盧瑟福：揭開原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的秘密

尹傳紅+王敘

歐內(nèi)斯特·盧瑟福成功地解釋了原子及其結(jié)構(gòu)的各種復(fù)雜關(guān)系，深化了對元素蛻變以及放射化學(xué)的研究，從而開創(chuàng)了原子物理學(xué)這一科學(xué)新領(lǐng)域，被公認(rèn)為是繼法拉第之后最偉大的實驗物理學(xué)家。

“這是我挖的

最后一個土豆了”

外表粗獷、性情豪放、留著一把海象似胡須的盧瑟福，怎么看都不像是一個做學(xué)問的人。在他功成名就之后，他的一位得過諾貝爾獎的學(xué)生詹姆斯·查德威克對他有過這樣一番描述：“盧瑟?？雌饋砀袷且粋€成功的商人，或是大農(nóng)場主，而不像是學(xué)者……”。而他本人年少時曾希望長大以后當(dāng)一個農(nóng)民。

1895年夏初的一天，當(dāng)盧瑟福做鄉(xiāng)村教師的母親帶給他一個行將改變自己命運(yùn)的喜訊時，他正在他父親經(jīng)營的農(nóng)場里干活。據(jù)說他聽罷馬上甩掉手中的鐵鍬，以他特有的大嗓門嚷道：“這是我挖的最后一個土豆了”。

事發(fā)偶然，甚至有點兒戲劇性，卻又有著某種必然。

作為英國移民的后代，出身于新西蘭的盧瑟福一貫成績優(yōu)異，并表現(xiàn)出超常的實驗動手能力。課余時間，他喜歡擺弄鐘表、拆解東西、制造各種模型。他在坎特伯雷學(xué)院拿到了文科碩士學(xué)位，同時獲頒數(shù)學(xué)和物理學(xué)兩個一等榮譽(yù)，并因此受到資助鼓勵繼續(xù)攻讀，又取得了理學(xué)學(xué)士學(xué)位。

這個時候，英國為英屬地青年學(xué)者設(shè)立的一項獎學(xué)金開始了本年度的推選，全新西蘭只有一個名額。盧瑟福起初是被主考官認(rèn)定的兩名獎學(xué)金候選人之一，但被排在了第二位，他提交的研究論文是關(guān)于電磁波研究的最新實驗報告。可到了最后關(guān)頭，先被選中的那個研究黃金處理的候選人突然決定結(jié)婚，留在新西蘭，好運(yùn)便順利成章地降臨在盧瑟福身上。

這是盧瑟福人生事業(yè)的一個重要轉(zhuǎn)折。也就在這一年的歲尾，物理學(xué)領(lǐng)域出現(xiàn)了一個石破天驚的意外。

亞原子粒子世界的

大門被打開

1895年11月8日，德國物理學(xué)家威廉·倫琴在研究陰極射線時，無意中發(fā)現(xiàn)了一種能夠穿透玻璃、木頭乃至人體等許多不同類型物質(zhì)的神奇放射物，他將其命名為X射線（后被證實是波長比可見光短的電磁輻射的一種形式），從而引發(fā)了科學(xué)界探究這一新現(xiàn)象本質(zhì)的熱潮。

幾個月后，法國物理學(xué)家亨利·貝克勒爾在進(jìn)一步研究X射線時十分偶然地發(fā)現(xiàn)，鈾鹽（含鈾礦物）也會發(fā)出某種穿透性很強(qiáng)的未知射線。這種自發(fā)放射出的“鈾射線”和X射線一樣，能把周圍的空氣變?yōu)閷?dǎo)電體，使驗電器放電。

“鈾射線”也引起了法國物理學(xué)家居里夫婦的極大興趣，他們把這種放射現(xiàn)象稱為“放射性”，同時在思考：鈾化合物不斷地以輻射形式發(fā)出的能量來自哪里？這種輻射的性質(zhì)究竟是什么？

24歲的盧瑟福就在這節(jié)骨眼上進(jìn)入劍橋大學(xué)卡文迪什實驗室，在實驗室主任、著名物理學(xué)家約瑟夫·約翰·湯姆孫手下做研究。時年39歲的湯姆孫是電磁學(xué)領(lǐng)域的一流專家，而且善于識人、用人、帶團(tuán)隊，他很快便看出盧瑟福非同尋常、可堪大用，遂建議其研究X射線對氣體放電的影響。不久，盧瑟福發(fā)現(xiàn)X射線會電離氣體分子。湯姆孫就此提出了電離理論，說明在X射線作用下氣體會生成等量的正電離子和負(fù)電離子（后來這成為檢驗X射線存在的方法）。

湯姆孫同時還在研究陰極射線。1897年，他用實驗證明陰極射線實際上是一種帶負(fù)電的微粒，其質(zhì)量僅僅是氫原子質(zhì)量的一個很小的分?jǐn)?shù)值（后來確知此值約為1/1836），而其電荷卻與氫離子的帶電量相同。電子，就這樣被發(fā)現(xiàn)了（湯姆孫因此獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎），亞原子粒子世界的大門隨之被打開。

原子內(nèi)部發(fā)生了什么？

這一時期，盧瑟福對放射性的研究也取得了重要進(jìn)展。當(dāng)居里夫人找到化學(xué)方法分離鈾的時候，他另辟蹊徑發(fā)明了物理技巧去標(biāo)定與放射性有關(guān)的輻射。他既分析包含有多種成分的輻射，也分析放射性物質(zhì)自身的變化。

在實驗中，盧瑟福用多層鋁箔包裹鈾，以此檢測“鈾射線”的穿透力。他發(fā)現(xiàn)，鈾放射源發(fā)出了兩種不同的射線。一種不太活躍，穿透力弱，輻射范圍??；一種比較活躍，穿透力強(qiáng)，輻射范圍大，而且不易被空氣吸收。他把前一種射線命名為“α射線”，后一種命名為“β射線”。由于這兩種射線都是由高速粒子組成的，所以常常又稱它們?yōu)椤唉亮Ｗ印焙汀唉铝Ｗ印薄?/p>

盧瑟福進(jìn)一步研究確認(rèn)，α射線帶正電，實則是一種高速運(yùn)動的氦離子流，即失去了電子的氦原子流；β射線帶負(fù)電，實則是一種高速運(yùn)動的電子流。1900年，法國物理學(xué)家保羅·維拉德發(fā)現(xiàn)，在鐳的輻射中還有一種不受磁場影響（而發(fā)生偏轉(zhuǎn)）的成分，其穿透力比β射線更強(qiáng)。盧瑟福通過實驗證明這種射線是高能量的電磁波，并命名為“γ射線”。

1901年，在加拿大麥基爾大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)教授的盧瑟福，與來自英國的化學(xué)家弗雷德里克·索迪合作，繼續(xù)探索放射性物質(zhì)。他們把鈾和釷進(jìn)行化學(xué)處理并研究它們的輻射過程，證實鈾和釷在整個輻射過程中依次轉(zhuǎn)變成了一系列的中間元素，直到變成一種穩(wěn)定形式（即沒有放射性的另一種元素）。進(jìn)而，他們在1902年提出了原子嬗變假說，認(rèn)為放射性物質(zhì)由一些不穩(wěn)定的原子組成，每單位時間都有確定的一部分原子通過發(fā)射（α 、β、γ）射線而衰變成不同性質(zhì)的另一種新原子。

而且，每種放射性物質(zhì)都有特定的半衰期（樣品中半數(shù)原子發(fā)生衰變所需的時間）。這意味著，原子并非像原來人們所認(rèn)為的那樣永遠(yuǎn)不變、不可分割。放射性可以看做是原子內(nèi)部發(fā)生某種基本變化的暗示，或是一種能夠使物質(zhì)變化的手段。

然而，更大的驚奇還在后面。

從物理學(xué)家蛻變成化學(xué)家

1902年，31歲的盧瑟福寫信給母親說：“我必須堅持往前走，因為總是有其他人與我的研究路線相同。為了保持領(lǐng)先，我必須盡快發(fā)表目前的研究成果。”這一年，他與索迪在《放射性的原因和性質(zhì)》這篇論文中，報告了他們有關(guān)放射性性質(zhì)的結(jié)論。

在他們看來，輻射是原子衰變的產(chǎn)物，亦是一種探索原子的工具。通過定量分析出這些衰變過程放出的巨大能量，他們認(rèn)為，放射性變化的能量一定至少是化學(xué)變化能量的2萬倍，并且可能是百萬倍，大大高于任何分子變化的能量。

“實驗室里的某個傻瓜，”盧瑟福在筆記本中寫道：“很有可能在自己還不知道的情況下，觸發(fā)一連串原子蛻變，把宇宙給炸開了花。”放射性元素能量的集結(jié)、人工造成的核衰變，都讓他感到有可能造成巨大的災(zāi)難，因而他希望在取得世界和平前，科學(xué)家不要研究怎樣釋放緊緊束縛在原子中的能量。

科學(xué)直覺超強(qiáng)的盧瑟福還敏銳地意識到，放射性物質(zhì)穩(wěn)定的衰減速度（半衰期）可以用來確定巖石的年齡，即推測其形成的年代，這樣他就“意外”地開創(chuàng)了放射性測定年代新學(xué)科。

1907年，盧瑟?；氐接?，被聘為曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)教授。因為“對元素蛻變以及放射化學(xué)的研究”，盧瑟福榮獲1908年諾貝爾化學(xué)獎。在作領(lǐng)獎演說時他打趣道：“在我的一生中，經(jīng)歷過各種不同的變化，但最快的一次變化要算這次了，一夜之間我從物理學(xué)家蛻變成了化學(xué)家！”

功勛卓著、聲譽(yù)日隆的盧瑟福沒有停止探索創(chuàng)新的步伐。1911年，他發(fā)現(xiàn)了原子的核式結(jié)構(gòu)，即幾乎所有的原子質(zhì)量都聚集在原子中央一個非常細(xì)小的“原子核”內(nèi)（這一原子結(jié)構(gòu)的“行星模型”理論后來由他的學(xué)生、丹麥物理學(xué)家尼爾斯·玻爾完善）。1919年，剛剛成為劍橋大學(xué)卡文迪什物理學(xué)教授的盧瑟福利用α粒子轟擊氮原子，成功地將氮原子核轉(zhuǎn)變成氧原子核，在人類歷史上首次通過實驗實現(xiàn)了原子核的人工轉(zhuǎn)變，也是第一次成功地、有目的地使一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素。

這一創(chuàng)舉同時也第一次探測到了質(zhì)子——實則是只帶正電的氫原子核，即失去了電子的氫原子。1920年，盧瑟福還大膽預(yù)言，原子核中一定還存在另外一種不帶電的、可平衡質(zhì)子之間作用力的中性粒子，即“中子”。12年后，他的學(xué)生查德威克用實驗證實了他的猜想。中子的發(fā)現(xiàn)從實驗方面導(dǎo)致了中子核反應(yīng)、核裂變等現(xiàn)象的研究，迎來了核能利用的新時代。1934年，盧瑟福與兩位同行在實驗室中首次觀察到了核聚變反應(yīng)……。

1937年10月19日，盧瑟福在英國劍橋逝世，享年66歲。他被安葬于倫敦威斯敏斯特大教堂，牛頓墓近旁。為紀(jì)念他，第104號元素（一種人工合成的放射性元素）被以他的名字命名為Rutherfordium，符號為Rf。