紀(jì)念原子核物理學(xué)家E·盧瑟福誕辰150周年

田 川

（重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030）

盧瑟福的一生充滿著各種各樣的傳奇故事，他的一生大致可分為3個階段：在新西蘭和卡文迪什實驗室的求學(xué)經(jīng)歷、在加拿大9年的工作經(jīng)歷、再次返回英國，并先后領(lǐng)銜曼徹斯特實驗室和卡文迪什實驗室的經(jīng)歷，如圖1所示.

圖1 盧瑟福的人生軌跡

1 寒門出貴子，學(xué)海永無涯

歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）1871年8月30日生于新西蘭納爾遜的一處移民區(qū).父親是來自蘇格蘭的移民，父親的主要工作是種植亞麻和裁鋸鐵路所需的枕木，母親則是當(dāng)?shù)氐囊幻l(xiāng)村小學(xué)教員.枕木所需的木材需父親親自到叢林中采伐.為了維持生計，作為次子的盧瑟福稍大就幫著雙親開墾土地，而小盧瑟福則耐心地刨去整個樹根.然后，一家人借著傍晚的那點亮光抓緊種下農(nóng)作物.為了使小麥不得銹病，小盧瑟福要不停地用雙手來回搓揉麥粒.盧瑟福所特有的品質(zhì)，諸如單純率直、心胸寬廣、不計得失、熱心謙遜、勤儉堅毅以及對教育的尊崇，無需遠(yuǎn)溯，只要從他父母身上，便可看到這些品質(zhì)的淵源.

1.1 最后一個土豆

雖然家庭并不富裕，但盧瑟福的童年生活還是愉快的.下水捕魚，上山打獵，掏不完的鳥窩，望不盡的田野.5歲時，進(jìn)入村里的一所學(xué)校，盧瑟福學(xué)習(xí)成績雖然優(yōu)秀，但并沒有顯露出有朝一日要成為科學(xué)家的任何跡象.作為小學(xué)教員的母親有一本曼徹斯特大學(xué)斯徒亞特（Stewart）教授寫的自然科學(xué)教材，小盧瑟福對這本書倒是如癡如醉、廢寢忘食.

1886年15歲的盧瑟福憑借580分（總分600）獲得獎學(xué)金進(jìn)入納爾遜中學(xué).當(dāng)時新西蘭的中學(xué)里自然科學(xué)被列為選修課，令人驚訝的是，只有盧瑟福選了這門課，他成為自然科學(xué)班里唯一的學(xué)生.這引起了校長助理利特爾約翰（Littlejohn）博士的注意.許多年后《盧瑟福傳》里記載：“人們常?？吹揭粋€高個子學(xué)生和利特爾約翰博士沿著學(xué)校的大街，一邊散步，一邊討論某些科學(xué)問題，并且還不時地在地上畫圖”.1889年，利特爾約翰博士鼓勵盧瑟福參加新西蘭大學(xué)獎學(xué)金考試，雖然沒有把握，但盧瑟福還是去試了試.

“歐內(nèi)斯特，你考上了！”母親興奮地?fù)]舞著雙手喊著.“考上了什么”盧瑟福一時弄不清母親指的什么.當(dāng)他突然明白了母親的意思后，就甩掉手中的鐵鍬，緩慢平靜地說到“這也許是我挖的最后一個土豆吧”.[1]

1.2 再見了新西蘭

這次獎學(xué)金的獲得是盧瑟福未來登上學(xué)術(shù)高峰的起點，盧瑟福就讀的新西蘭大學(xué)的理學(xué)院所擁有的儀器設(shè)備比起歐洲的一些中學(xué)都還要遜色很多.即使在如此簡陋的條件下，盧瑟福也仍舊進(jìn)行科學(xué)研究，沒有實驗器材，盧瑟福就自己動手設(shè)計和制造.盧瑟福就是在這么一個簡陋、寒冷、四面透風(fēng)的破棚子里完成了他的第一篇高水平論文.1894年，盧瑟福的第一篇論文《使用高頻放電法使鐵磁化》發(fā)表在《新西蘭學(xué)會會報》[2].這使得他獲得了理學(xué)學(xué)士學(xué)位.1895年，年僅24歲的盧瑟福獲得英國“1851獎學(xué)金”（獎金來自1851年的首屆世博會），設(shè)立該獎學(xué)金的目的是為了將英聯(lián)邦自治領(lǐng)土的優(yōu)秀學(xué)生送往英國本土深造.在此之前，盧瑟福已經(jīng)取得了文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士、理學(xué)學(xué)士等學(xué)位——這是新西蘭祖國能夠給他的最高榮譽.毫無疑問，只有出國深造才能使他獲得更高的成就.

1895年，當(dāng)盧瑟福搭上輪船，站在甲板上，回頭望著新西蘭的海岸漸漸隱沒在身后的時候，他的心情是何等的興奮、激動與不舍，他將離開自己生活的故土，將自己的一生奉獻(xiàn)給人類偉大的科學(xué)事業(yè).

1.3 初到卡文迪什

盧瑟福出生的那一年，麥克斯韋創(chuàng)建了卡文迪什實驗室（即劍橋大學(xué)物理系），為了紀(jì)念測量引力常量的H·卡文迪什，英國的W·卡文迪什公爵出資組建該實驗室.24年后，一位24歲的新西蘭青年走進(jìn)卡文迪什實驗室的大門，他的名字叫盧瑟福，作為“1851獎學(xué)金”的獲得者，他將師從J·J·湯姆孫.

1898年12月，居里夫婦在極其艱苦的條件下發(fā)現(xiàn)了另一種放射性元素——鐳.盧瑟福把注意力轉(zhuǎn)移到這個問題的另一方面，盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射線比放射體本身更有研究價值.盧瑟福繼而想從貫穿能力上加以鑒別.于是，就用一系列極薄的鋁箔放在鈾鹽上，而鈾鹽則置于電容器兩平行板之間.加電壓后從串聯(lián)電容器的靜電計上讀取瞬間電流值.盧瑟?？闯鰞煞N不同的變化率，他在題為《鈾輻射和它的電導(dǎo)》中指出輻射具有兩種不同的成分.為了方便起見，盧瑟福將其中一種叫做α射線，另一種叫做β射線.[3]

正當(dāng)盧瑟福打算對放射線深入研究的時候，來自加拿大的專家團(tuán)拜訪了卡文迪什實驗室——他們來訪的目的非常明確——物色加拿大蒙特利爾市的麥吉爾（Mcgill）大學(xué)物理學(xué)教授兼實驗室主任的最佳人選.雖有不舍，但J·J·湯姆孫還是推薦了他的愛徒盧瑟福.就這樣，在卡文迪什學(xué)習(xí)了3年的盧瑟福又一次踏上了開往蒙特利爾的輪船.

2 情系阿爾法，名揚加拿大

2.1 對α粒子的研究

1899年盧瑟福將在卡文迪什實驗室對α射線的研究成果整理成論文《鈾輻射和它產(chǎn)生的電導(dǎo)》，并從加拿大寄出，發(fā)表在歐洲權(quán)威的《哲學(xué)》雜志.但是，α射線的本質(zhì)，盧瑟福也不清楚.經(jīng)過3年的進(jìn)一步研究，在1903年，他終于通過精心設(shè)計的自制儀器，利用超強磁場看到了α射線的偏轉(zhuǎn)，從方向上，盧瑟福判定α射線帶正電荷.接著通過測定比荷，判定α是原子級別的離子流，那么α粒子是什么原子的離子流呢？1909年，盧瑟福利用放電管及光譜實驗做出了斷定：α粒子在失去電荷之后就是氦原子.

2.2 獲得諾貝爾化學(xué)獎的物理學(xué)家

盧瑟福在研究釷的射氣（實際上就是氡氣）時，發(fā)現(xiàn)釷射氣的放射性衰減得很快，后來發(fā)現(xiàn)鐳、錒產(chǎn)生的射氣也有這些特征.為了更好的描述這一規(guī)律，盧瑟福引入了半衰期一詞.盧瑟福指出，鈾、釷和鐳的明顯不變的放射性強度，是因為它們的半衰期比人的壽命長得多.

1904年6月，盧瑟福將他對放射性的研究寫成《放射性》一書，[4]自從出版以來，它就成為這一學(xué)科的經(jīng)典著作.然而關(guān)于放射性的發(fā)現(xiàn)是如此之快，盧瑟福于第2年就開始著手該書的第二版，篇幅擴大了50%，1906年，《放射性》的第二版出版了.瑞利爵士評述此書時說：“他的驚人的行動力已經(jīng)激起了社會上的普遍贊揚，他的學(xué)生在他的鼓勵下，幾年來，差不多每個月都給這門科學(xué)做出重要的貢獻(xiàn)”.

1905年，盧瑟福通過研究鈾礦中的終產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)鈾、鐳、釷原子可以自發(fā)裂解，在裂解的過程中，它們產(chǎn)生α和β粒子.作為這類變化的結(jié)果，最后留下某種要輕些的元素的原子.據(jù)說，盧瑟福在幾年后曾經(jīng)這樣講到：“原子永恒不變的學(xué)說，竟被幾毫克鐳擊得粉碎”.盧瑟福的發(fā)現(xiàn)揭開了物理學(xué)和化學(xué)史上新的一頁.為了表彰盧瑟福在“對元素衰變以及放射化學(xué)的研究”他榮獲了1908年的諾貝爾化學(xué)獎.

1908年11月，盧瑟福在接受獎金后發(fā)表演說：在他的一生中，他曾經(jīng)歷過各種不同的變化，但最快的變化要算這一次了——他竟從物理學(xué)家一下子變成了化學(xué)家.

3 桃李滿天下，心懷國與家

盧瑟福本來打算終身定居加拿大，想不到在1906年收到即將退休的英國曼徹斯特大學(xué)的舒斯特（Schuster）教授的來信，信中問及是否愿意繼任這個職務(wù).1907年1月，盧瑟福接受了曼徹斯特大學(xué)的任命，并于同年10月到任工作.盧瑟福明白只有重返英國，才能近距離感受世界學(xué)術(shù)中心的魅力.

3.1 提出核式結(jié)構(gòu)模型

退休的舒斯特教授給盧瑟福留下了一筆寶貴的財富——助手漢斯·蓋革（Hans Geiger）.利用蓋革所開創(chuàng)的粒子計數(shù)法，盧瑟福發(fā)現(xiàn)在1毫克鐳里，每秒鐘能放出十三萬六千個α粒子，這是一個了不起的發(fā)現(xiàn)，它表明，人類第一次在實驗室里觀察到了單個原子核.[5]盧瑟福在曼徹斯特的最偉大的發(fā)現(xiàn)，也是他一生中最偉大的發(fā)現(xiàn)是原子的核結(jié)構(gòu).盧瑟福認(rèn)為，有一個方法可以獲得原子更為詳盡的知識，這個方法就是打碎原子.當(dāng)時能夠打碎原子的方法只有一個，即從外界轟擊它，最好是使用一種極其微小的射彈，盧瑟福選中的射彈就是α粒子.

1909年，盧瑟福帶領(lǐng)助手蓋革、馬斯頓（Marsden）實施了歷史上著名的α粒子散射實驗.由于馬斯頓還未取得學(xué)位，因此該實驗起初是布置給馬斯頓的一項小型課題：“去驗證一下α粒子射向金箔時，不可能出現(xiàn)大角度散射”，馬斯頓干的很出色，他報告說竟然發(fā)現(xiàn)了大角度散射，基于這一令人驚訝的結(jié)果，后來，蓋革也加入到實驗中.三天后，蓋革告訴盧瑟福，說發(fā)生90°散射的概率是1／8000，然而根據(jù)湯姆孫的棗糕模型計算得到的90°散射的概率是1／（103500）.[6]盧瑟福對此非常驚訝的說道：它是這樣的叫人難以置信，就好像你用15英寸的炮彈射擊一張紙，而炮彈竟然反彈回來把你打中了一樣.他們在1909年以《論α粒子的漫反射》[7]為題發(fā)表了以上結(jié)果.

1911年，盧瑟福提出核模型，其論文《物質(zhì)對α粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)》發(fā)表在當(dāng)年的《哲學(xué)》雜志.雖然在此之前就有學(xué)者提出行星模型，但是盧瑟福的結(jié)論是建立在充分的實驗基礎(chǔ)上，而不是單純的假說.

1912年3月的一天，波爾帶著一篇論文膽怯地去問盧瑟福：“老師，我對您去年提出的原子結(jié)構(gòu)模型有點新的想法，能跟您談?wù)剢?？盧瑟福和藹地說：完全可以！我非常愿意聽聽你的新見解.”波爾滔滔不絕地談了起來，盧瑟福聽得津津有味.最后，盧瑟福熱情地鼓勵波爾：“你的想法很好，發(fā)展和完善了我的模型.你趕快完善論文，我把它推薦給《哲學(xué)》雜志”.第2年波爾的論文一經(jīng)發(fā)表，就一舉成名.還獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎.難怪波爾深情地稱盧瑟福為“第2個父親”.因此核式模型又稱盧瑟?！柲Ｐ?

3.2 當(dāng)代煉金術(shù)

1919年擔(dān)任三一學(xué)院院長的湯姆孫決定卸任卡文迪什實驗室的主任一職，盧瑟福作為繼任者（前三人依次是麥克斯韋、瑞利、湯姆孫）是沒有人會感到意外的.

早在1914年，盧瑟福的學(xué)生馬斯頓在用閃爍鏡觀測α射線在空氣中的射程時，就注意到一些反?，F(xiàn)象——發(fā)現(xiàn)一些射程特別長的粒子.α粒子的射程大約為7 cm，而他得到的卻有長達(dá)40 cm的.盧瑟福沒有放過這一細(xì)節(jié).1917年在寫給波爾的信中，盧瑟福寫到：“我試圖用這種方法把原子擊破”，盧瑟福的實驗裝置及其簡單，如圖2所示.通過活栓可以通入或抽出氣體，放射源可以沿刻度尺左右移動.當(dāng)充入氮氣時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)放射源到閃爍屏的距離超過α粒子射程很多時，仍有閃爍可見.后來盧瑟福的學(xué)生布拉凱特（Blackett）通過威爾遜云室記錄粒子的徑跡，找到了氮氣在α粒子轟擊下產(chǎn)生氫核的證據(jù).以上簡單而又原始的實驗，得到了如此重大的科學(xué)結(jié)論：盧瑟福開創(chuàng)了人工核反應(yīng)的新紀(jì)元——牛頓終其一生研究的“煉金術(shù)”在盧瑟福的手中實現(xiàn)了.1937年，盧瑟福出版《當(dāng)代煉金術(shù)》.[8]

圖2

盧瑟福將從氮中轟擊出來的粒子稱為質(zhì)子.于是就有人提出α粒子應(yīng)該由4個質(zhì)子組成，但其中有兩個質(zhì)子各自黏住了一個電子，于是α粒子的質(zhì)量為4，帶電量為+2.盧瑟福開始也有相同的想法，但后來他更近了一步，他認(rèn)為，自然界喜歡簡單，與其假設(shè)質(zhì)子黏有一個電子去中和質(zhì)子的電量，還不如直接假設(shè)存在一種不帶電而質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量幾乎相同的中性粒子，1920年，盧瑟福在法國講學(xué)時首次提出了中子的概念.[9]而發(fā)現(xiàn)中子的任務(wù)則留給了他的學(xué)生查德威克（Chadwick）.1932年2月27日查德威克在《自然》雜志上發(fā)表了題為《中子存在的可能性》的文章.[10]

2.3 勇往直前的鱷魚

盧瑟福的學(xué)生蘇聯(lián)籍的卡皮查（Kapitza）給他起了一個外號——鱷魚.并把鱷魚徽章裝飾在他的實驗室的門口.因為鱷魚在碧波中總是照直向前，從不回頭，以此贊譽他們老師勇往直前的堅毅性格.[11]當(dāng)人們評論盧瑟福的成就時，總要提到他“桃李滿天下”.研究生寫出的論文，盧瑟?？傄屑?xì)審閱和修改直至滿意，才推薦出去發(fā)表，他付出很大精力幫助別人搞研究而得出成果，但是在發(fā)表時卻從不寫上自已的名字[12].在盧瑟福的悉心培養(yǎng)下，他的學(xué)生和助手獲諾貝爾獎的情況，如表1所示.

表1

盧瑟福的實驗室被后人稱為“諾貝爾獎得主的幼兒園”.正因為如此，新西蘭的教育部長鮑伊斯稱盧瑟福是“現(xiàn)代科學(xué)之父”，[13]1931年盧瑟福成為納爾遜男爵.[14]

特別值得提出的是盧瑟福對我國一些物理學(xué)家的關(guān)心和愛護(hù).趙忠堯、張文裕、顏任光等都先后在卡文迪什實驗室做過盧瑟福的學(xué)生，受過他的關(guān)懷和教誨.趙忠堯1933年寫的《硬γ射線與原子核的相互作用》一文，就是由盧瑟福推薦和批注后在《自然》雜志上發(fā)表的.[15]

當(dāng)法西斯驅(qū)逐、迫害猶太學(xué)者時，盧瑟福堅定地站在受迫害的一邊.從1933年起，他主動擔(dān)任了學(xué)術(shù)界救援委員會主席，為那些流落英國的學(xué)者解決生計.

1937年8月21日，盧瑟福在《自然》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于氫同位素“氚”的研究的文章.但兩個月后的10月19日盧瑟福卻突然逝世.在彌留之際，他對守候的夫人說：“我要留給新西蘭的納爾遜中學(xué)一筆獎學(xué)金”.盧瑟福被安葬在威斯敏斯特教堂，墓地就在牛頓和開爾文旁邊.他的頭像出現(xiàn)在新西蘭貨幣的最大面值100元上面，作為國家對他最崇高的敬意和紀(jì)念，如圖3所示.為了紀(jì)念盧瑟福，人工合成的第104號元素被命名為盧瑟福（Rutherfordium，漢字寫作）.

圖3

1971年，新西蘭、蘇聯(lián)、羅馬尼亞、加拿大等國家發(fā)行郵票紀(jì)念盧瑟福誕辰100周年.[16]

“科學(xué)家不是依靠于個人的思想，而是綜合了幾千人的智慧，并且每人做他的部分工作，添加到正在建立起來的偉大知識的大廈之中”——歐內(nèi)斯特·盧瑟福.