物质结构研究方法及实验的演1

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1、物质结构研究方法及实验的演变物质构成之谜是自古至今人们一直在探索的重要课题。到了近代这个课题取得了很大的成果，这些成果的取得过程是一个曲折的复杂的艰难的探索过程，这些成果的取得是得益于科学知识的不断积累，更重要的是得益于实验方法的改进和实验手段的突破。对物质结构研究方法及实验的演变过程作一个回顾是非常有益的。一、哲学思辨早在周代，我们的祖先就提出了五行说，即万物由金、木、水、火、土五种物质原料构成的，《周易》中有“太极生仪，两仪生四象，四象生八卦”的以太极为世界本源的观点，在汉代出现了天地万物由“元气”组成的哲学观。古希腊人认为水、火、空气和泥土

2、是构成万物的基本元素。古希腊哲学家德漠克利特把构成物质的最小单元叫做“原子”。中国战国时的墨翟也有“端，体之无厚，而最前者也”的原子观，由于科学技术落后，古人的研究只能停留在思辨和猜想的方法上。二、显微技术极其演变300年前，英国科学家R·玻意耳提出化学元素的概念；100多年前，俄国科学家门捷列夫从已发现的元素中发现了规律性，制成了元素周期表预言了未发现的元素的特性，进而人们了解了一切物质都是由元素组成的，每一种元素都有化学性质相同的原子，不同的原子以不同的结构组成了各种分子，万物由分子组成，深入了解物质结构及分子结构，深益于显微镜的发明和改进。

3、1671，荷兰人雷文克虎发明了光学显微镜虽然与观察分子层次的物质结构还相差很远，但为研究物质结构，提供了非常重要的思想方法。1912德国物理学家劳厄发现X光在物质上的衍射现象，1913年英国物理学家布喇格用之研究固体的微观结构，可以获得X光的衍射花纹，并反映出原子的空间分布状况。1925年法国物理学家德布罗意提出一切物质都具有波动性的理论。1927年美国科学家截维逊和革未发现电子在晶体上有衍射花纹，这样征实了德布罗意的理论，但更重要的是，1932年科学家卢斯和克诺尔由此制造出了世界上第一个电子显微镜，成为研究分子结构的有力工具。～4～1978年，

4、瑞士苏黎世国际商用公司实验室的科学家罗雷尔和一位德国研究生宾尼格在1981发明了可“看见”原子的显微镜，即扫描隧道显微镜，并于1986年与电子显微镜发明人卢斯卡分享了诺贝尔物理学奖。随后又发现了原子力显微镜等一系列扫描探针显微镜（SPMS）V最近几年内各国科学家利用SPMS揭示一系列原子、分子世界的图像，终于使人们可直观地“看”到原子、分子的庐山真面目，另外也为纳米技术的开发利用奠定了基础。显然，“显微”的实验思想是分子层次上物质结构研究的基本方法论。但无论显微技术如何高明，也解决不了原子的内部结构问题，进一步研究原子结构，必须依赖新的实验方法。

5、三、“轰击”实验及其演变自从汤姆逊发现了电子，揭开了研究原子内部结构的序幕，从1901-1908年由佩兰、开尔文、汤姆逊等人提出了多种原子结构模型，但都经不起卢瑟福α粒子散射实验的检验，卢瑟福及其合作者根据大量α粒子轰击金泊后向各个方向偏转的比例，提出了原子的核式结构模型。1919年，卢瑟福用粒子轰击氮原子，从氮原打出了质子，此后，人们用同样的方法从别的原子核中也打出了质子，从而征实了原子核中有质子。用同样的实验思想，查德威克用钋放射源发射α粒子轰击铍板，铍板放出一种看不见的中性粒子，这种中性粒子又从石蜡中打出了质子，经过能量计算，这种未知的中性

6、粒子正是为卢瑟福所预言的中子。质子、中子的发现为原子核结构的认识奠定了基础。之后，卢瑟福、查德威克、布拉开特等人用α粒子轰击的方法使很多原子核发生了人工转变，使原子核结构的认识又进了一大步。为了击破更多的原子核，以研究原子核的内部结构，卢瑟福曾宣称需要更大能量的轰击粒子。由此人们开始认识到利用实验条件加速粒子，向各种原子轰击是进一步实现核转变以认识核结构的关键所在。1925年美国的布赖特、托夫、达耳首先建造了一个可以产生几百万伏高压的变压器，并且把这电压加在可用于加速粒子的管道上，形成了高压加速器的雏形。1931年，美国普林斯顿大学的范德格拉夫发

7、明了一种能有稳定输出的高压发生器，建造了第一个加速器。1932年欧内斯特·～4～劳伦斯在美国伯克利大学建造了第一台回旋加速器。其后在许多先驱者的艰苦卓绝的探索中各种加速器应用而生，比如静电加速器、微波加速器、同步加速器的变形和发展。借助于加速粒子轰击（或对撞）的方法及与之想配套的各种粒子探测器等手段，科学家基本上认识到了原子结构，原子核的结构，发现了许多新粒子，提出了强子结构的夸克模型及物质结构的标准模型。加速器现在广泛应用于医学、工业及科学研究的许多领域，但最初的开发动机在于轰击原子核以研究其内部结构，而它的思想方法是粒子轰击实验的演变。由此，

8、我们可以这样认为，α粒子的散射实验的意义不仅仅在于发现了原子的核式模型，更重要的是提供了一种研究物质微观结构的思想方法，在物质结构探源的