爱做实验的卢瑟福

李采林

卢瑟福在1871年8月30日生于新西兰纳尔逊附近的泉林村。父亲是农民，母亲是乡村教师。他在上小学时就对科学实验产生了兴趣。由于成绩优秀，学习期间曾获得一系列奖学金。1894年从坎特布雷学院毕业时，以该校空前的数学和物理双第一名的成绩获得硕士学位，还因无线电实验研究方面作出成绩而获理学学士学位。毕业后留校工作了一年。1895年考取大英博览会奖学金，进入英国剑桥大学卡文迪许实验室学习。开始时是以研究无线电为主，用自己的发射器和检波器实现了3.2 km的收发距离。意大利人马可尼后来的成就中包括了对卢瑟福检波器的改进，但卢瑟福不计较个人名利，未与马可尼争夺无线电发明的优先权，还在1932年5月3日向马可尼颁发奖章时赞扬了马可尼的功绩。

1896年春末，卢瑟福接受卡文迪许实验室主任汤姆生的建议，把研究方向转到放射性上。1897年卢瑟福发现，铀射线由两种成分组成，一种是易被吸收的射线，他称之为α射线；另一种是穿透性强的射线，他称之为β射线。同时他还根据实验预言，可能存在一种穿透能力更强的射线，这就是后来发现的并由他命名的γ射线。

1898年卢瑟福在卡文迪许实验室研究生毕业后，由汤姆生推荐，到加拿大的麦吉尔大学任物理学教授。除教学之外，他继续研究放射性。与来自英国的青年化学家索迪合作，于1902年首先发现了放射性元素的半衰期，提出放射性是元素自发的衰变现象，并指出光谱实验表明原子有一个很复杂的结构。1903年5月，他和索迪根据α射线和β射线在电场和磁场中的偏转度，辨别出它们分别由带正、负电的粒子构成。并指出放射性元素的原子在衰变时释放粒子而变成性质不同的新元素，列出了早期的镭、钍、铀的衰变图谱，确认α射线的能量占放射性元素辐射能量的99%以上，为他们后来以α射线作为研究原子结构的炮弹提供了根据。1905年他应用放射性元素的含量及其半衰期，计算出太阳的寿命约为50亿年，开创了用放射性元素半衰期计算矿石、古物和天体年纪的先河。

卢瑟福在放射性研究上取得的一系列重大成果，使他扬名于世。1907年，他谢绝了一些著名大学的高薪聘请而出任英国曼彻斯特大学的物理学教授，因为该校有设备先进的实验室和优越的科研条件。卢瑟福对α、β、γ射线做了大量的研究。1908年，他测算出β射线的电荷。1913年，他提出α粒子的带电量为2e，原子量为3.84，认为α粒子失去电荷后应变成氦原子。1913～1914年，他与人合作，测定γ射线的性质和波长，确认γ射线是一种比X射线频率更高的电磁辐射。

卢瑟福早就有用α射线探索原子结构的想法。1903年他就发现α射线的能量比β和γ射线大99倍左右，1906年他又发现α射线通过云母片时，出现了偏转2°的小角度散射现象。1908年6月，盖革发现α射线的散射角与靶材料的原子量成正比。同年10月，布拉格写信给卢瑟福，告诉他用α粒子轰击原子时发生α粒子急转弯的现象。这些现象促使他和盖革决定用重金属靶进行散射实验。1909年3月，卢瑟福向正在做实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应?”结果，马斯登发现了等于和大于90°的大角度散射现象。卢瑟福以特有的洞察力和直觉，抓住这个反常现象，从原子内存在强电场的思想出发，于1911年构思出原子的核式结构模型。1912年，盖革和马斯登用实验证实了带正电的原子核的存在。1913年莫塞莱用元素特征谱线与原子序数的关系证实了核外电子环的存在。

1918年，卢瑟福继汤姆生之后，担任卡文迪许实验室领导，将卡文迪许实验室发展到一个新的高峰。将物质微观结构的研究推向崭新的阶段，同时也培养出了许多青年科学家。

卢瑟福是20世纪初最伟大的实验物理学家，他于1908年获得诺贝尔化学奖。一生发表论文约215篇，著作6种，培养了10位诺贝尔奖获得者。1937年10月19日患肠阻塞并发症逝世，葬于伦敦威斯敏斯特大教堂牛顿墓旁。