1.3 α粒子轰出大秘密
一些象征着现代化的标志上,经常可以看到一个由几个椭圆交织成的图案,你知道吗?它是由卢瑟福首先“画”出来的原子模型。也许,你以为这没有什么了不起,画个图案还不是很省力的事?
仔细想一想,并非那么简单。在那个年代,讲清运动着的原子究竟是副啥模样实在是一个难题。1910年,英国曼彻斯特大学里,卢瑟福领导下的实验室发生了一件意料不到的事,竟然无意之中促成原子模型图的成功。事情经过是这样的:
一天下午,青年助手盖革问卢瑟福,是否可以在放射性方面做点工作,同时让刚来的助手马斯登也一起参加。卢瑟福同意并建议他们用α粒子去轰击金箔,看看穿过金箔的α粒子朝什么方向飞去。
最初的原子模型
原以为这个实验纯粹是练习性的,没有多大意义。因为当时的科学家认为原子就像一个葡萄干面包,原子内部的负电荷电子就好像葡萄干,正电荷就像面粉一样是均匀连续分布的物质。按照这种想法,可以预料:金原子里的电子根本无法抵挡住比它重几千倍的α粒子炮弹,金原子中的正电荷物质虽然有同α粒子相匹敌的质量,可惜它是均匀地分散在整个原子空间,也不会有什么了不起的抵抗力。所以,射向金箔的α粒子将继续向前飞去,最多稍微改变一下角度。
盖革和马斯登遵照老师的意见,着手准备这项练习。整个实验装置非常简单:作为炮弹的α粒子由藏在铅室里的放射性元素供给,它们的轰击目标是一张极薄的金箔,在金箔的后面放了一个可以改变方位的闪烁屏,只要α粒子撞到屏上就会发生一次闪光。盖革和马斯登像两名炮手,躲在一架低倍显微镜后面观察着这种微弱的闪光,并记下闪光的次数和角度。
第三天,卢瑟福正在自已的办公室里看书,忽然盖革冲了进来,惊慌地报告:“α粒子被金箔弹回来了好几次!”这真是难以置信的消息。这等于告诉你,用一枚重磅炮弹去轰击一张报纸,炮弹竟然被报纸弹回来了。卢瑟福很快恢复了镇静,这里面一定有奥妙。如果这两位学生没有看错的话,莫非是我们以前对原子的看法有问题?
卢瑟福紧张地思考了几个星期。他想,原子中的电子是早就被人观察到了,但是原子中连续分布的正电荷物质,却从来也没有露过脸。原子里的正电荷难道不是均匀分布而是集中在一个很小的核心上?因为只有集中了原子质量90%以上的正电核心,才可能有足够的力量来抵挡那些凑巧撞在上面的α粒子,并把它们弹回去。
按照这个想法,卢瑟福计算了α粒子穿过原子后向各个方向飞出去的次数,计算结果同盖革、马斯登的测量结果完全一致。在1911年2月,卢瑟福写了题为《α和β粒子物质散射效应和原子结构》的论文,正式提出了被后人称为卢瑟福的原子模型。
虽然,这个模型以后又被进一步的研究所改进,但是卢瑟福模型的提出开创了原子物理的新纪元,所以今天人们常常用这个模型的图案作为近代物理学的一个标志。
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分子间引力和斥力
研究发现,分子之间的引力和斥力都随分子间距离增大而减小,而且分子间斥力随分子间距离增大而减小得更快些。由于分子间同时存在引力和斥力,两种力的合力又叫作分子力。当两个分子间距离为r0时,分子间的引力与斥力平衡,分子间作用力为零,r0的数量级为10-10米,我们把距离为r0的位置叫作平衡位置。当分子间距离r<r0时,分子间引力和斥力都随距离
减小而增大,但斥力增加得更快,因此分子间作用力表现为斥力。当r>r0时,引力和斥力都随距离的增大而减小,但是斥力减小得更快,因而分子间的作用力表现为引力,但它也随距离增大而迅速减小;当分子间距离的数量级大于10-9米时,分子间的作用力变得十分微弱,可以忽略不计了。
分子间力随分子间距的变化规律