科学家们正在研究原子结构的原理

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数百年前的1785年荷兰科学家扬·因根苏斯正在研究一种他无法理解的奇怪现象。在他的实验室里,一些酒精表面上的微小颗粒煤尘飞溅着,那是不是原子结构呢?

  即使是最强大的光聚焦显微镜也无法看到单个原子的结构

大约50年后,在1827年,苏格兰植物学家罗伯特·布朗描述了一些奇怪的相似之处。他用显微镜对一些花粉进行了训练。布朗注意到一些谷物释放出微小的颗粒-然后随机的抖动舞蹈将其从花粉粒中移开。

科学家们正在研究原子结构的原理

原子结构

起初,布朗想知道粒子是否真的是某种未知的有机体。他用其他物质重复了实验,例如岩石尘埃,他知道这些物质还没有活着,并再次看到同样奇怪的动作。

科学需要几乎一个世纪才能提供解释。爱因斯坦出现并开发了一个数学公式,可以预测这种非常特殊的运动类型-当时称为布朗运动,仅次于罗伯特布朗。

爱因斯坦的理论认为,来自花粉粒的粒子正在四处移动,因为它们不断地撞到数百万个更小的水分子-由原子组成的分子。

原子可以被分解可能会让人感到意外-特别是因为“atomos”意味着“不可分割”

“他解释了这种摇晃的动作,你看到的实际上是由于个别水分子对尘埃颗粒的影响或者你的液体所产生的任何影响,”剑桥大学的HarryCliff解释说,还是伦敦科学博物馆的策展人。

原子可以被分解可能会让人感到意外-特别是因为原子这个名字源自希腊语“atomos”,意思是“不可分割的”。但物理学家现在知道原子不是坚实的小球。最好将它们视为微小的电气“行星”系统。它们通常由三个主要部分组成:质子,中子和电子。可以认为质子和中子一起形成系统中心的“太阳”或核。电子像行星一样绕着这个原子核运行。

如果原子不可能很小,那么这些亚原子粒子就更是如此。有趣的是,发现的第一个粒子实际上是三个中最小的一个-电子。

为了了解这里的尺寸差异,核中的质子实际上是电子的大约1,830倍。想象一下绕着热气球运行的小大理石-这就是我们在这里谈论的那种差异。

  它是某种方式中首批粒子加速器之一

但我们怎么知道那些粒子在那里呢?答案是因为,虽然很小,但它们可以产生很大的影响。发现电子的英国物理学家JJ汤姆森在1897年使用了一种特别引人注目的方法来证明它们的存在。

他的特殊设备被称为克鲁克斯管-一块有趣的玻璃片,几乎所有的空气都被机器吸走了。然后,将负电荷施加到管的一端。这种电荷足以剥离一些电子管中剩余的气体分子。电子带负电,因此它们沿管向下飞向另一端。由于部分真空,这些电子能够穿过管子而没有任何大的原子阻挡它们。

电荷确实使电子移动得非常快-大约每秒37,000英里(每秒59,500公里)-直到它们撞到远端的玻璃上,撞击了与原子相关的更多电子。令人惊讶的是,这些令人难以置信的微小颗粒之间的碰撞产生了如此多的能量,从而产生了梦幻般的绿黄色光芒。

“它是某种方式中首批粒子加速器之一,”克利夫说。“它将电子从管的一端加速到另一端,它们在另一端撞击屏幕并产生这种磷光发光。”

  电子的发现表明有更多关于原子的知识

因为汤姆森发现他实际上可以用磁铁和电场操纵电子束,他知道它们不仅仅是奇怪的光线-它们必须是带电粒子。

如果你想知道这些电子是如何独立于它们的原子而飞来飞去的,这是因为一个叫做电离的过程,在这种情况下-电荷通过将这些电子推入周围的空间来改变原子的结构。

实际上,这是因为电子很容易被操纵和移动,因此电路是可能的。铜线中的电子从一个铜原子到下一个铜原子以类似火车的运动行进-而这是通过电线将电荷带到另一端的电子。原子,值得注意的是,不是固体的小块物质,而是可能被修改或经历结构变化的系统。

但电子的发现表明,有更多关于原子的知识。汤姆森的研究表明,电子带负电-但他知道原子本身没有全部电荷。他推断他们必须含有神秘的带正电荷的粒子来消除带负电的电子。

  他已证明原子内存在致密的核

20世纪初的实验确定了那些带正电的粒子,同时揭示了原子结构的太阳系内部结构。

欧内斯特·卢瑟福(ErnestRutherford)和他的同事用非常薄的金属箔将它放在一束带正电荷的辐射下-一股小颗粒。正如卢瑟福所认为的那样,大部分强大的辐射都会直接通过,考虑到箔的厚度。但令人惊讶的是,其中一些反弹了。

卢瑟福认为,金属箔中的原子必须包含带正电荷的小而密集的区域-没有其他任何东西可以将辐射反射到如此强烈的程度。他在原子中发现了正电荷-同时证明它们都以紧密的质量聚集在一起,电子不是这样。换句话说,他已证明原子内存在致密的核。

“碳有6个电子,因此核中有6个质子-6个正电荷和6个负电荷,”Cliff解释说。“但碳的核不会重六个质子,它的重量相当于12个质子。”

在早期,它被认为其他六个核粒子将具有与质子相同的质量,但具有中性电荷:中子。但没有人可以证明这一点。实际上,直到20世纪30年代才真正发现了中子。

剑桥物理学家詹姆斯查德威克迫切希望发现中子。他多年来一直在研究这个理论。1932年,他取得了突破。

在20世纪30年代,我们已经找到了很多关于原子的东西,但是没有人产生过原子的直接图像

几年前,其他物理学家一直在试验辐射。他们在铍原子上发射了带正电荷的辐射-与卢瑟福用于发现原子核的辐射相同。铍激发了它自己的辐射:辐射既不是正电荷也不是负电荷,并且可以穿透材料。

到了这个时候,其他人已经知道伽马辐射是中性的并且深入穿透,因此物理学家认为这是铍原子释放的。但查德威克并不相信。

他自己产生了一些新的辐射,并将其对准了一种他知道富含质子的物质。出乎意料的是,质子被撞到远离材料的空气中,好像它们被相同质量的粒子击中一样-就像斯诺克球被其他斯诺克球击中一样。

伽玛辐射不能以这种方式偏转质子,因此查德威克意识到这里所讨论的粒子必须具有与质子相同的质量但缺乏电荷:它们是中子。

但重要的是,Thomson,Rutherford和Chadwick等科学家使用的技术将为最终帮助我们制作这些图像的新设备铺平道路。在他的克鲁克斯管实验中产生的Thomson电子束证明特别有用。

今天,类似的光束是由电子显微镜产生的,这些显微镜中最强大的光束实际上可以创建单个原子的图像。这是因为电子束的波长可以比光束短几千倍-实际上,电子波可以被微小的原子偏转,从而以光束不能的方式产生图像。

伦敦大学学院的NealSkipper说,这些图像对那些想要研究特殊物质原子结构的人很有用-例如那些用于制造电动汽车电池的物质。我们对它们的原子结构了解得越多,我们就能越好地设计它们的效率和可靠性。

最近,研究人员使用这种方法在化学反应之前和之后发表了一个分子的精彩图像。

船长补充说,今天的许多原子研究都探讨了当施加高压或极端温度时,物体结构如何变化。大多数人都知道,当材料被加热时,它经常会膨胀。现在可以检测出现的原子变化,从而实现这一目标。

“在液体中,当你加热时,你可以看到原子的配置更加混乱,”Skipper说。“你可以直接从结构图中看到它。”

船长和其他物理学家也可以使用查德威克在20世纪30年代首次发现的中子束来研究原子。

您可以通过单独检测伽马射线的能量来识别原子

“我们做的很多事情就是在材料块上发射中子束,从出现的散射图案中你可以发现你是从核中散射中子,”他说。“你可以计算出散射物体的质量和粗糙尺寸。”

“你会使用的探测器类型是探测器,它既可以测量辐射的存在,也可以测量沉积的辐射能量,”她说,“那是因为核子都具有特征指纹。”

因为在检测到辐射的区域中可能存在各种原子,特别是在某种大的核反应之后,重要的是准确地知道存在哪些放射性同位素。这种检测通常在核电厂或发生核灾害的地区进行。

  鉴于原子有多小,令人惊讶的是我们可以从中获得多少物理

还可以在“云室”中可视化辐射。这是一项特殊的实验,其中冷却至-40℃的酒精蒸汽在放射源周围的云中漂移。带电粒子的辐射从源头飞出,从乙醇分子中除去电子。这使得醇在发射的颗粒的路径周围凝结成液体。这种类型的检测结果确实令人惊叹。

我们还没有弄清楚原子是什么,我们已经意识到它们是非常复杂的结构,可以经历惊人的变化-其中许多是自然发生的。通过这种方式对原子结构的研究,我们已经能够改进我们的技术,利用核反应的能量,更好地了解我们周围的自然世界。我们还能够更好地保护自己免受辐射,并发现材料在极端条件下如何变化。

Harkness-Brennan说得很好:“考虑到原子结构有多小,令人惊讶的是我们可以从中获得多少物理学。”

我们周围可以看到的一切都是由这些小东西组成的。很高兴知道他们在那里,使一切成为可能。

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