质子、中子和电子是怎么被发现的?

钉头七箭书一量子诅咒

答:三个都是英国的科学家发现的,他们是分别是:卢瑟福、查德威克和汤姆森,在1918年、1932年和1897年发现。




一、电子

电子是最先被发现的基本粒子,由英国科学家约瑟夫·约翰·汤姆森在1897年发现,并因此获得1906年诺贝尔物理学奖。

J·J·汤姆森在研究阴极射线实验时,采用了与之前其他人实验完全不同的方式,之前别人都是观察阴极射线在磁场中的偏转。




而他采用强电场,去研究阴极射线在电场中的偏转,从而第一个发现了电偏转现象,然后他根据阴极射线偏转角和电场的强度,计算了电子的质荷比,成为第一个发现电子的人。

有趣的是:J·J·汤姆森证明“电子是粒子”,获得1906年的诺贝尔物理学奖;而他的儿子G·P·汤姆森证明了“电子是波”,获得了1937年的诺贝尔物理学奖。


二、质子

英国物理学家卢瑟福,是质子的第一发现者。在1918年,卢瑟福用α粒子,去轰击氮原子时,记录到了“氢核”逸出的现象。

于是卢瑟福意识到,氮原子中,有可能含有“氢核”,然后把这个粒子命名为质子(proton),同时预言了中子的存在。



卢瑟福并没有因此获得物理学诺贝尔奖,但是他在1908年,获得过诺贝尔化学奖。

卢瑟福的伟大不仅在科学研究上,卢瑟福还是一位非常伟大的教育家,在他门下获得诺贝尔奖的学生和助手就有近十个。

比如:著名的量子力学创始人波尔、中子的发现者查德威克、电子波动性的证明者G·P·汤姆森、正电子的发现者布莱克特等等。



现在我们知道,原子核一般由中子和质子构成,所以不得不佩服那一代科学家的远见。


三、中子

中子因为不带电,所以实验发现比较晚,前面我们说到卢瑟福预言了中子的存在,然后过了十多年,到1932年,中子才被查德威克。

中子和质子一样,都由三个夸克组成,但是中子内的上下夸克相互抵消,所以不显电性。



中子的发现具有传奇性,早在1930年,德国科学家发现α粒子轰击铍时,会有一种穿透力极强的射线逸出,经过研究,他们认为这是高能γ射线,从而错失中子的发现。



然后在1932年,伟大的法国科学家居里夫人,利用更高精度的实验设备,也进行了类似的实验,并精确计算了射线能量,但是居里夫妇错误地认为这是质子和光子的康普顿效应,并发表了错误的论文,从而错失诺贝尔奖,不然居里夫人很有可能再获得一次诺贝尔奖。


同年,居里夫人的论文传到英国,英国科学家查德威克和他的老师卢瑟福,都得知了这一结果,卢瑟福在十年前就预言了中子的存在,一直找不到验证实验。

看到居里夫人的数据后,意识到居里夫人的实验中,那么高能量的射线不可能光子碰撞的结果,极有可能就是他预言的中子。



于是查德威克进行了一样的实验,以中子假设为模型,解释了α粒子轰击实验中的因果,并得到他老师预言的中子,成为第一个实验验证中子的人,因此获得1935年诺贝尔物理学奖。



艾伯史密斯

先来说说质子的发现,质子是一种带有1.6e–19次方库仑的正电荷,质量是电子的1836倍,且由两个上夸克和一个下夸克组成;英国物理学家卢瑟福是质子的发现人,1918年,在卡文迪许实验室工作的卢瑟福,用α粒子轰击氮原子时会产生氢核,如图所示,在容器C中装入放射性物质A,从A中就会引出α粒子(氦核),然后放入铝箔F,并且将容器抽成真空后,调节铝箔纸的厚度,使阿尔法粒子打到铝箔上但不穿过;


1:在F后方一块荧光屏S,用显微镜观察荧光屏上的闪光,卢瑟福发现当在容器中注入氮气后,通过显微镜可以观察到闪光,而换成其他气体则观察不到闪光;这就说明闪光是在氦核击中氮核后产生的新粒子引起的,卢瑟福把这种物质因素电场和磁场后,测定了这种新物质的质量和电量,发现其质量就是氢离子的质量,于是卢瑟福用实验发现了质子的存在。

2:而中子则是卢瑟福的学生查德威克发现的,在中子发现之前的前五年,玻特和贝克在用α粒子轰击玻原子时,就发现了一种穿透力很强的射线,但是他们以为是伽马射线,因此没有重视。而查德威克就用钋加铍作为放射源,然后用这种射线去轰击氢原子,发现氢原子核会被弹出去,由于组成这种射线的物质不带电,因此无法在磁场中测定质量,但是可以计算被撞原子核的速度,然后利用动量守恒计算出这种物质的质量,卢瑟福发现这种物质的质量和质子差不多,于是就称这种粒子为中子。

最后电子的发现则是比较简单的,电子是约瑟夫汤姆孙在1881年发现的,汤姆孙在观察阴极射线在磁场中的偏转时,同时测定了阴极射线粒子和氢离子的比荷(即粒子的电荷与质量之比),他发现阴极射线粒子的比荷要比氢离子的比荷大很多,这就说明阴极射线粒子的质量是非常小的,汤姆孙将这种粒子命名为电子,这就是电子的发现。


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