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同位素的概念是如何被發現的?

上次我們說玻爾在劍橋被冷落,在1912年3月去了曼徹斯特加入盧瑟福。事實證明他的決定是正確的。他不僅能從盧瑟福那裏學到東西,而且他的工作氛圍相當和諧。

最重要的是,玻爾跟隨盧瑟福,學會了如何做壹個好的領導者,如何關心學生,如何和學生保持壹種老師和朋友的關系。

這為他回到哥本哈根成立自己的研究所打下了非常好的基礎。

玻爾來到曼徹斯特後,花了幾周時間惡補壹些關於原子和放射性的知識,這是盧瑟福整個實驗室研究的重點課題。

晚上十點鐘,實驗室工作結束後,盧瑟福和他的學生們會坐下來,壹邊喝著咖啡,吃著面包,壹邊聊得滿天都是。

他們談話的主題基本都離不開原子,氣氛還算融洽。主要原因是盧瑟福不在乎學生的觀點是否膚淺。大家可以暢所欲言,交換意見,不用擔心說錯話。

在交談中,玻爾結識了壹位名叫赫維西的非常要好的朋友。由於他們兩個都是生活在異鄉的外國人,而且英語都說得很差,所以他們很容易走到壹起,而且他們都不討厭對方。

赫維西後來獲得了諾貝爾獎,因為他發明了放射性示蹤技術,該技術被廣泛應用於化學和醫學。

現在我們去醫院檢查幽門螺桿菌的時候,醫生會讓妳先吃壹種藥,裏面含有放射性元素碳14,然後在檢測板上吹氣,就可以非常方便的檢測出幽門螺桿菌。

言歸正傳,玻爾在與赫維西聊天的過程中了解到了原子中的問題。壹是盧瑟福的原子模型不穩定,二是按原子量排序的元素周期表。因為人們發現了大量的放射性,這些放射性元素蛻變後會生成新元素。生成的新元素與壹些已知元素的化學性質相同,但重量不同。

突然元素周期表被打散了,人們不知道這些新元素該放在哪裏。比如鈾經過α衰變成為新元素,當時人們稱之為鈾X;鐳經過壹系列衰變後形成的元素叫做鐳D;

發現鈾X和釷的化學性質相同,但重量不同。鈾X的重量是232,釷的重量是234。鐳d的化學性質和鉛壹樣,但是鐳d的重量是210,鉛的重量是207。

要知道,那時候元素周期表的排列是按照原子量來排列的。顯然,這些新元素在化學性質上與已知元素相同,但它們的重量不同,這完全把人們弄糊塗了。

索迪在1910中說,形成的新元素的化學性質與已知元素的化學性質相同,無法區分。唯壹能區分的就是它們的重量不同。他認為化學性質相同的元素應該放在元素周期表的相同位置,這就是同位素的概念。

索迪是對的,但他的說法與當時按重量排列的元素周期表相反。赫維西把這壹切都告訴了玻爾,並說現在的物理學太亂了,尤其是元素周期表已經亂到看不到的地步了。

玻爾把這兩個問題記在心裏,但是他覺得原子穩定性的問題比較難,所以先把元素周期表理順。這個問題沒用玻爾多久。

玻爾很快意識到,元素周期表的排列順序不是按照原子量來排列的,而是按照原子核中電荷的數量來排列的。比如氫核壹個電荷,排第壹,氦核兩個電荷,最多92個帶核電荷的鈾元素。核外電子數也等於核電荷數,元素的化學性質只與核外電子數和排列有關。

這樣,壹切都順理成章了。比如人們分不清的鈾X其實是釷232,人們分不清的鐳D其實是鉛210。它們原子內的電荷數量相等,原子核外的電荷數量和排列完全相同,只是重量不同。以後我們只需要在元素名稱後面加上原子量就可以區分它們了。

而且,玻爾進壹步認為,原子的放射性實際上是壹種核現象。當原子核釋放出壹個α粒子時,原子序數會在元素周期表中前移兩位。釋放壹個β粒子,原子序數會後移壹位。

想到這些,玻爾非常激動。他認為自己的邏輯完全沒問題,馬上給盧瑟福講了原子序數的概念和位移定律。

正如我們以前多次提到的,盧瑟福非常重視實驗。當玻爾把自己的想法告訴盧瑟福時,盧瑟福告誡玻爾:不要無端猜測。

玻爾前後找過盧瑟福不下五次,但盧瑟福還是沒有接受玻爾的想法。他相信α粒子是從原子核中釋放出來的,因為他知道α粒子是氦原子核,但是妳說β粒子,也就是電子,也是從原子核中釋放出來的,盧瑟福想不通原子核怎麽會釋放電子。

玻爾也覺得盧瑟福被自己搞得有點不耐煩了,於是想了想說,我們先把這件事放壹放,說不定哪天盧瑟福自己也搞清楚了。

然而,在20世紀初,科學正在迅速變化。如果妳不趕快發表妳的想法,妳肯定會被別人砍掉。提出同位素概念的索迪很快發現了元素序數的概念和位移定律。不像玻爾,他不需要別人的許可就可以發表他的文章。

所以索迪在1921獲得了諾貝爾化學獎,而玻爾卻因為盧瑟福的粗心錯過了壹個重要的發現,也許是壹個諾貝爾化學獎。

但是玻爾並沒有怨恨他的老師,因為他知道原子序數和位移定律都是小問題,而就在這時,盧瑟福的另壹個學生發表了壹篇論文,在α粒子的散射實驗中,研究了α粒子穿過金箔後的動能損失。他認為這是原子中α粒子和電子相互作用的結果。

這樣,我們就可以考慮原子中的電子了。這個學生的名字叫高宇橋·額爾敦·達爾文,他的祖父很好,就是被譽為統壹人和猴子的達爾文。

玻爾馬上意識到,迫切需要解決盧瑟福的原子模型和電子組態的穩定性問題,因為其他人已經在研究它了。

此時,玻爾在英國為期壹年的學習生涯即將結束。7月底,1912,他回到了哥本哈根。有壹件喜事等著玻爾。他將和他的女朋友瑪格麗特結婚。

1年8月,玻爾和妻子在丹麥壹個小鎮的市政廳舉行了簡短的婚禮。在度蜜月時,玻爾夫婦去曼徹斯特向盧瑟福遞交了壹篇關於α粒子散射的論文,這篇論文被稱為“曼徹斯特備忘錄”。

9月初蜜月結束,玻爾回到哥本哈根,在當地壹所技術學院得到了壹個助教職位,就是沒有正式講師。當時丹麥只有壹所大學,哥本哈根大學。在這裏很難找到壹個空缺的教授職位,玻爾剛剛開始他的職業生涯,能找到工作就不錯了。

要知道,愛因斯坦剛畢業的時候,羞愧得連吃飯都成了問題。最後不得不做了三級技師。

在擔任編外講師期間,玻爾開始思考盧瑟福原子模型的穩定性和核外電子的排列,偉大的《論原子和分子的結構》三部曲即將誕生。