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#每日科普# 如果一层一层“剥开”原子核,你会发现……

在道尔顿、布朗、爱因斯坦、佩兰的共同努力下,人类已经达成了共识:原子是切实存在的。

但道尔顿的现代原子论里提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是构成物质的最小单元吗?原子里面还能不能继续拆分?

解决这一问题的,是三代师生,约瑟夫·汤姆森、欧内斯特·卢瑟福、詹姆斯·查德威克。

剥开原子的第一层面纱

最早打开原子内部结构的科学家,是汤姆森。

汤姆森在研究β射线的时候,发现β射线是由一种带负电粒子构成的,这种粒子被称作电子。

汤姆森认为,在每个原子里面应该都有这样的电子。而且,汤姆森还提出了他的葡萄干布丁原子模型:每个原子就像是一个葡萄干布丁,正电荷和布丁一样,均匀分布在整个原子里,带负电荷的电子,和葡萄干一样,撒在布丁上。

虽然在教科书上对这个模型的评价并不高,只是一带而过,但这个模型自有它的重要意义,它说明了一点,原子是可以继续拆分的。而继续拆分的任务,就交给了他的学生——卢瑟福。

1901年,卢瑟福在研究放射性元素“钍”的时候,发现钍元素能够向外释放出α射线,更令人惊讶的是,在衰变之后,钍元素变成了另一种元素。

一种元素能够转变成另一种元素,过去这件事只存在于炼金术士的幻想中,现在卢瑟福竟然证实了,这一重大的发现,让卢瑟福获得了1908年的诺贝尔化学奖。

顺便提一下,卢瑟福拿到诺贝尔化学奖之后并不高兴。他觉得自己明明是个物理学家,怎么都应该拿诺贝尔物理学奖。

但诺奖对卢瑟福来说并不重要,他通过对放射性元素的研究,认定了一件事:放射性元素释放出来的能量,来自原子内部。当时,包括居里夫人在内的很多人都认为,放射性物质的能量是从外部吸收来的。所以,卢瑟福认为居里夫人对放射性还不够了解。

如果原子内部能够放出各种各样的射线,这又指向了一件事情:原子还可以继续往下拆。

那原子里面到底有什么呢?于是,卢瑟福开始用α粒子,对原子发动了轰击。这就是著名的“金箔实验”。

1908年,卢瑟福在助手盖革的帮助下,一起用α粒子继续轰击金箔。他们发现,α粒子在透过金箔的时候,大部分粒子都是直直地穿过,而很少一部分粒子发生了偏移,卢瑟福称之为散射,而还有极少数粒子,发生了非常大的偏移。

异常现象背后一定有原因,卢瑟福就把研究重点放在这些偏转很大的粒子身上,他甚至让助手去找,有没有被反弹回来的α粒子。虽然卢瑟福本人没抱什么希望,可助手竟然真的发现了,有非常非常少的粒子,被直直地反弹回来了。

用卢瑟福自己的话来说,这就像你拿一门炮去轰一片纸巾,结果炮弹竟然被纸巾弹回来了。这些被弹回的粒子,就犹如一发炮弹,击中了卢瑟福的想象力。

当时,卢瑟福已经知道了,α粒子是带有正电荷的,如果发生了这么大幅度的偏转,一种可能是,它们受到了非常大的电磁力作用。被弹回的粒子,应该是直直撞上了这个电荷集中的地方,这个地方就是原子核。

根据推算,原子核应该非常非常小,就像鸟巢体育馆当中放了一个网球。

可是按照他老师汤姆森的葡萄干布丁模型,原子里的正电荷应该是均匀分布的,不应该有哪个地方存在这么集中的正电荷。难道老师之前说的一直是错的?

卢瑟福是一个极其严谨的人,他并没有急着公开自己的发现。他花了将近4年时间,确认了大量的数据,在确认万无一失之后,在1911年,卢瑟福模型首次公布了。

卢瑟福认为:原子不是坚不可摧的,原子中间是一个极小的带正电的原子核,外面是绕着它高速旋转的电子。

美国原子能委员会的标志,就是卢瑟福模型。还有你今天看到的用来表示原子的符号,大部分也都是这个模型。

早期美国原子能协会标志(图片来源Wikipedia)

提出这个模型之后,卢瑟福还有更重要的事情要做,他需要搞清楚原子核里头到底是什么。

卢瑟福继续用他钟爱的α粒子轰击其他原子。在轰击氮原子的时候,卢瑟福发现了一个现象,α粒子和氮原子碰撞的时候,会出现氢原子核,也就是后来的质子。

能撞出氢原子核,这说明了一个问题,氢原子核可能是氮原子核的组成成分。而且,氢原子核的质量非常轻,其他原子核的质量都是它的整数倍,有没有可能,氢原子核是所有原子核的组成成分?

如果是这样,这又会是一个重大的发现。

1920年,卢瑟福公布了他的发现:氢原子核是构成所有原子核的基本单元。他给这个基本单元起了一个名字,质子[1]。

但卢瑟福依然保持了自己的谨慎态度,在公布这个发现之后,他找到另一位物理学家帕特里克·布莱克特利一起做更多的研究,验证自己的猜想。

在观察了23000张照片上的40多万条轨迹之后,他们在其中找到了8条特殊的轨迹。再一次,从异常情况中,卢瑟福做出了重大发现,这8条轨迹能够说明,氢原子核确实是构成其他元素原子核的成分(这8条轨迹表示,氮原子核α粒子碰撞后形成了极其不稳定的氟原子,之后,衰变成了一个氧原子核一个氢原子核)。

由此,原子核里最重要的一种粒子被发现了。

小居里夫妇与中子擦肩而过

卢瑟福发现质子之后,跟他的助手查德威克又发现了一个神奇的现象。

氮原子的原子核重量大约是氢原子核的14倍(大约跟14个质子重量相当),而电子只有7个,如果原子核里只有质子,那氮原子应该带电才对,这不太可能。于是,卢瑟福推测,原子核内应该还有一种不带电的中性粒子,重量跟质子差不多。

这个中性粒子,就是中子。但到目前为止,这只是一个推测,卢瑟福并没有直接证据证明中子存在。

最先发现这个证据的,是德国两位科学家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年,他们用α粒子轰击锂、铍、硼等元素,轰击完之后,发现了一种奇怪的射线。这种射线能量很高,而且不带电,他们认为,这应该是γ射线(一种电磁波辐射)[2]。

有些材料上说,最早发现中子证据的,是居里夫人的女儿和女婿,即小居里夫妇,但并不是。不过,小居里夫妇确实很快就投入到了对这种射线的研究中,他们利用这种辐射轰击其他物质,得到了非常高能的质子[3]。

可惜的是,他们并没有怀疑这种射线本身到底是不是γ射线。所以,他们确实和中子,以及一块诺贝尔奖奖牌擦肩而过。

卢瑟福的助手查德威克倒是敏锐地意识到,这种射线根本就不是什么γ射线,应该就是卢瑟福预言的中子。于是,查德威克赶紧重复了实验,并且证明了,射线是由一种不带电,而且质量和质子非常接近的小粒子构成,证实了中子的存在。因为这个发现,查德威克获得了1935年的诺贝尔物理学奖。

顺便提一句,另一位叫劳伦斯的科学家,也发现Walther Bothe和小居里夫妇的解释有问题,同样投入研究,但还是慢了查德威克一步,但劳伦斯后面在后面因为另一项研究,对人类开发核能作出了极其重大的贡献,也拿回了属于自己的诺贝尔奖。

至此,人们不光发现原子核内的质子、中子,而且,也知道了通过改变原子核的组成,一种物质能够转变为另一种物质。

接下来,人们要开始将手伸进原子核内部了,摘取原子核内的能量果实。

参考文献:

[1]Romer A (1997). "Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom". American Journal of Physics. 65 (8): 707.

[2]Bothe, W.; Becker, H. (1930). "Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen" [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3]Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). "Émission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l'influence des rayons γ très pénétrants" [Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays]. Comptes Rendus. 194: 273.

综合布线是一种模块化的、灵活性极高的建筑物内或建筑群之间的信息传输通道。它既能使语音、数据、图像设备和交换设备与其它信息管理系统彼此相连,也能使这些设备与外部相连接。它还包括建筑物外部网络或电信线路的连接点与应用系统设备之间的所有线缆及相关的连接部件。综合布线系统由不同系列和规格的部件组成,其中包括:传输介质、相关连接硬件(如配线架、连接器、插座、插头、适配器)以及电气保护设备等。这些部件可用来构建各种子系统,它们都有各自的具体用途。 

综合布线系统大致可以分为七个部分,分别是:工作区;配线子系统;干线子系统;建筑群子系统;设备间;进线间与管理。实际上布线工作中要遵循一定的规律,此规律不仅体现于结构化布线工程实施所要遵循的相关规范和标准,还需要符合在工程中摸索出来的许多经验和教训。综合布线作为已经成熟的行业,在经历了大量实践的基础上积累了许多可以借鉴的实用经验。布线过程管理混乱、工艺落后、技术陈旧,都会给施工单位本身带来工程质量、成本和进度上的不足。使用先进规范的施工操作规程是企业取得效益和立足市场的必由之路。
一、工程应用综合布线工程一般步骤
调研—方案设计—土建施工—技术安装—信息点测试—文档整理—维护。
(1)调研:主要任务是询问客户网络需求,现场勘察建筑,根据建筑平面图等资料去结算线材的用量,信息插座的数目和机柜定位、数量,做出综合布线调研报告;
(2)布线方案设计:根据前期勘察数据做出布线材料预算表、工程进度安排表;
(3)土建施工:协调施工队与业主进行职责商谈,提出布线许可,主要是钻孔、走线、信息插座定位、机柜定位、做线标识;
(4)技术安装:主要是打信息模块,打配线架、机柜内部安装;
(5)信息点测试:一般测试,采用12点测试仪,单人可以进行,效率较高,主要测试通断情况,可打印出详细的测试报告;
(6)文档管理:最终要提供交给客户的竣工报告(材料实际用量表、测试报告、楼层(楼群)配线表,为日后维护提供数据依据;(7)维护:当线路出现故障时,快速进行响应。
二、技术

1、PVC管槽施工过程时,一定要把线先划好,如果不预先画划好线直接施工很容易造成PVC走线不水平或垂直,虽然这样前期工作花时间较多,但方便以后PVC装钉。

2、打室外通到室内墙孔时,要注意先量好准确的位置,然后才分别从两边钻孔,先用小钻定位,再用中钻打通,再改大钻加大孔径,这样可避免打裂墙面。

3、拉线。这一环节十分重要,如果决策或测量有误,将造成不可挽回的损失。

4、打信息模块时,有一点非常要注意:由于特殊原因,打模块时外皮离模块大约要有1CM,因为这类模块较长,不照上面做的话,装好的模块那防尘板会难移动,失去弹性,所以都要这样做才能确保模块安装的合理。
三、经验

1、明确要求、方法

2、掌握环境资料
为了保护室内环境,室内要安装电缆槽,电缆放在电缆槽内,全部电缆进房间、穿楼层均需打电缆洞,全部走线都要横平竖直。

3、区分不同介质
保证通信介质性能,根据介质材料特点,提出不同施工要求。计算机网络系统的通信介质有许多种,不同通信介质的施工要求不同,具体如下:
双绞线
a.双绞线在走廊和室内走线应在电缆槽内,应平直走线;
b.工作站到Hub的双绞线最长距离为100米,超过100米的可用双绞线连结器连结加长;
c.双绞线在机房内走线要捆成线札,走线要有一定的规则,不可乱放;
d.双绞线两端要标明编号,便于了解结点与Hub接口的对应关系;e.双绞线应牢靠地插入Hub和工作站的网卡上;
f.结点不用时,不必拔下双绞线,它不影响其它结点工作;
g.双绞线一般不得安装在室外,少部分安装在室外时,安装在室外的部分应加装套管;
h.选用八芯双绞线,自己安装接头时,八根线都应安装好,不要只安装四根线、剪断另外四根线。
4、设备安装

为保证网络安装的质量,网络设备的安装应遵循如下步骤:首先阅读设备手册和设备安装说明书。设备开箱要按装箱单进行清点,对设备外观进行检查,认真详细地做好记录。安装工作应从服务器开始,按说明书要求逐一接好电缆。逐台设备分别进行加电,做好自检。逐台设备分别联到服务器上,进行联机检查,出现问题应逐一解决。有故障的设备留在最后解决。安装系统软件,进行主系统的联调工作。安装各工作站软件,各工作站可正常上网工作。逐个解决遗留的所有问题。用户按操作规程可任意上机检查,熟悉网络系统的各种功能。试运行开始。
5、综合布线工程实施

先进行穿线组织策划,要组织好穿线关键在于施工组织者,施工组织者应:理解布线系统总体结构,不要穿错路线;能明确区分要敷设的各种电缆,不要用错电缆;熟悉电缆要经过的管路,有丰富的穿线经验;懂得预防典型的影响穿线质量和进度的问题;理解综合布线系统电缆敷设的特殊要求;思路清晰,把信息点分组,一组一组地敷设,不多穿,不漏穿;每组应不超过20个信息点,否则同时穿放的电缆量大,穿放费力容易导致电缆损伤,也容易缠绕、打结,非常影响进度;严谨地做标号,并记录长度刻度;严格地组织测试,用检测仪表逐条电缆测通断状况。
四、综合布线施工前准备

尽可能地找合作过,可靠的施工队穿线,施工组织者要头脑清楚,有责任感。对于初次合作的施工队,要派人紧盯。根据实际情况列出用人计划,凭用人计划向经理申请准备给穿线施工队的酬金。根据管槽完工时间和后续布线系统安装和装修封顶的时间要求,列出穿线进度计划和保证质量的措施。穿线前要严格进行穿线检查,具体要求参见相应的管槽检查要求,严重影响穿线质量和进度的管槽质量问题包括:管槽规格小;接口处有毛刺;埋地安装管槽阻塞、积水等;埋地管槽穿线前必须全面试穿。需准备的文档包括:布线系统系统图;布线系统平面图;穿线技术要求和空白穿线报告。
五、施工质量的保障措施
1、要做好设计阶段的详细图纸,图纸很重要。不要以为很简单,一张好的综合布线系统设计图纸可以节省你的布线时间和一些在综合布线系统的过程中遇到的现场问题,做过楼宇综合布线系统工程的都知道,大楼里不单只有弱电,还有强电、消防、空调等等。
2、施工过程中要做好施工计划,以应付不断的变化。
3、要及时了解整个工程的其他部分的进度情况,才能及时调整施工计划。
4、要严格要求施工人员。线路要工整、明朗。
5、要做好标签。


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