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        盧瑟福:揭開原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的秘密

        2018-02-22 08:55:57尹傳紅王敘
        關(guān)鍵詞:盧瑟福物理學(xué)家射線

        尹傳紅王敘

        “這是我挖的最后一個土豆了”

        外表粗獷、性情豪放、留著一把海象式胡須的盧瑟福,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?!?/p>

        作為英國移民的后代,出生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,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??傻搅俗詈箨P(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,好運便順理成章地降臨在盧瑟福身上。

        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電的微粒,其質(zhì)量僅僅是氫原子質(zhì)量的一個很小的分數(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)明了用物理技巧去標(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?。灰环N比較活躍,穿透力強,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>

        盧瑟福進一步研究確認,α射線帶正電,實則是一種高速運動的氦離子流,即失去了電子的氦原子流;β射線帶負電,實則是一種高速運動的電子流。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。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)。

        進而,他們在1902年提出了原子嬗變假說,認為放射性物質(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為的那樣永遠不變、不可分割。放射性可以看作是原子內(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。

        科學(xué)直覺超強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,盧瑟福回到英國,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。為紀念他,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。endprint

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