《【牛津通識課10】元素週期表》:原子研究與「物理學入侵元素週期表」

  发布时间:2024-06-02 23:17:18   作者:玩站小弟   我要评论
文:艾瑞克・希瑞Eric R. Scerri)物理學入侵元素週期表雖然約翰.道耳頓已經重新引入原子的概念,化學家之間還是充滿爭論,大多數人拒絕接受原子的存在,門得列夫就是持懷疑態度的其中一位。但如同我 。

文:艾瑞克・希瑞(Eric R. Scerri)

物理學入侵元素週期表

雖然約翰.道耳頓已經重新引入原子的牛津概念,化學家之間還是通識充滿爭論,大多數人拒絕接受原子的課元存在,門得列夫就是素週素週持懷疑態度的其中一位。但如同我們在上一章所見,期表侵元期表這並不妨礙他發表出當時最成功的原研週期系統。進入二十世紀後,究與經過愛因斯坦等物理學家的物理研究後,原子確實存在的學入想法越來越穩固。愛因斯坦在一九○五年發表一篇關於布朗運動的牛津論文,利用統計方法提出原子存在的通識決定性理論證明,實驗層面的課元證據則很快由法國實驗物理學家讓.佩蘭(Jean Perrin)提出。

伴隨這項變化的素週素週還有各式各樣探索原子結構的研究,這些發展對從理論上理解週期系統帶來重大影響。期表侵元期表在本章中,原研我們會探討這些原子研究以及二十世紀物理學幾項重大發現,這些發現促成了我所謂的「物理學入侵元素週期表」。

一八九七年,傳奇人物湯姆森(J. J. Thomson)在劍橋大學卡文迪許實驗室發現電子,這是首次發現次原子粒子,也是首次透露原子具有次結構。一八九五年,威廉.倫琴(Wilhelm Konrad Röntgen)在德國符茲堡發現X射線。這些新的射線很快就會被亨利.莫斯利善加利用,這位年輕的物理學家先是在曼徹斯特工作,其餘的短暫科學生涯則在牛津度過。

倫琴發現X射線後僅一年,在巴黎的亨利.貝克勒(Henri Becquerel)就發現了一個非常重要的現象,稱為放射性—某些原子在自發性分裂時,會發射出多種新的射線。「放射性」這個詞是由波蘭出生的瑪麗.斯克沃多夫斯卡(Marie Sklodowska,後來的居禮夫人)創造的,她和丈夫皮耶.居禮開始研究這個危險的新現象,並很快發現兩個新元素,分別稱之為釙和鐳。

藉由研究原子在進行放射性衰變時如何分裂,就可以更有效地探測原子的組成,探討支配原子轉化為其他原子的法則。因此,儘管元素週期表處理的是不同的元素個體或其原子,但似乎也有個特徵,允許某些原子在對的情況下轉換成其他原子。例如,失去一個α粒子(由兩個質子和兩個中子組成的氦核),就會得到原子序下降兩個單位的元素。

同時期另一個深具影響力的物理學家是歐內斯特.拉塞福(Ernest Rutherford)。他是紐西蘭人,曾在劍橋大學從事研究,之後又待過麥吉爾大學(McGill University)和曼徹斯特大學,接著回到劍橋,接續湯姆森在卡文迪許實驗室擔任主任。拉塞福在原子物理學的貢獻眾多且各異其趣,包括發現放射性衰變的定律,也是第一個「分裂原子」的人。

他還是第一個將元素「蛻變」(transmutation)為其他新元素的人。拉塞福實現了人工模擬放射性過程,同樣產生了完全不同元素的原子,並再次強調所有物質本質上都是同一的。這剛好是門得列夫畢生強烈反對的想法。

拉塞福的另一個發現是原子的核模型,這個概念現在已被人們所接受,就是原子中心有一個原子核,周圍環繞著帶負電的電子。他在劍橋大學的前輩湯姆森,曾認為原子是由一個帶正電的球體構成,裡頭的電子以環狀圍繞著它運行。

然而,第一個提出類似迷你太陽系的核子模型的人不是拉塞福。這個榮譽屬於法國物理學家讓.佩蘭(Jean Perrin),他在一九○○年提出負電子環繞著正核運動,像是行星環繞太陽。一九○三年,日本學者長岡半太郎賦予這個天文類比新的轉折。他提出土星模型,其中電子取代著名的土星環。但是佩林和長岡都無法提供任何實驗證據支持他們的原子模型,而拉塞福可以。

拉塞福和年輕的同事蓋格(Geiger) 與馬斯登(Marsden)對著一張金箔發射一束α粒子,得到非常驚人的結果。雖然大部分的α粒子都還算順利地通過金箔,卻也有相當數量的粒子以非常傾斜的角度反彈回來。拉塞福的結論是,金原子或其他任何物質的原子,內部絕大部分空空如也,但中央有一個高密度的核,所以某些α粒子才會往後散射回來。

因此,大自然比人們先前所想的還要靈活多變。例如,門得列夫曾認為元素是絕對獨立的,他不接受元素可以轉換成不同元素這種想法。當居禮夫婦公布他們的實驗結果,提出原子分裂時,門得列夫便動身前往巴黎親自察看證據,但他不久後就去世了,所以我們也不清楚他參觀實驗室後是否接受了這個激進的新概念。

X射線

一八九五年,德國物理學家倫琴有了一項重大發現。在這之前,他的研究成果都不怎麼特別。如同原子物理學家埃米利奧.塞格雷(Emilio Segrè)後來寫的:「一八九五年之前,倫琴寫了四十八篇論文,現在根本沒人記得。他的第四十九篇為他帶來巨大的收穫。」

倫琴當時是在研究電流在一種名為克魯克斯管(Crookes tube)的真空玻璃管中如何表現。過程中,倫琴注意到與他實驗無關的某個物體,在實驗室的另一邊發出微光。那是一個塗上鉑氰化鋇的屏幕。他很快就確定那道微光不是來自電流,並推論在這個克魯克斯管裡可能產生某種新型射線。沒多久,倫琴就發現X射線最為人熟知的特性,那就是可以用來產生手的影像,清楚顯示手骨輪廓。帶來許多強大醫學應用的新技術於是誕生。祕密研究七週後,倫琴準備好向符茲堡物理醫學學會(Würzburg Physical-Medical Society)發表他的結果。而他的新射線也將對當時毫無交集的兩個領域帶來巨大的衝擊。


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