X射线一样，是波长极短的电磁波，1914年卢瑟福才证实的他的想法，通过晶体散射γ射线测出来它的波长。

现在我们了解了放射性的三种途径，α射线、β射线和γ射线，其实γ射线在放射性中不怎么重要，因为它是放射性元素的原子核在经历了衰变以后，有时会处在激发态，这种激发态也跟电子一样要落回到基态，这时就会释放出γ射线。

好，那接下来摆在卢瑟福面前的问题就是，为什么这些元素会释放出这些射线呢？这就是卢瑟福关于元素善变现象的发现，这时候卢瑟福已经来到了麦克吉尔大学，在这里他有一个来自英国的搭档，他叫索迪，就是提出同位素概念的那个人。是他俩一起发现了元素的善变。

一开始卢瑟福就注意到钍元素的放射性具有涨落，也就是波动，尤其是放在通风的地方，钍元素的放射性强度一会高，一会低很不稳定。

所以它就把钍元素周围的空气收集到一个瓶子里面，居然发现这些气体也具有放射性，很明显钍元素的周围产生了一种气体，它的放射性是钍放射性强度的一部分。

卢瑟福将这种气体叫钍射气，随后在镭元素的附近也发现了类似的气体，就叫镭射气。到了1903年，卢瑟福和索迪就发现，钍元素包括钍射气在内的总放射性强度的54%都来自于一种叫钍X的物质。

他们的实验过程是这样的，在硝酸钍的溶液中加入氨，就可以让钍离子变成氢氧化钍沉淀下来，而其他的元素会继续留在溶液当中，这样钍就被分离出来了。

那么经过分离以后的钍的沉淀物，放射性就小了很多，而且产生的钍射气也变少了，这就说明有另外一种放射性元素被留在溶液当中，我们称他为钍X，是它提供了主要的放射性强度。

神奇的是，这些钍的沉淀物在静止了3周以后，又恢复了它原来的反射性强度，也产生了同样丰度的钍X和钍射气。

所以卢瑟福和索迪得出结论，钍在发出放射性的时候，会产生钍X，钍X又会产生钍射气。索迪是比较有名的化学家，鉴定元素对他来说并不难，所以他们很快就确认了钍射气，包括镭射气其实就是拉塞姆发现的惰性气体中的那一列，是氡气，是氡的两种不同的同位素。

钍X是镭元素的一种同位素是镭224，所以说是钍先变成了镭，然后变成了氡气。氡气随风飘摇，随意放射性强度忽高忽低。

在1903年的时候卢瑟福和索迪就把以上发现写成了两篇论文，论文中最重要的结论就是，放射性其实就是一种元素变成另外一种元素，他们的转变是通过释放α粒子和β粒子实现的。

这个结论在当时也非常具有轰动性，因为元素不可变是化学公理，而卢瑟福所说的善变，在当时很难被人接受，就像是我现在走在大街上告诉你，我可以把你手机，变成纯金的，你相信不。

除了元素的善变，卢瑟福还发现了放射性元素的半衰期，也就是放射性物质，其放射性强度下降一半所需要的时间，也可以表述为，在某一时间段内，某个放射性原子具有50%的衰变概率，这段时间就是这个放射性元素的半衰期。

我们现在知道钍的半衰期将近140亿年，所以很难看到一块钍的放射性发生衰减，但是氡和镭的半衰期很短，所以在剔除这两种元素以后，钍样品的放射性就衰减了很多。

等过一段时间以后，钍元素衰变就会产生镭，然后生成氡，放射性强度又会恢复到以前的水平。

好了，那关于放射性就说到这里，下节课，卢瑟福就回到了曼彻斯特，我们在说他关于原子核研究。