質子、中子和電子是怎麼被發現的?

釘頭七箭書一量子詛咒

答:三個都是英國的科學家發現的,他們是分別是:盧瑟福、查德威克和湯姆森,在1918年、1932年和1897年發現。




一、電子

電子是最先被發現的基本粒子,由英國科學家約瑟夫·約翰·湯姆森在1897年發現,並因此獲得1906年諾貝爾物理學獎。

J·J·湯姆森在研究陰極射線實驗時,採用了與之前其他人實驗完全不同的方式,之前別人都是觀察陰極射線在磁場中的偏轉。




而他採用強電場,去研究陰極射線在電場中的偏轉,從而第一個發現了電偏轉現象,然後他根據陰極射線偏轉角和電場的強度,計算了電子的質荷比,成為第一個發現電子的人。

有趣的是:J·J·湯姆森證明“電子是粒子”,獲得1906年的諾貝爾物理學獎;而他的兒子G·P·湯姆森證明了“電子是波”,獲得了1937年的諾貝爾物理學獎。


二、質子

英國物理學家盧瑟福,是質子的第一發現者。在1918年,盧瑟福用α粒子,去轟擊氮原子時,記錄到了“氫核”逸出的現象。

於是盧瑟福意識到,氮原子中,有可能含有“氫核”,然後把這個粒子命名為質子(proton),同時預言了中子的存在。



盧瑟福並沒有因此獲得物理學諾貝爾獎,但是他在1908年,獲得過諾貝爾化學獎。

盧瑟福的偉大不僅在科學研究上,盧瑟福還是一位非常偉大的教育家,在他門下獲得諾貝爾獎的學生和助手就有近十個。

比如:著名的量子力學創始人波爾、中子的發現者查德威克、電子波動性的證明者G·P·湯姆森、正電子的發現者布萊克特等等。



現在我們知道,原子核一般由中子和質子構成,所以不得不佩服那一代科學家的遠見。


三、中子

中子因為不帶電,所以實驗發現比較晚,前面我們說到盧瑟福預言了中子的存在,然後過了十多年,到1932年,中子才被查德威克。

中子和質子一樣,都由三個夸克組成,但是中子內的上下夸克相互抵消,所以不顯電性。



中子的發現具有傳奇性,早在1930年,德國科學家發現α粒子轟擊鈹時,會有一種穿透力極強的射線逸出,經過研究,他們認為這是高能γ射線,從而錯失中子的發現。



然後在1932年,偉大的法國科學家居里夫人,利用更高精度的實驗設備,也進行了類似的實驗,並精確計算了射線能量,但是居里夫婦錯誤地認為這是質子和光子的康普頓效應,並發表了錯誤的論文,從而錯失諾貝爾獎,不然居里夫人很有可能再獲得一次諾貝爾獎。


同年,居里夫人的論文傳到英國,英國科學家查德威克和他的老師盧瑟福,都得知了這一結果,盧瑟福在十年前就預言了中子的存在,一直找不到驗證實驗。

看到居里夫人的數據後,意識到居里夫人的實驗中,那麼高能量的射線不可能光子碰撞的結果,極有可能就是他預言的中子。



於是查德威克進行了一樣的實驗,以中子假設為模型,解釋了α粒子轟擊實驗中的因果,並得到他老師預言的中子,成為第一個實驗驗證中子的人,因此獲得1935年諾貝爾物理學獎。



艾伯史密斯

先來說說質子的發現,質子是一種帶有1.6e–19次方庫侖的正電荷,質量是電子的1836倍,且由兩個上夸克和一個下夸克組成;英國物理學家盧瑟福是質子的發現人,1918年,在卡文迪許實驗室工作的盧瑟福,用α粒子轟擊氮原子時會產生氫核,如圖所示,在容器C中裝入放射性物質A,從A中就會引出α粒子(氦核),然後放入鋁箔F,並且將容器抽成真空後,調節鋁箔紙的厚度,使阿爾法粒子打到鋁箔上但不穿過;


1:在F後方一塊熒光屏S,用顯微鏡觀察熒光屏上的閃光,盧瑟福發現當在容器中注入氮氣後,通過顯微鏡可以觀察到閃光,而換成其他氣體則觀察不到閃光;這就說明閃光是在氦核擊中氮核後產生的新粒子引起的,盧瑟福把這種物質因素電場和磁場後,測定了這種新物質的質量和電量,發現其質量就是氫離子的質量,於是盧瑟福用實驗發現了質子的存在。

2:而中子則是盧瑟福的學生查德威克發現的,在中子發現之前的前五年,玻特和貝克在用α粒子轟擊玻原子時,就發現了一種穿透力很強的射線,但是他們以為是伽馬射線,因此沒有重視。而查德威克就用釙加鈹作為放射源,然後用這種射線去轟擊氫原子,發現氫原子核會被彈出去,由於組成這種射線的物質不帶電,因此無法在磁場中測定質量,但是可以計算被撞原子核的速度,然後利用動量守恆計算出這種物質的質量,盧瑟福發現這種物質的質量和質子差不多,於是就稱這種粒子為中子。

最後電子的發現則是比較簡單的,電子是約瑟夫湯姆孫在1881年發現的,湯姆孫在觀察陰極射線在磁場中的偏轉時,同時測定了陰極射線粒子和氫離子的比荷(即粒子的電荷與質量之比),他發現陰極射線粒子的比荷要比氫離子的比荷大很多,這就說明陰極射線粒子的質量是非常小的,湯姆孫將這種粒子命名為電子,這就是電子的發現。


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