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氢简史
双击自动滚屏 发布者:zq1229 发布时间:2020/4/29 13:08:14 阅读:461次 【字体:
 

氢简史

关键词;氕,氘,氚. 轻氢,重氢,原子模型,玻尔的原子模型,量子力学,同位素,核聚变的基本元素

描述;氢是核聚变的基本元素,氢气中原子核中有一个核子叫氕,原子核中有两个核子就加一撇叫氘,有三个核子就叫氚.

 

物理学家克莱普纳所说:氢一向具有王者风范,就好像它对宇宙的光辉历史有所了解一般。

世界上最重要、最传奇的元素是什么。那当然是氢,是因为在其他元素登场之前,氢便主宰了宇宙的物质世界,它是构成万物的基本元素,是当之无愧的宇宙之王,是名副其实的生命之火。
根据现代科学,宇宙来源自147亿年前一颗密度无限大、温度无限高,而在大爆炸之后,宇宙开始了膨胀与冷却,大爆炸之后0.01秒,温度为1000亿K,0,12秒时,为300亿K,1.1秒时,为100亿K,13.83秒时,为30亿K。可以说宇宙诞生4分钟后,后来所需要的所有基本原料都已出现,而它们发生反应的基本模式,也已经设置完成。

首先登场的是氢,当时新生的宇宙已经走过了30万年的旅程,温度已经冷却到了大约3000℃,此时,氢原子和氦原子具备了它们的特定形态。或许,在宇宙的前30万年中,随着氢和氦的登场,我们已经可以确定,今天的宇宙,今天这个星光璀璨与生机盎然的宇宙,它的形成已经是不可避免的了。为什么呢?那就是氢和氦是核聚变的基本元素,同时,氢也是组成水分子的基本元素。
为什么是氢原子在宇宙中首先登场呢?原子在最初开始形成的时候,它可用的成分是十分有限的,有光子、中微子、电子、质子等基本粒子,同时也有基本粒子的基本合成,比如氘核,也就是一个质子加一个中子,还有α粒子,也就是氦核,两个质子加两个中子。而当宇宙年龄到了30万年的时候,中微子与周边物质隔离了开来,不再参与原子的形成,至于光子,在生成原子的过程中并不是主要成分,也可以忽略。所以,正是质子、电子、中子和α粒子,参与组成了我们宇宙中最初的原子。

在氢的可见光谱中,存在着四条暗线,而这四条暗线所对应的波长分别为656.21nm、486.074nm、434.01nm和410.12nm。值得一提的是,埃斯特朗本身也是一个长度单位,1埃斯特朗等于10纳米。 
氢原子的能态越大,电子的轨道也就越大,将玻尔的氢原子模型做这样的描述:位于中心的原子核,被不连续的电子轨道所环绕。最小的轨道能量最低,稍大一些的轨道能量也大一些,以此类推到更大轨道和更大的能量。而在各种不同的能态中,氢原子最稳定的结构是能量最低的能态,一般来说,氢原子都处于这一能级,所以这一能级的轨道,便决定了氢原子的大小。根据这一理论,玻尔计算得出,氢原子的直径为0.11nm,而实验得出的结果为0.1nm,二者基本相符。同时,玻尔还计算出了将电子与原子核完全分离所需要的电离能,他的结果是13V,实验结果为11V,也是十分接近。玻尔的原子模型也并非完美,它的最终完善还需要薛定谔、海森堡等人对量子力学的进一步发展。但玻尔无疑是幸运的,因为他的研究对象选择了氢原子.

17世纪,阳光明媚的一天,牛顿利用一块玻璃棱镜,将可见光分成了七彩光束:红橙黄绿蓝靛紫,从红光到紫光,波长依次变短。可以说正是此时,人类第一次真正触及到了物质的原子本质。不过当时的牛顿并没有意识到,这些可见光其实只是太阳辐射的一小部分。1800年,大天文学家威廉-赫歇尔通过一个温度计,测定了不同颜色的光的热效应,结果他发现,温度计从紫光从向红光移动时,温度会上升,更有意思的是,当温度计移出红光,到达红光之外的黑色区域时,温度竟然还在上升,从这个现象出发,赫歇尔推断,一定存在着某些不可见的光,这便是我们目前所谓的“红外光谱”。没过多久,1801年,德国物理学家约翰-威廉-里特发现,在紫光之外似乎也存在着看不见的光,它可以使得溴化银底片发生感光,这种光便是可见光谱另一端之外的紫外线。 

由于赫歇尔与里特有了这样惊人的发现,于是,从19世纪初开始,科学家们纷纷对玻璃棱镜玩起了各种花活儿。其中特别值得一提的,是英国物理学家威廉-沃拉斯顿的重大发现。在此之前,科学家们其实都在重复牛顿的操作,也就是让阳光通过遮光板上的一个小圆洞,但沃拉斯顿也不知道是怎么想的,他不要洞了,而是换成了遮光板上的一条狭缝,让光通过狭缝之后再射入棱镜。就这么一个微小的改变,神奇的一幕便发生了,那就是沃拉斯顿在阳光的可见光谱中,发现了几个黑色的狭缝,沃拉斯顿推断,这些狭缝正代表着阳光中某些缺失的波长,从此,这些暗纹便被称为“谱线”。

沃拉斯顿的发现很快引起了其他科学家的注意,在对实验进行了进一步的改进之后,德国物理学家约瑟夫-夫琅禾费在太阳光谱中发现了574条暗纹,并对其依次命名与标记位置。其中特别让夫琅禾费感兴趣的,是两条他所谓的D暗纹。因为在实验室中的钠灯光谱上,存在两条位置相同的亮纹。那么这一明一暗之间有什么关联吗?可惜的是,夫琅禾费只对其进行了记录,却并没有深入研究。在此之后,夫琅禾费又研究了行星与其他恒星的光,他发现行星谱线的模式,与太阳谱线的模式基本相似,而至于其他恒星,它们与太阳之间,既存在一致性,也存在着差异性。

可以说在当时,科学家们对任何光都充满了兴趣,1822年,英国物理学家大卫-布儒斯特发明了一个小仪器,这个仪器可以用火焰将物质的一小部分蒸发,然后,人们就可以研究蒸发的物质所发出的光。在这一新发明的推动下,同一年,约翰-赫歇尔蒸发了各种金属盐,由此证明,火焰的光可以用来检测这些金属极微量的存在,这就是所谓的焰色反应。几年之后,在这些新发现的基础上,英国化学家威廉-塔尔博特终于证明,每种化学元素的谱线都是独一无二的,也就是说,我们可以通过光谱来鉴定元素。

当然了到此为止,夫琅禾费的发现,还依然没有得到有力的解释。对此作出突破的是法国物理学家傅科,也就是傅科摆那哥们。1849年,傅科让阳光通过钠蒸汽,结果发现,太阳光谱中的那两个D线变得更暗了,虽然傅科也没有什么建设性的想法,但这一实验结果,却让大神开尔文勋爵灵光一现。开尔文勋爵立即犀利地说出了一句废话:双D线无论明暗,都是因为钠的缘故。夫琅禾费在太阳和其他恒星光谱中,所观察到的暗的双D纹,正是因为太阳和那些恒星四周的大气中,存在着钠元素的缘故。

这句话虽然有点像是废话,但却被认为是现代天体物理学的开端,为什么如此呢?对开尔文勋爵的废话给出进一步解释的,是德国物理学家、光谱学的创始人古斯塔夫-基尔霍夫。在大量的实验与思索之后,基尔霍夫指出,在相同的物理条件下,某种元素所发出的光与其所吸收的光,会产生相同波长的谱线。也就是说,钠灯中的钠元素所发出的光,产生了夫琅禾费发现的那两条亮线,同样的,也是因为太阳周围的钠元素,在太阳光谱中产生了暗的双D纹,二者的位置之所以一样,正是因为钠元素不论是发出光还是吸收光,它所针对的都是同样波长的光。 

巴尔末研究的正是氢的谱线。而且有意思的是,巴尔末研究的其实也并不是氢的谱线,而是一个纯粹的数学问题,为什么这么说呢?因为巴尔末并非物理学家,事实上我们可以说,他对什么氢、什么太阳光谱,基本上一窍不通。而现在人们给他的头衔,也只有一个数学家。更加匪夷所思的是,这哥们连个数学家其实也算不上,他只是瑞士巴塞尔一所女子中学的普普通通的老师.
由于光谱学的出现与发展,人们开始纷纷研究各种元素的光谱,氢这种元素,自然是第一批被研究的对象。对此作出突出贡献的,是瑞典物理学家埃斯特朗。埃斯特朗发现,在氢的可见光谱中,存在着四条暗线,而这四条暗线所对应的波长分别为656.21nm、486.074nm、434.01nm和410.12nm。值得一提的是,埃斯特朗本身也是一个长度单位,1埃斯特朗等于10纳米。
氢原子光谱
现在问题就来了,氢的可见光谱中,这四条暗线所对应的波长之间,是否存在某种联系呢?许多科学家认为,这些数字的背后一定对应着某种未知的物理规律,但没有人可以得出结论。于是巴尔末决定,管他的背后有什么物理规律,先把这四个数字之间的数学规律给研究出来。可能是上班也确实没啥事儿,巴尔末就天天在那算。天知道巴尔末到底尝试了多少个公式,但最后他还真就搞出来了。1885年,巴尔末提出,氢的可见光谱中的四条波长,可以用一个公式表达出来,这个公式为λ等于常数B乘以n的平方除以(n方-4)。这个常数B是多少不重要,我也记不住,总之就是,当n=3,4,5,6时,就分别对应以上四个数字。

巴尔末公式
当时人们毕竟只发现了这4条谱线,那么当n=7的时候,巴尔末公式是否还灵验呢?把n=7带入公式中,结果是396.965nm,巴尔末不知道的是,其实埃斯特朗已经测出了这条谱线的存在,可能是由于比较模糊,所以他并没有对外公布,而这条谱线实际对应的波长为396.81nm,巴尔末公式依然精准无比。在此之后,氢的更多谱线被发现,结果也都与巴尔末公式所计算的结果惊人的接近,误差不超过1/4000。巴尔末就这样达成了这一伟大的成就。

显而易见的是,巴尔末是幸运的,因为他选择研究的对象正是氢元素,可以想见,如果巴尔末脑子一热选择了碳元素或是氮元素,面对这些元素复杂的谱线,巴尔末就算辛辛苦苦干个94年,可能也不会有什么结果。所以我们可以说,在人类文明的发展史上,氢又一次扮演了重要角色。

当然了,仅仅有数学公式,还并不能说明人们已经发现了原子世界背后的规律,但无论如何,正是巴尔末告诉世人,你们看到没,氢的谱线可以用数学公式表达,这就足以说明,物质世界有着我们尚未发现的美妙规律,至于究竟是什么规律,导致了这一现象的发生,那就得另请高明了。而在发现了这一伟大的规律之后,巴尔末还是继续回到了课堂之上,教学生们学习数学,或许,他和他的学生们根本不会想到,正是这样一个纯粹的数学公式,在日后的物理学界,掀起来轩然大波,因为另请高明的高明就要登场了

在氢的可见光谱中,埃斯特朗标出了四条暗线的波长,然后瑞士数学教师巴尔末费老大劲了,终于找出了可以把这四个波长数字联系起来的一个公式。虽然只是一个纯粹的数字游戏,但巴尔末却向世人证明,原子谱线的背后一定有着某种不为人知的物理规律。谁能发现这个规律?巴尔末选择另请高明,而自己还是继续当自己的女子学校老师。

1897年约翰-汤姆逊发现了一种新的物质,这个物质便是电子,原子不可继续分割的理论就此打破。不过,汤姆逊还是无法确定电子的质量与电量究竟是多少,他只得出了电子的质量与电量的比值。除此之外,汤姆逊还发现,氢原子的质量与电量之比,要比电子的质量与电量之比,大上1000倍。这就说明,要么就是电子的质量非常非常小,要么就是电子的电量非常非常大,要么就是两者兼而有之。而且更有意思的是,电子的质量与电量比是一个负值,由于质量肯定是正的,这就说明电子所带的是负电。

有了电子这一大发现之后,人们终于可以开始讨论,原子究竟拥有着怎样的结构。1900年,爱尔兰物理学家菲茨杰拉德提出,氢原子大约是由500个电子所组成的。三年之后,汤姆逊又提出,氢原子是由1000个电子所组成的。总的来看,这两种模型没有什么区别,无非就是电子到底有多少。但它们却存在着两大致命问题,首先就是,原子本身是电中性的,而电子是带负电的,那么是什么在原子内部提供正电来中和电子的负电呢?其次,原子是稳定的,不会轻易地就分崩离析,但这么多电子挤在一起,同性相斥,原子根本不可能保持稳定。

妥了,面对着这两个问题,人们的思路一下就来了,那就是电子既然已经被发现了,那咱们接下来找到原子中的正电部分不就行了么?1902年,开尔文勋爵提出,原子是一个带正电的球体,而电子便镶嵌其中,这便是历史上著名的“葡萄干布丁”模型。

不过到此为止,还有一个的问题没有解决,那就是原子中到底有几个电子呢?1906年,汤姆逊提出,原子中的电子数,与这个原子的原子量大致相同,也就是说,氢原子中应该只有一个电子,氦原子中那就有4个电子。当然了现在我们知道,这个结论其实是错误的,毕竟当时人们还并不知道中子的存在。

拥有两个电子的氦原子

与此同时,随着实验技术的不断发展,人们也有了新的发现,在实验中,物理学家利用电子轰击金属箔,结果发现,电子居然掌握了穿墙术,它可以毫无阻碍地穿过,而且还丝毫不发生任何偏移。由此人们得出结论,物质虽然是硬邦邦的,但放眼微观,原子里面大部分却是空空如也。这一全新的发现,毫无疑问地否定了开尔文勋爵的“葡萄干布丁”模型,因为布丁可是实心的。

那么原子模型究竟如何呢?对这一问题继续发起挑战的,是欧内斯特-卢瑟福。卢瑟福这哥们特别喜欢α粒子,究其原因,是因为正是卢瑟福在1898年发现了α粒子。1908年,卢瑟福进一步证明,α粒子带两个正电荷。接下来,卢瑟福也开始使用α粒子来轰击金属箔了,主要是两种,铝箔和金箔。结果发现,大部分α粒子都垂直无障碍地通过了铝箔和金箔,但还是有一小部分发生角度上的偏移,而且穿过金箔发生偏移的α粒子数量,要大于穿过铝箔的α粒子。那么既然α粒子可以穿过金箔,又是什么东西造成了它的偏移呢?肯定不是电子,因为当时人们已经了解了电子的质量与电量,渺小的电子根本无法与“庞大”的α粒子相抗衡。 

自己苦于找不到结果,卢瑟福就去找人帮忙,找的人也是一个大神——德国物理学家汉斯-盖革,盖革计数器那个盖革,同时,盖革还带了一个本科生一起做实验,这哥们名叫欧内斯特-马士登。虽然与卢瑟福进行的实验完全相同,但盖革爷俩却有了更加令人吃惊的发现,那就是当α粒子轰击金箔时,竟然有一些被原路给弹回来了,这种结果非常少见,大约做8000次实验才能出现一次。但你甭管出现多少次,结论是显而易见的,α粒子肯定是碰到了原子中某些非常坚实的东西,这个东西很巨大,也拥有着强电场。这可是个大发现,原子很空,但却并不完全空。今天,这一实验被称为盖革-马士登实验,也被称为卢瑟福散射实验。

有了实验结果之后,卢瑟福便开始了苦思冥想,具体怎么想的咱就不知道了,总之在1911年年初的一天,当卢瑟福见到盖革时,他说了这样一句话:我知道原子是什么样的了。什么样呢?卢瑟福描述道:原子里面有一个带正电的、比原子本身小10000万倍的中心,这个中心同时也包含了原子的大部分质量,对于金原子来说,这个中心的电量是电子电量的100倍,而电子则围绕着这个带正电的巨大中心,周而复始地做着圆周运动。

1911年秋天,本来工作关系在曼彻斯特大学的卢瑟福,在剑桥大学的一次讲座中,首次公开了自己的原子模型,第二年10月,卢瑟福首次使用原子核来命名这个巨大的中心。而就在剑桥大学的那次讲座中,听众中有一位来自丹麦的26岁年轻人,他本是汤姆逊的学生,但是在听了讲座之后,他毅然地决定离开剑桥大学,投靠到了卢瑟福的门下,这位年轻人便是量子力学革命的灵魂人物——尼尔斯-玻尔。

1912年3月,带着自己的铺盖卷玻尔来到了曼彻斯特,本打算就此常住,结果没想到玻尔只在曼彻斯特呆了4个月就回丹麦老家了。为什么呢?因为去到曼彻斯特之后,他的心思完全不在实验上,而是集中到了卢瑟福原子模型的问题之上,与其在英国那破地方吸雾霾,倒不如回到山清水秀的丹麦老家静静思考。

那么卢瑟福模型究竟面临着怎样的问题呢?玻尔指出,相对于有史以来的所有原子模型,卢瑟福模型确实是最接近原子真实状态的,但它仍然有一个致命伤,那就是不稳定。原因很简单,围绕着原子核运动的电子,会不断地向周围空间释放电磁辐射,从而损失电磁能,这种能量的损失是灾难性的,原子最终会分崩离析,我们的世界也就不复存在。

但现实显然不是如此。于是令人意想不到的一幕出现了,玻尔以一种大无畏的精神,坚定地抛弃了物理学中已经存在的法则,他指出,电子所环绕原子核运行的轨道,是一种“定常轨道”,在定常轨道上,电子发生着没有能量的辐射。不过,辐射虽然没有能量,但根据牛顿物理法则,绕核运动的电子还是应该具有能量的,玻尔表示他可以表示这种能量,而且这种能量还呈现出量子化的特性,这种能量便是所谓的“能态”。

玻尔提出,量子化条件制约着相应的能量和相应的电子轨道,只有某些轨道可能存在,而且这些轨道之间绝不是连续的,电子会从一个轨道突然间“跃迁”到另一个轨道,这是之前任何物理学法则,都不会允许的现象,但微观世界就是这么不走寻常路。具体来看,氢原子的能态越大,电子的轨道也就越大,所以我们可以将玻尔的氢原子模型做这样的描述:位于中心的原子核,被不连续的电子轨道所环绕。最小的轨道能量最低,稍大一些的轨道能量也大一些,以此类推到更大轨道和更大的能量。而在各种不同的能态中,氢原子最稳定的结构是能量最低的能态,一般来说,氢原子都处于这一能级,所以这一能级的轨道,便决定了氢原子的大小。根据这一理论,玻尔计算得出,氢原子的直径为0.11nm,而实验得出的结果为0.1nm,二者基本相符。同时,玻尔还计算出了将电子与原子核完全分离所需要的电离能,他的结果是13V,实验结果为11V,也是十分接近。


不仅如此,玻尔的原子模型也解释了为什么氢原子光谱上,存在着不连续的暗纹,因为这些暗纹正对应着氢原子不同的能态,而巴尔末所得出的数学规律背后的物理规律,也正在于能级的跃迁。玻尔也利用公式将量子跃迁表达了出来,关于这个公式咱就不细说了,反正你也看不懂,关键是我也看不懂。

毫无疑问,虽然玻尔创造了一个可以定量研究的原子模型,虽然他的模型解释了原子谱线的由来,也虽然很多实验都支持了玻尔的计算结果。但是由于对一些传统观念的彻底颠覆,以及经典物理法则与量子法则一团乱麻的混用,玻尔的理论依然掀起了轩然大波,比如卢瑟福就提出了这样一个关键问题:一个电子离开一个能级时,它怎么知道能去哪里呢?还比如物理学家奥托-斯特恩就曾表示:如果那个疯狂的玻尔模型,最终被证明是正确的,那我就离开物理学界。当然了,他最后不但没有践行自己的诺言,反而成为了玻尔模型的受益者,因为作为一名核物理学家,斯特恩获得了1943年的诺贝尔物理学奖。

当然了今天我们知道,玻尔的原子模型也并非完美,它的最终完善还需要薛定谔、海森堡等人对量子力学的进一步发展。但玻尔无疑是幸运的,因为他的研究对象选择了氢原子,如果玻尔当初选择的是氦原子,或是其他任何原子的话,他都不可能提出玻尔原子模型,更无法奠定量子力学大厦的基础。而且事实上,氢原子也不是完美的,因为在1891年,迈克尔逊发现,波长为656.2nm的第一条谱线,其实并不是一条线,而是两条非常接近的谱线,玻尔模型还是无法对其进行解释的。

不过这不要紧,因为即便有着些许缺陷,玻尔模型对后世的影响依然是深远的,直到今天,我们依然在说原子的能级,同时,我们对原子和分子光谱的了解,也是以玻尔理论为基础的。也正是由于玻尔的开创性贡献,1925年-1926年,一种全新的解释世界的理论——量子力学,真正诞生了,而玻尔毫无疑问地成为了这个事件的中心人物。正如美国物理学家魏斯科普夫所说:玻尔和他的追随者们,触动了这个宇宙的神经。
 

同位素广泛地存在于自然界中,就比如说我们每呼吸一次,肺里都会吸入三种氧的同位素,分别是氧-16、氧-17和氧-18,这些氧原子的共同特点是,它们的原子核中都有8个质子,同时,核周围也都环绕着8个电子。所不同的是原子核中的中子数,分别有8个中子、9个中子和10个中子。其中8个质子和8个电子,决定了氧在元素周期表中的位置,8个电子同时还决定了氧的化学特性。所以事实上,各种氧的同位素的化学性质大体相同,不过由于中子数的不同,它们的质量肯定是不一样的,而这种质量上的差别,便决定着同位素有着不同的物理特性。

同位素是由英国物理学家弗雷德里克-索迪于1911年发现的,从此,物理学家与化学家们便纷纷开启了寻找同位素的挑战,毕竟大部分情况下,谁发现了某种元素,那这种元素基本上也会以发现者命名,这绝对是名垂千古的顶级荣耀。

但是奇怪的是,在众多的元素中,偏偏最简单的元素,氢的同位素迟迟不肯登场,那么氢它到底有没有同位素呢?今天我们知道,答案当然是有的,而且还不止一个,这哥俩就是氘和氚,其中,氘在自然存在的所有氢中,只占比0.015%,或许也正是因为如此少的缘故,所以人类才一次次地与它擦肩而过。

事实上,氘的发现,1913年当时,纽约大学的两位科学家在精确测量水的密度时发现,不同水样本的密度也彼此不同,他们由此得出结论:纯水的密度不是唯一的。遗憾的是,为什么如此,他们并没有进行深入研究。而之所以会如此,原因正在于氘在样本中含量的多少。所以说,这次实验也被看作是氘第一次走进了人类视野。

时间转眼间来到了1929年,有一天美国物理学家兼化学家哈罗德-尤里与乔尔-希尔德布兰德,赶去参加一个学术会议,在出租车上,希尔德布兰德对尤里说,伯克利分校的化学家们刚刚发现了氧的同位素氧-17和氧-18,这么一来,人们应该不会找到更重要的同位素了吧。尤里回答道:是啊,除非是氢的。

不过此时,人们依然不知道氢到底有没有同位素。1931年,伯克利的两位物理学家又搞出来一个大新闻,这哥俩研究发现,用物理方法和用化学方法来测量原子量,两种方法会导致测量结果的微小偏差,同时也正是在这次研究中,他们还得出了一个结论,那就是氢是同位素的混合,主要是一个质子与一个电子的氢,与少量的更重的氢。之后,这一研究结果发表在了1931年7月1日出版的《物理学评论》上,而当尤里看到这期刊物后,他马上便开始了研究。

一开始比较粗暴,尤里试图从一份瓶装氢气样本中,直接检测到重氢的存在,怎么检测呢?他与同事墨菲合作,共同装配了一套对氢进行精确分光研究的设备。也就是说,他们设计的实验所针对的,正是氢原子的光谱。事实上,不论是轻氢原子还是重氢原子,它们的光谱在本质上都是一样的,不过计算表明,与轻氢原子相比,重氢原子的谱线波长会产生细微的变化。正是以这一思想为出发点,尤里与墨菲试图抓住重氢原子。结果,他们也确实在计算得出的位置上,看到了微弱的谱线。由此,他们认为自己观察到了重氢存在的证据。不过对此,尤里还不满足,因为实验中可能存在难以察觉的杂质,我拿这么一个结果出来,恐怕也难以服众。于是他决定,找到一种增加样本中重氢浓度的方法,只要重氢浓度多了,谱线就会变得明显起来,那重氢的存在就肯定没跑了。

不过,要想增加重氢的浓度,绝非易事。面对这一挑战,他去到了美国国家标准局,求助于物理学家费迪南德-布里克韦德。尤里的想法是,通过蒸馏液态氢,来浓缩较重的氢原子,而这种方法的根据正是,两种氢原子会因为质量的不同,而造成物理性质上的差异。我们知道,在-252.6℃时,氢是液体,以氢分子的状态存在,在这些氢分子中,大部分都是由两个普通的氢原子所构成的,我们可以将其记做H-H,如果重氢原子存在的话,那么在液态氢的氢分子中,也必然会有一小部分氢分子,是由普通的氢原子和重氢原子共同构成,我们可以将其记做H-X。在轻氢原子还是重氢原子中,由于H-H分子更轻,所以它的运动速度会比H-X分子稍微快一些,如此一来,在液态氢缓慢蒸发时,速度较快的H-H分子就会更容易脱离液体表面,而H-X分子则比较容易留下来,蒸发得越狠,H-X分子的浓度就会越大。而尤里则计划将6升的液态氢,蒸发到仅剩2立方厘米。


当然了想法是好的,但操作起来的难度是很大的。在第一次实验中,由于程序上的一些失误,尤里与布里克韦德并没有看到重氢在光谱上的增强。经过改进之后,二人又进行了第二次实验,这次就没问题了,最终,布里克韦德在14K的温度下蒸发液态氢,最终的结果确实含有浓度较高的重氢同位素,因为代表重氢的谱线增强了6-7倍,即便考虑到杂质的存在,这个结果也足以具有说服力,由此,尤里正式提出了重氢同位素的存在。

1932年,尤里将自己的发现以论文形式发表,仅仅两年之后,1934年,他便因为发现重氢而获得了诺贝尔化学奖。有了一个科学发现之后,如此之快就被授予诺贝尔奖,这是非比寻常的。相比之下,其他那些发现同位素的物理学家或化学家们,他们别说在如此短的时间内获奖了,大部分其实连个提名都没捞着,那么我就纳闷了,为什么同样都是发现同位素,做人的差距咋就这么大呢!

原因很简单,那就是氘实在是太重要了。我们可以毫不夸张地说,物理学家对氘的兴趣,丝毫不亚于对普通的氢原子兴趣。这是因为,氢原子是最简单的原子,和氘原子的氘核则是最简单的复合核,这哥俩都是双微粒系统,氢原子由一个电子与一个质子组成,而氘核则由一个质子与一个中子组成。不过除此之外,二者还有一个明显差别,在氢原子中,电子和质子之间的作用力,是众所周知的库仑力,那么在氘核中,又是什么力使得质子与中子结合在一起呢?也就是说,在当时,人们对于原子核中的力的认识,还十分有限,而氘的出现,无疑为物理学家们提供了最简单也最好的研究对象。事实也正是如此,物理学家对氘核的研究,要比对其他任何原子核都要多,最终在氘的推动下,人们终于逐渐揭开了原子核的神秘面纱,物理学也翻开了新的篇章。

最有还有一个很有意思的插曲,尤里发现氘虽然只用了大概半年之间,但给这个新的同位素命名,科学家们却耗费了两年之久,包括卢瑟福、欧内斯特-劳伦斯、罗伯特-密立根等大神,都参与到了这次论战中,最后也还是尤里一锤定音,将这个全新的同位素命名为Deuterium。至于这个单词是什么含义,我也不知道,希望有洋文好得很的老板,可以给我们解释一下。而到了我们中国,命名就很富有智慧了,普通的氢用一个撇叫氕,原子核中有两个核子就加一撇叫氘,有三个核子就叫氚.

 

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