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同位素的概念是怎样被发现的?

上回我们说到,玻尔在剑桥受到冷落,1912年3月跑到曼彻斯特投奔卢瑟福,事实证明他的决定是正确的,跟着卢瑟福不仅能够学到东西,而且工作氛围相当融洽;

最重要的是,玻尔跟着卢瑟福还学到了如何成为一个好的领导者,如何去关心学生,如何与学生保持亦师亦友的关系。

这为他以后回到哥本哈根建立自己的研究所打下了非常好的基础。

在玻尔来到曼彻斯特以后,他花了几个星期的时间恶补了一些关于原子和放射性有关的知识,这是卢瑟福整个实验室研究的重点课题。

每当傍晚十分,在实验室工作结束以后,卢瑟福和学生都会坐下来一边喝着咖啡,吃着面包,一边漫天长谈;

他们谈话的主题基本上都离不开原子,气氛相当融洽,主要是卢瑟福并不会在意学生们所说的观点是否粗浅,大家可以畅所欲言,交换意见,不必担心会说错话。

在谈话的过程中玻尔结识到了一位非常要好的朋友,他叫赫维西,由于他俩都是身在异乡的外国人,英语都说得非常烂,两个人就很容易就走到了一起,谁也不嫌弃谁。

赫维西后来也是诺奖的获得者,因为他发明了放射性示踪技术,在化学和医药上有着广泛的应用。

现在我们去医院检查幽门螺旋杆菌的时候,医生会先让你吃一颗药,里面就有放射性元素碳14,然后对着检测板吹气,就可以非常方便的检测幽门螺旋杆菌。

书归正传,玻尔在于赫维西聊天的过程中,得知了现在在原子方面遇到的问题,首先是卢瑟福原子模型不稳定,其次就是按照原子重量排序的元素周期表,由于人们发现了大量的放射性,这些放射性元素在蜕变以后会生成新的元素,生成的新元素和某些已知元素的化学性质一样,但是重量却不一样。

顿时把元素周期表搞得稀碎,人们不知道应该把这些新元素放在什么位置合适。比如说铀元素在经过α衰变以后成为了一个新元素,当时人们叫它铀X;镭元素经过一系列的衰变以后形成的元素叫镭D;

人们发现铀X和钍元素的化学性质相同,但是重量不同,铀X的重量是232,钍元素的重量是234;镭D的化学性质和铅相同,但是镭D的重量是210,铅的重量是207。

要知道当时元素周期表的排列是按照原子量来排列的,很明显这些形成的新元素和已知的元素化学性质相同,但是重量不同,这样就把人们彻底搞乱了。

索迪在1910年说,形成的新元素和已知的元素化学性质相同,无法区分,唯一可区分的是他们的重量不同,认为,应该把化学性质相同的元素放在元素周期表的同一位置,这就是同位素概念

索迪说得没有错,但他这种说法,和当时按照重量来排列的元素周期表相违背。赫维西把这些全告诉了玻尔,还说,现在的物理学太乱了,尤其是元素周期表已经乱到了没眼看的地步。

这两个问题玻尔都记在了心里,不过他觉得原子稳定性的问题比较困难,还是先把元素周期表理顺了再说,这个问题并没有花费玻尔多长时间。

很快玻尔就认识到,元素周期表的排列顺序并不是按照原子量来排列的,而是按照原子核中的电荷数来排列的,比如氢核有一个电荷,排在第一位,氦核有两个电荷排在第二位,一直到92个核电荷的铀元素,核外的电子数量也跟核电荷的数量相等,且元素的化学性质只跟核外电子数量和排布有关。

这样一来所有的一切都顺理成章,比如人们无法区分的铀X其实就是钍232,无法区分的镭D其实就是铅210,他们原子中的电荷数相等,核外电荷的数量和排列完全相同,只是重量不同,以后区分它们只需要在元素名称后面加上原子量就行了。

而且玻尔更进一步认为,原子的放射性其实就是一种核现象,原子核释放一个阿尔法粒子,原子序数就会在元素周期表中向前移两位;释放一个β粒子,原子序数就会向后移一位。

玻尔想到这里非常激动,他认为自己的逻辑完全没有问题,就立刻把原子序数的概念和位移规律告诉了卢瑟福。

前面我们多次提到过,卢瑟福这个人非常注重实验,当玻尔把自己的想法告诉卢瑟福以后,卢瑟福告诫玻尔:不要无端的猜测。

玻尔前后找了卢瑟福不下五次,卢瑟福依旧不接受玻尔的想法,他最多相信阿尔法粒子是从原子核中释放出来的,因为他知道阿尔法粒子就是氦原子核,但是你说β粒子,也就是电子,也是从原子核中释放出来的,卢瑟福想不通原子核怎样能释放出电子。

玻尔也感觉到了卢瑟福被自己搞得有些不耐烦了,就想着说,先把这件事放一放再说,说不定哪一天卢瑟福自己就想通了。

可是,20世纪初的科学瞬息万变,有想法不赶紧发表,绝对会被别人截胡,提出同位素概念的索迪很快就发现了元素序数的概念和位移规律,和玻尔不同的是他发表文章并不需要经过别人的许可。

因此索迪在1921年就获得了诺贝尔化学奖,玻尔却因为卢瑟福的一时大意错失了一个重要的发现,或许也错过了一次诺贝尔化学奖。

不过玻尔并没有怨恨自己的老师,因为他清楚什么原子序数,什么位移规律都是一些小问题,而且就在这时,卢瑟福的另外一个学生发表了一篇论文,研究的是阿尔法粒子散射实验中,阿尔法粒子在穿过金箔以后动能损失的情况,他认为这是阿尔法粒子与原子中的电子相互作用的结果。

以此对原子中的电子进行思考。这个学生叫查尔斯・高尔顿・达尔文,他的爷爷很牛,就是我们熟知的那个统一人和猴的达尔文。

波尔立马就意识到解决卢瑟福原子模型稳定性,以及电子排布的问题,刻不容缓,因为别人已经在研究了。

这时玻尔在英国为期一年的求学生涯也即将结束,1912年的7月底他回到了哥本哈根,有一件喜事正等着玻尔,他要和女朋友玛格丽特结婚了。

8月1日,在丹麦一座小城的市政厅玻尔和妻子举行了简短的婚礼,在度蜜月的时候,玻尔和妻子专门去了一趟曼彻斯特,给卢瑟福提交一篇关于阿尔法粒子散射的论文,这篇论文被称为“曼彻斯特备忘录”。

9月初蜜月结束,玻尔回到了哥本哈根,在当地的一所技术学院获得了一个助教的职位,也就是没有正式编制的讲师,当时的丹麦整个国家就只有一所大学,哥本哈根大学。这里的教授职位很难出现空缺,再加上玻尔此时刚出道,能找到工作已经不错了。

要知道当年爱因斯坦刚毕业的时候,灰头土脸,连吃饭都成了问题。最后不得不去当个三级技术员。

在做编外讲师的期间,玻尔开始思考卢瑟福原子模型的稳定性问题,以及核外电子的排布,伟大的三部曲《论原子和分子的结构》即将诞生。