原子核的核电荷数如何测量出来的?

上节课我们就说完了原子核的发现过程,卢瑟福也因此建立了一个行星原子模型,这个模型只是初步的给人们描述了一个原子的图像,就像是八大行星绕着太阳旋转一样。

不过在这个模型中还存在很多的问题,还有困难,比如原子核的核电荷数是多少?原子核的组成成分是啥?原子的稳定问题以及核外电子的排布问题?

通过解决以上的问题,物理学就出现了两个大的分支,研究原子核及其组成分成的就叫核物理,以及后来又衍生出的粒子物理,研究原子稳定性的问题,以及核外电子排布的,就是旧量子论。

旧量子论的主要内容就是玻尔的量化原子模型,这些内容在我之前的量子力学中已经讲过了,那今天我们要说的核电荷数的测量,其实严格来说又跑题了,因为在之前的量子力学中我已经说了一遍了。

不过,我觉得在今天的这个系列中还是有必要要再说一下,因为这是卢瑟福发现原子核遗留下来的问题,好,那闲话就不多说了,开始今天的正题。

卢瑟福在发表了自己的原子模型以后,有一次在剑桥大学卡文迪许实验室的晚宴中就遇见了尼尔斯·玻尔,玻尔这个时候还是学生,他专门从丹麦来英国的剑桥找自己的偶像汤姆逊。

但两个人的见面并不愉快,正好这时玻尔遇见了卢瑟福,两人就聊得挺投缘的,所以在玻尔的心里就萌生了一个想法。那到了1912年,玻尔就离开剑桥,去曼彻斯特投奔了卢瑟福。

在卢瑟福这里玻尔就学到了最新、最前沿的原子物理,也抓住了一个重要的研究题目,卢瑟福原子模型的稳定性问题。

在1913年玻尔就发表了三篇论文,通过量化电子轨道角动量,也就是量化了电子在核外所能占据的轨道大小,就解释了原子稳定性的问题。

同时也解释了原子光谱的来历,就是核外的电子在不同能级之间的跃迁形成,为了验证自己的想法, 玻尔就推导出了一个公式,通过这个公式我们就能知道,电子从第一激发态跃迁回基态的时候,所释放的电磁波的波长,正比于核电荷数。

因此我们只需要测量电磁波的波长,就能算出核电荷数了。这个测量的工作是由卢瑟福团队的亨利·莫斯莱完成的,玻尔他不是实验物理学家,自己做不了实验,在论文发表以后,同年的7月份玻尔就专门去找了莫斯莱,让莫斯莱赶紧测,因为当时反对他的原子模型的人挺多了,主要是玻尔解释不了为什么电子在核外只能占据特定的能级?所以当务之急就是用实验证明他的理论没有问题,那至于为什么,以后再慢慢解释也来得及。

亨利·莫斯莱就觉得这个题目还不错,而且他当时正在实验室学习如何利用晶体替代衍射光栅测量X射线的波长,因为X射线经过晶体以后会发生偏转,这偏转的程度就跟X射线的波长有关。

那亨利·莫斯莱的实验是这样的,他选用了一些中等相对质量的原子进行测量,因为这些原子核电荷数不高也不低,可以释放出波长比较合适的X射线。

那根据玻尔的理论,只要我们用大量的能量足够的电子去轰击金属原子,总有可能会发生这些金属原子基态电子会被撞出来的可能,那基态没有了电子,第一激发态的电子就要往回跃迁,然后释放出一个X射线光子,携带两个能级之间的能量差。

通过测量释放出来的X射线波长,然后根据玻尔给出的公式就能算出每种元素原子的核电荷数了。

那经过莫斯莱两个月的辛苦工作,测量的结果就在同年9月份发表了出了,这个实验不仅验证了玻尔的量化原子模型,还顺带测量出了原子核的电荷数,提出了原子序数的概念,理清了元素周期表中元素的排列问题。

同时莫斯莱还预言了四种没有被发现的元素,分别是42、43、72、75,那后来这些元素都被发现了,可惜莫斯莱却在1915年死在了一战的战场,不然的话,他的实验足以让他获得诺贝尔奖。

现在我们看到的就是当时亨利·莫斯莱测量出来的原子核的电荷数,可以看出,从钙到锌,核电荷数基本上就是电子电荷的整数倍,那多出来的一点点可以解释为实验的误差。

整数倍正好就说明了,原子核所携带的电荷正好抵消了电子的电荷,物质才表现出了电中性,这一点跟人们之前的猜测是完全一样。

不过神奇的是,每一个元素到相邻的下一个元素,不管他的相对原子质量增加了多少,他的核电荷数就只增加一个单位,所以莫斯莱就发现,元素原子的核电荷数正好就等于它在元素周期表中的位置序数。

这就是原子序数的概念,这对我们理解元素周期来说至关重要,有了原子序数的概念,我们就知道元素的化学性质是由核电荷数来决定了,而且核电荷数也决定了核外电子的数目。

由于以前人们并不知道元素原子的排列顺序是跟核电荷数相关的,而是根据元素的相对原子质量排列的。

所以在这之前,人们发现了同位素以后,这些同位素和已知元素的化学性质相同,但是相对原子质量却不同,当时就把元素周期表搞的混乱不堪。

那莫斯莱发现了原子序数之后,就可以理清这个问题了,同位素的核电荷数一样,核外电子数也一样,所以化学性质相同,区别就是相对原子质量不同,以后我们在描述元素的时候,只要说清它的相对原子质量就可以区分这些同位素了。

所以说莫斯莱的发现,获诺奖是完全没有问题的,他的老师卢瑟福就非常惋惜地说,是莫斯莱逐一点了元素的名,揭示了元素周期表最后的秘密。

莫斯莱的发现还解释了1911年索迪提出的元素位移定律,说的是,当一个放射性原子释放一个α粒子以后,这个原子就会在按相对原子质量排列的周期表中下降两个位置;

当一个放射性原子释放出一个β粒子的时候,它就会在按相对原子质量排列的周期表中上升一个位置。

这就是放射性元素的位移定律,但当时并不能清楚地解释这个问题,那莫斯莱发现的原子序数和核电荷数之间的关系,就可以简单的说清这个问题了。

α粒子带两个核电荷,原子失去一个α粒子就是失去了两个核电荷,所以它就会下降两个位置,那β粒子带一个负电荷,原子失去一个β粒子,肯定就会多出一个正电荷,所以元素就会向上移一个位置了。

从以上的描述中就可以看出,在1913年的时候,人们已经确认了这样一个事实,放射性衰变产生的α粒子和β粒子是核现象,这对以后人们理解原子核的组成至关重要。

好了,今天的内容就到这里,下节课我们说中子的发现。