悄然無聲張原子變成李原子喜報忽至化學(xué)獎卻送物理人

梁衡

上回說到湯姆生的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)了電子并提出一個原子“均勻模型”。這個模型到底對不對呢？“不對！”湯姆生萬沒有想到說這個話的正是他從大西洋那邊歸來的一個學(xué)生盧瑟福（1871～1937年）。

盧瑟福1871年出生于新西蘭一個偏僻的小村莊，家里有兄弟姐妹共12人，這樣的家庭自然不能對他嬌生慣養(yǎng)，他和伙伴們或山上放牛，或海邊捕魚，風(fēng)風(fēng)雨雨練出好一副強健的身骨，到后來他處于文弱的科學(xué)家堆中，無人不羨慕他的體格；另一方面潮漲潮落，那大自然的奧妙又啟發(fā)了他的智慧，他從小就不滿足于只學(xué)點能糊口的手藝，而向往解釋宇宙，向往發(fā)明創(chuàng)造。1889年，當(dāng)他18歲的時候便勇敢地去報考新西蘭大學(xué)。

他大學(xué)畢業(yè)后先當(dāng)了一段時間的中學(xué)教師，這時英國劍橋大學(xué)給了新西蘭一個享受獎學(xué)金留學(xué)的名額。盧瑟福在大學(xué)時就自己動手制成一種靈敏的檢波器，試驗了在新西蘭大地上的第一次電報，并且還發(fā)表了電磁學(xué)方面的論文。商人的資本是錢，學(xué)者的資本是論文，盧瑟福就靠這幾篇論文來敲劍橋的大門，果然很靈。他的老師克頓教授為他寫了一封很不平常的推薦信：“盧瑟福先生才華橫溢，通曉數(shù)學(xué)的分析法和圖解法，對于電學(xué)及其絕對測定法之最新成就具有極為廣博的知識。盧瑟福先生為人誠懇，和藹可親，樂于幫助他人克服困難，凡與他有過交往的人莫不竭誠贊許，尊為良師益友。我們衷心地祝愿他在英國的科學(xué)研究同他在新西蘭一樣，取得非凡的成就?！?/p>

盧瑟福從大洋彼岸的鄉(xiāng)村來到劍橋的卡文迪許實驗室這個物理精英薈萃的地方，他一身土氣還沒有退去。大都市里來的同學(xué)都有點瞧他不起，見他每天只知道埋頭讀書，便悄悄給他起了一個綽號——從安第普斯山上抓來的一只光會挖土的野兔子。一天這些同學(xué)從外面歸來，盧瑟福正在屋里看書，便請他們進(jìn)屋，順便請教幾個問題。他們自然答不上盧瑟福提的問題，而且發(fā)現(xiàn)他桌上有一個從未見的檢波器，那手工之精令他們嘆為觀止。這是由一根全長僅6英寸的金屬線纏繞80匝而成的線圈，中心一根鋼針，長不過1厘米，直徑只有1毫米的7%。過了幾天，盧瑟福就用這個檢波器在半英里外檢測電波，并且證明電波可以穿過鬧市區(qū)、穿過人體和厚墻。而這時馬可尼還沒有試驗成功他的檢波器呢。這件事使湯姆生對盧瑟福刮目相看。他說：“在卡文迪許的所有學(xué)生中還沒一人對研究所的熱情能比過盧瑟福的?！蹦切┰瓉砬撇黄鸨R瑟福的學(xué)生自然也就十分敬重“這只光會挖土的野兔子”了。

如果盧瑟福果真沿著研究電磁波的路子走下去，也許物理史就要重寫。但他的老師把他領(lǐng)到了另一個路口上。從這里眺望開去，似乎前景更加美好。因為這時湯姆生正在研究陰極射線，并且已經(jīng)找到了電子。居里夫婦在很困難的情況下發(fā)現(xiàn)了鐳，并且正在全力以赴地提煉它。鐳的放射性已引起科學(xué)界的大轟動。電子也好，放射性也好，X光也好，這些發(fā)現(xiàn)都將人們的視線引向一點——原子內(nèi)部到底還有什么未知的秘密。湯姆生建議盧瑟福來研究這個課題。而盧瑟福生來是個探險家的性格，他也覺得檢波器方面已沒什么可再搞的了，便欣然開始了對原子的探試。

探試的第一步就是抓住鐳放射出的射線，看它到底是些什么東西，然后就可以順藤摸瓜追蹤原子內(nèi)的秘密。盧瑟福天生是個實驗好手，他立即設(shè)計了一個實驗，用一個鉛塊，鉆上小孔，孔內(nèi)放一點鐳。這樣射線只能從這個小孔里發(fā)出，然后將射線放在一個磁場里。奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了，一束射線立即分成三股，有一股靠近N極偏轉(zhuǎn)，有一股靠近S極偏轉(zhuǎn)，還有一股不偏不倚一直向前。盧瑟福一一給它們?nèi)×嗣郑謩e叫α、β和γ射線。又經(jīng)過測定，發(fā)現(xiàn)β射線原來和陰極射線一樣，就是湯姆生證明的電子流。不過陰極射線是在真空放電時從陰極表面發(fā)射出來的，電子速度小，只有光速的百分之幾，β射線是原子內(nèi)部發(fā)出的，速度可達(dá)光速的30%～99%，就是說每秒最少9萬公里。它速度快，穿透力就強，在空氣中可走幾十米遠(yuǎn)，碰到幾毫米厚的鋁片也能穿過，難怪當(dāng)年貝克勒爾把底片無論藏在何處都要漏光，正是它在作怪。

α射線和β射線相反，粒子帶的是正電荷，質(zhì)量大，為4個原子質(zhì)量單位，速度小，只有光速的1/10，又慢又笨，穿透能力弱。一張薄薄的鋁箔、一層裹底片的黑紙，甚至人體皮膚的角質(zhì)層，都能將它擋住。

γ射線不帶電荷，非正非負(fù)，處于正中，不受磁場的影響而偏轉(zhuǎn)，它是X射線，不過比X射線的波長要短，還不到一百億分之一厘米。

好個盧瑟福，真是出手不凡。19世紀(jì)最后10年的三大發(fā)現(xiàn)在他這一個實驗里全部得到解釋。老師湯姆生發(fā)現(xiàn)的電子流就是他左手中的β射線，倫琴的X光就是他右手中的γ射線，而貝克勒爾、居里夫婦千辛萬苦發(fā)現(xiàn)的放射性卻不過是α、β、γ這三個希臘字母。鐳為什么會發(fā)光發(fā)熱，原來它在自己放出能量做功呢。當(dāng)然這里還有許多問題有待探尋，但這些發(fā)現(xiàn)足可以叫他和他的同事們高興一番了。

卻說盧瑟福將這些新發(fā)現(xiàn)興沖沖地去向湯姆生匯報，湯姆生自然高興。但是他聽完匯報后卻露出一種悵惘之情，盧瑟福似有所覺便恭敬地問道：“老師有什么重要吩咐嗎？”

“是的，正有一件大事要與你商量。最近加拿大麥克吉耳大學(xué)物理系教授應(yīng)聘到倫敦?fù)?dān)任教職。為了挑選一個他的繼任者，加拿大方面特意派了代表來劍橋商談此事。我考慮再三，恐怕你是一個最適合的人選。”

“老師，我是遠(yuǎn)涉重洋來向您學(xué)習(xí)的，現(xiàn)在還沒有學(xué)到多少東西怎能離去？”

“不，你現(xiàn)在已完全能獨立開展研究了。像你這樣的人才總給我做助手反而壓抑了你的才華，你應(yīng)該有自己的學(xué)生，自己的助手，自己的實驗室，放開手腳大干一番了。再者你離開了新西蘭時就已訂婚，也早該成家了，經(jīng)濟(jì)收入也不能不考慮，那邊年薪豐厚，上任之后你就可以接來家眷，一心研究了?！?/p>

“不過，我今年才29歲，我怕自己太年輕，做一個高等學(xué)府的教授，人家不一定看得起?！?/p>

“不，年齡是次要的，主要是你有沒有挑重?fù)?dān)的勇氣。我接替瑞利先生任這個卡文迪許實驗室主任時，比你現(xiàn)在的年齡還小一歲呢。這正是干事業(yè)、闖禁區(qū)的最好年齡，你決不可隨俗沉浮而作踐了自己的才華。機(jī)遇本就不可多得，得到機(jī)遇而又失去更會終生遺憾。況且你現(xiàn)在的名聲已足可以和那些四五十歲的教授相匹敵了，希望你勇敢地去上任吧。我這里已寫好一封推薦信，他們會尊重你的?！?

盧瑟福接過信一看，上面寫道：“在獨創(chuàng)性的科學(xué)研究中，我從未見過有比盧瑟福先生更熱情和干練有為的學(xué)生。我認(rèn)為，不論哪個大學(xué)，若能請到盧瑟福先生去擔(dān)任物理教授，將是十分幸運的?！?/p>

盧瑟福聽了老師這番話，又看了這封信，十分激動。他感謝湯姆生的知遇之恩，便問臨行前老師還有什么指點。

湯姆生說：“你這一去要當(dāng)老師了，但要注意向?qū)W生學(xué)習(xí)，敢向自己的學(xué)生學(xué)習(xí)的人永不會驕傲。你要主持一個實驗室了，要選好助手，紅花要綠葉不只為了陪襯，還要向他們吸取養(yǎng)分。要能在自己周圍團(tuán)結(jié)起一批人?！?/p>

1898年9月盧瑟福牢記師囑，橫渡大西洋到加拿大走馬上任。

他到加拿大之后講了半年課，利用假期回新西蘭結(jié)了婚。當(dāng)他帶著妻子返回學(xué)校時，高興地發(fā)現(xiàn)蒙特利爾實驗室新來了一位工作人員，叫索迪。他是這里唯一年齡比盧瑟福小的助手，化學(xué)知識卻極為豐富，這正彌補了作為物理學(xué)家的盧瑟福在化學(xué)知識方面的不足。教授和學(xué)生，一個30歲，一個23歲，但是盧瑟福謹(jǐn)記湯姆生的教誨，與索迪密切合作，他們在一起只有兩年時間，但成果驚人，這種師生的親密關(guān)系和工作效率在科學(xué)史上是極少見的。

索迪還是從研究物質(zhì)的放射性入手，他很快從釷中分離出一種神秘物質(zhì)，它與釷只有原子量不同，其他方面都相同。聰明的索迪立即為這種除重量不同，其他方面都相同，在元素周期表中占同一位置的元素取了一個名字——同位素。比如釷，便有釷232、釷228，而碳的同位素就更多，從碳10一直到碳14。同位素不同在放射性方面也有差異，如鈾的同位素，有的放出α粒子，有的放出β粒子。這樣對原子內(nèi)部的秘密探討得就更細(xì)一步了。原來這些肉眼看不到的原子就是在悄悄地放出不同的粒子而起變化的啊。

這時盧瑟福又想起在劍橋時就遇到的一個老問題，α粒子從所具有的電量和質(zhì)量來看很像一種已知元素——氦?，F(xiàn)在有索迪幫忙，他們立即來驗證這件事。他們將少量的鐳鹽放進(jìn)一個小玻璃管內(nèi)，外面再套上一個大玻璃管，兩層管壁間密封并抽成真空。幾天之后他們將內(nèi)外管之間的氣體抽出來用光譜分析法一化驗，果然千真萬確，就是氦。這只能有一種解釋，是鐳放射出的α粒子穿過內(nèi)管的薄壁進(jìn)入兩層管子之間，看來α射線就是氦流。那么鐳放出α射線后剩下的又是什么物質(zhì)呢，再一細(xì)查，又是一種已知元素——氡。難怪當(dāng)時居里夫人在尋找鐳時總發(fā)現(xiàn)它和氡在一起，其實是鐳在不斷地生成氡。它們的變化用一個簡單的式子來表示就是：22688Ra =22286Rn +42He +γ

原子序數(shù)為88、質(zhì)量為226的鐳經(jīng)過自發(fā)放射變成原子序數(shù)為86、質(zhì)量為222的氡和原子序數(shù)為2質(zhì)量為4的氦，還伴有電荷數(shù)和靜止質(zhì)量都為0的γ射線。

以往的化學(xué)都是討論酸呀、堿呀、鹽呀等物質(zhì)之間的分解、化合，而盧瑟福和索迪現(xiàn)在一下就鉆入原子殼內(nèi)去寫反應(yīng)式了。盧瑟福宣布“放射性既是原子現(xiàn)象又是生成新物質(zhì)的化學(xué)變化的伴隨物?！被瘜W(xué)與物理殊途同歸。

一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素的放射性現(xiàn)象叫作“衰變”或“蛻變”。當(dāng)物質(zhì)的放射性減少到一半時所用的時間叫“半衰期”。半衰期有長有短，鈾的半衰期是45億年，鐳的半衰期是1560年。而有的物質(zhì)半衰期還不到1秒鐘。你看，原子就是這樣以無法控制的力量進(jìn)行衰變，它不斷地“爆炸”，飛出自己的碎片——α、β粒子，還釋放出以γ射線出現(xiàn)的其他能量。只β粒子的速度就可達(dá)光速的一半，一個小小的原子里含有多大的能量啊。盧瑟福發(fā)現(xiàn)的這個新世界，其意義就如哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，牛頓發(fā)現(xiàn)了宇宙。一時盧瑟福成了人們議論的中心，連居里夫人也呼吁物理界的同行要注意盧瑟福的研究。

1907年10月盧瑟福重返英國到曼徹斯特大學(xué)任教，他的學(xué)生們從世界各地追隨而來，他榮譽越多卻越謙虛謹(jǐn)慎。盧瑟福本來就身體魁梧，又從小在農(nóng)村長大，所以他除了緊張的科學(xué)實驗外，還自己收拾了一個大花園，種草植樹，常親自挖土施肥。他也常在廣場上的小咖啡館里和進(jìn)城的農(nóng)民邊喝咖啡邊聊起今年的收成，講得非常內(nèi)行。可是有時他碰到合適的對手又會突然談起高深的原子物理。一次一個記者向咖啡館的老板打聽道：“這個農(nóng)民是誰？”老板告訴他：“這就是盧瑟福?！斌@得那個記者伸出舌頭竟半天收不回去。

再說那個剛來英國時被人稱為“野兔”，現(xiàn)在又被人當(dāng)成“農(nóng)民”的盧瑟福，這天正在實驗室里工作，他的學(xué)生羅茲突然跑進(jìn)來喊道：“快看，瑞典寄來的郵件！”

盧瑟福接過一看，是頒發(fā)諾貝爾獎的通知書。實驗室立即沸騰起來，學(xué)生們都圍上來激動地祝賀、歡呼。

可是當(dāng)盧瑟福打開信細(xì)讀時不由得大笑起來：“你們看，他們給我發(fā)的是化學(xué)獎，這真是太妙了。我這一生研究了許多變化，但是最大的變化是這一次，我從一個物理學(xué)家變成了一個化學(xué)家?！?/p>

正是：海軍也有陸戰(zhàn)隊，空軍不能無傘兵，科學(xué)本是總體戰(zhàn)，物理化學(xué)不可分。

卻說盧瑟福收到頒發(fā)諾貝爾獎的通知，大家正鬧哄哄地議論如何去領(lǐng)獎，盧瑟福卻說：“這獎金放在那里總是跑不掉的?，F(xiàn)在要緊的是要抓緊實驗，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)的這許多小東西，它們在原子內(nèi)到底怎樣分布呢？”

（摘自《數(shù)理化通俗演義》 同心出版社 圖/黃煜博） 本欄編輯：姜煒