打开原子的大门-第13章
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1913年，他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来就是原子核带的单位电荷数。当然，在原子核外面也有同样数目的电子。他把元素的原子核所带的单位电荷数叫做原子序数。
莫斯莱的原子序数，玻尔的原子模型，把元素周期律解释得更清楚了。他们的发现很重要，直到今天，全世界的中学和大学的物理、化学课本中都要详细介绍。
在周期表中还有多少空当呢？以前只能说大体上清楚，而且还说不清道理。比如，在氢和氦之间会不会还有没发现的元素？根据相对原子质量来看，氢是1，氦是4，中间可能有2和3的空当，于是就有许多人去找相对原子质量为2和3的新元素，当然他们不可能找到。
如今根据原子序数，也就是核电荷数来看，氢是1，氦是2，中间不再有空当，人们就知道，相对原子质量为2和3的新元素是不会有的。
一些新发现的元素，如钋、镭、锕和氡等都在周期表上找到了自己的位置。可是对放射性的继续研究又提出了新的问题。
这又得从头讲起。
搜索新元素
在刚开始发现放射性的时候，人们认为放射性元素是永远不停地放射着射线的。经过进一步的研究，发现这种看法并不正确。
例如，一小管氯化镭的放射性是会慢慢减弱的。经过长时间仔细测量，发现一定量的镭的放射性，经过1622年就要减弱一半，这表示镭已经减少了一半。铀减少的速度更慢，要4510000000年才减少一半。放射性强度减弱一半所需要的时间叫做放射性元素的半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不一样的。
用测量放射性半衰期的办法，可以分辨不同的放射性元素。
在20世纪初，寻找放射性元素的科学研究在各国的实验室里进行着。
那位老克鲁克斯在研究铀，他用碳酸铵从钠盐的溶液中沉淀出来一种物质。这种物质不是铀的化合物，但是有极强的放射性，半衰期只有24天。他认为这里面含有新的放射性元素，取名叫铀X＇＇＇1 。
卢瑟福和索地在硝酸钍溶液中加上氨水，钍都沉淀了，剩下的溶液还有放射性，半衰期只有3天多。这又是一种新的放射性元素，他们给它取名叫钍X。
又有人研究镭射气，把一根金属针放在镭射气里，过了一段时间，这根金属针也“传染”上了放射性。研究的结果，是针的表面上沉积了一些放射性物质，分离开来有三种，起名叫做镭A、镭B和镭C。
几年之内，新发现的放射性元素多极了，有新钍＇＇＇1 、新钍＇＇＇2 、铀X＇＇＇2 、铀Y、铀Z、镭C′、镭D、镭E、镭F、锕X、射锕、射钍……一共三四十种，它们的放射性半衰期都不一样。
发现很多新的放射性元素当然是好事，但是周期表上可没有那么多的空位呀！
有人认为，周期表对放射性元素是不适用的。
事实真是这样吗？
一个假说
科学家们继续研究这些放射性元素的各种性质，不仅研究它们的放射性，还研究它们各自的化学性质和物理性质。
人们发现镭会放出镭射气，钍会放出钍射气，锕会放出锕射气。这三种射气的放射性半衰期完全不一样：镭射气是4天，钍射气是1分钟，而锕射气只有4秒。但是用光谱仪检验这三种射气，发现它们都是同一种元素——氡。同一种元素应该有完全相同的性质，为什么放射性会不一样呢？
卢瑟福的学生哈恩由钍中分离出一种名叫射钍的放射性元素，半衰期是1。9年，但是它的化学性质与钍完全一样。
又有人从钍中分离出来一种放射性元素，半衰期为6。7年，起名叫新钍＇＇＇1 ，它的化学性质竟与镭完全一样。把新钍＇＇＇1 ；和镭混合在一起，就再也不能用化学方法把它们分离开来了。
还有人从镭中分离出一种放射性元素，半衰期是80000年，起名叫鑀，但它的化学性质又和钍完全一样。
索地根据这些新发现的事实提出了一个假说：有一些原子在质量上和放射性上可能是不同的，但是它们的化学性质完全一样。所以，这些化学性质相同而质量和放射性不同的元素，应该放在周期表上的同一位置里，叫做“同位素”。
索地的同位素假说是和卢瑟福的原子的核模型在同一年提出来的，还需要用实验来进一步证实。首先就应该“称量”一下这些同位素的原子，看看它们的质量是否真的不一样。
称量原子核
现在要讲讲卢瑟福的老师汤姆逊这些年在研究些什么了。
前面我们已经讲了他测量阴极射线——电子流的实验。1907年他又开始去研究那些失掉了电子的原子。
大家还记得，汤姆逊使阴极射线穿过带有细孔的阳极而成为一束，测量这束射线在电场和磁场的作用下发生的偏转，求出了电子的电荷和质量的比值。
这一回，他把仪器的高压电极反过来接，原来的阴极变为阳极，原来的阳极变为阴极。结果怎样呢？穿过带细孔的阴极也会射出一束射线。当然，这束射线是带阳电荷的，所以对应的叫做阳极射线。这是带阳电荷的粒子流，也就是离子流。
汤姆逊用和测量电子一样的方法，去测量阳极射线的电荷和质量的比值。
他在管内换用了不同气体进行测量。结果发现，同阴极射线不一样，阳极射线粒子的电荷和质量的比值，随气体的不同而不同，而以前测定阴极射线——电子，气体不同而结果一样。这说明阳极射线是失去了电子的某种原子或分子。
只要知道了离子的电荷，并且测定出它的电荷和质量的比值，就能计算出单个离子的质量。
在管内充上氢气，可以测定出失去一个电子的氢原子——也就是氢原子核的质量是：
0。0000000000000000000000017克。
这当然是极小的数值，但是比电子的质量大1836倍。
汤姆逊测量了许多气体的阳离子的质量，发现氦是氢的4倍，氮是氢的14倍，氧是氢的16倍，等等。
在卢瑟福发现原子有核的第二年，汤姆逊用上面的办法研究空气，他发现了质量是氢原子核的20倍的带阳电荷的粒子，这是氖。同时还发现了一种质量是氢原子核的22倍的粒子，这又是什么呢？
汤姆逊换上了纯氖，结果，质量是氢原子核20倍和22倍的两种粒子同时存在。
汤姆逊和他的学生阿斯顿反复试验，最后证实了这两种粒子都是氖。
索地的预言证实了。有两种不同质量的氖原子，一种的质量是氢原子的20倍，另一种的质量是氢原子的22倍，为了区别起见，把它们写作 20 Ne和 22 Ne。
氖的同位素发现了，道尔顿的学说必须修正。同一元素的原子，在质量上并不一定是一样的。
慢慢地，已经发现的那许多放射性元素，都在周期表中找到了自己的位置。它们原来是几种元素的同位素。镭射气、钍射气和锕射气都是氡的同位素；镭A、镭C′都是钋的同位素；钍X、新钍＇＇＇1 都是镭的同位素；铀X＇＇＇1 、射钍、鑀都是钍的同位素……
为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性呢？这就需要研究原子的心脏——原子核了。
敲开原子核的大门
多年来，汤姆逊兼任着剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长的职务。1919年，他辞去卡文迪许实验室主任的职务，并且推荐卢瑟福做他的接班人。
卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后，开展的第一件重大的科研工作，就是解剖原子核。
可是，一个金原子核的半径只有0。000000000003厘米，哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢？用锤子打吧，原子核又不是个核桃，要用什么样的锤子呢？为了这件事，卢瑟福想了好久。
他回想起他和盖革一起做过的α粒子散射实验。当时发现有极少数的α粒子会反弹回来，说明这些α粒子是正对着金原子核撞去的，只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使α粒子克服斥力，打在原子核上呢？这就需要两个条件。
第一，α粒子的速度要足够大，卢瑟福选用了镭C′（由镭蜕变生成的）放出来的α粒子，它的速度达到19200公里／秒。
第二，同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比，金原子核有79个单位阳电荷，所以斥力很大。要使α粒子能打到原子核上，这个原子核的阳电荷越少越好，所以要选用列在周期表前面的一些元素。
卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子，罐中放着一片涂有镭C′的小片，它不断地射出快速的α粒子。正对着这个小片的铜罐一端，有个小窗口，窗口上涂着硫化锌。如有α粒子射在窗口上，窗口就会发出闪光。
卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的α粒子，在空气中只能通过一定的距离，这叫做α粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的α粒子的射程是不一样的，镭C′放射的α粒子在空气中能射7厘米远。
在铜罐中涂有镭C′的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些，所以α粒子刚好射不到硫化锌上，在一般情况下，窗口不会发出闪光。
卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气，换上各种不同的气体来研究。
有一天，马斯登向卢瑟福报告了一个新发现：在罐内充了氢气，本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和α粒子所发出来的闪光不一样，可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢？
用汤姆逊的方法做实验证明，这是一种穿透力很强的速度比α粒子更快的粒子。它不是别的，原来就是失去电子的氢原子——氢核。
解释是这样的：快速的α粒子正对着氢原子核碰去，就像我们弹玻璃球一样，一个球弹在另一个球上，就把另一个球弹开了；由于α粒子的质量是氢核的4倍，所以碰撞以后，氢核以更大的速度弹开去了。
这个实验证明，α粒子确实打到氢原子核上了。
马斯登继续做实验。
他换上了二氧化碳气和氧气，这时候，硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重，即使受到α粒子碰撞，也弹不远。
换上了氮气以后，窗口上又出现闪光了。难道是α粒子推动了氮原子核吗？这不可能，因为氮原子核的质量要比α粒子大两倍多。进一步的研究表明，引起硫化锌闪光的还是氢原子核。
这又是一个重大发现，卢瑟福的助手们都跑来看，大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来：这是α粒子撞击了氮原子核，从氮原子核中打出来的氢原子核。
“这是可能的。”卢瑟福说，“但是，现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混人一些氢气或水汽呢？要知道，一个水分子中有两个氢原子，α粒子打到水分子上，也会把氢原子打下来。那就是击破了分子，而不是击破了原子核。”
科学是不容许一点马虎的。
助手们开始更仔细地做起实验来。他们把氮气中的水汽和可能存在的氢气都排除干净以后，再把它充到铜罐内去做实验。结果在α粒子的轰击下，还是出现了高速的氢原子核。
氮原子核真的被α粒子打破了！
是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们�
