卢瑟福：揭开原子内部结构的秘密

尹传红+王叙

欧内斯特·卢瑟福成功地解释了原子及其结构的各种复杂关系，深化了对元素蜕变以及放射化学的研究，从而开创了原子物理学这一科学新领域，被公认为是继法拉第之后最伟大的实验物理学家。

“这是我挖的

最后一个土豆了”

外表粗犷、性情豪放、留着一把海象似胡须的卢瑟福，怎么看都不像是一个做学问的人。在他功成名就之后，他的一位得过诺贝尔奖的学生詹姆斯·查德威克对他有过这样一番描述：“卢瑟福看起来更像是一个成功的商人，或是大农场主，而不像是学者……”。而他本人年少时曾希望长大以后当一个农民。

1895年夏初的一天，当卢瑟福做乡村教师的母亲带给他一个行将改变自己命运的喜讯时，他正在他父亲经营的农场里干活。据说他听罢马上甩掉手中的铁锹，以他特有的大嗓门嚷道：“这是我挖的最后一个土豆了”。

事发偶然，甚至有点儿戏剧性，却又有着某种必然。

作为英国移民的后代，出身于新西兰的卢瑟福一贯成绩优异，并表现出超常的实验动手能力。课余时间，他喜欢摆弄钟表、拆解东西、制造各种模型。他在坎特伯雷学院拿到了文科硕士学位，同时获颁数学和物理学两个一等荣誉，并因此受到资助鼓励继续攻读，又取得了理学学士学位。

这个时候，英国为英属地青年学者设立的一项奖学金开始了本年度的推选，全新西兰只有一个名额。卢瑟福起初是被主考官认定的两名奖学金候选人之一，但被排在了第二位，他提交的研究论文是关于电磁波研究的最新实验报告。可到了最后关头，先被选中的那个研究黄金处理的候选人突然决定结婚，留在新西兰，好运便顺利成章地降临在卢瑟福身上。

这是卢瑟福人生事业的一个重要转折。也就在这一年的岁尾，物理学领域出现了一个石破天惊的意外。

亚原子粒子世界的

大门被打开

1895年11月8日，德国物理学家威廉·伦琴在研究阴极射线时，无意中发现了一种能够穿透玻璃、木头乃至人体等许多不同类型物质的神奇放射物，他将其命名为X射线（后被证实是波长比可见光短的电磁辐射的一种形式），从而引发了科学界探究这一新现象本质的热潮。

几个月后，法国物理学家亨利·贝克勒尔在进一步研究X射线时十分偶然地发现，铀盐（含铀矿物）也会发出某种穿透性很强的未知射线。这种自发放射出的“铀射线”和X射线一样，能把周围的空气变为导电体，使验电器放电。

“铀射线”也引起了法国物理学家居里夫妇的极大兴趣，他们把这种放射现象称为“放射性”，同时在思考：铀化合物不断地以辐射形式发出的能量来自哪里？这种辐射的性质究竟是什么？

24岁的卢瑟福就在这节骨眼上进入剑桥大学卡文迪什实验室，在实验室主任、著名物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙手下做研究。时年39岁的汤姆孙是电磁学领域的一流专家，而且善于识人、用人、带团队，他很快便看出卢瑟福非同寻常、可堪大用，遂建议其研究X射线对气体放电的影响。不久，卢瑟福发现X射线会电离气体分子。汤姆孙就此提出了电离理论，说明在X射线作用下气体会生成等量的正电离子和负电离子（后来这成为检验X射线存在的方法）。

汤姆孙同时还在研究阴极射线。1897年，他用实验证明阴极射线实际上是一种带负电的微粒，其质量仅仅是氢原子质量的一个很小的分数值（后来确知此值约为1/1836），而其电荷却与氢离子的带电量相同。电子，就这样被发现了（汤姆孙因此获得了1906年的诺贝尔物理学奖），亚原子粒子世界的大门随之被打开。

原子内部发生了什么？

这一时期，卢瑟福对放射性的研究也取得了重要进展。当居里夫人找到化学方法分离铀的时候，他另辟蹊径发明了物理技巧去标定与放射性有关的辐射。他既分析包含有多种成分的辐射，也分析放射性物质自身的变化。

在实验中，卢瑟福用多层铝箔包裹铀，以此检测“铀射线”的穿透力。他发现，铀放射源发出了两种不同的射线。一种不太活跃，穿透力弱，辐射范围小；一种比较活跃，穿透力强，辐射范围大，而且不易被空气吸收。他把前一种射线命名为“α射线”，后一种命名为“β射线”。由于这两种射线都是由高速粒子组成的，所以常常又称它们为“α粒子”和“β粒子”。

卢瑟福进一步研究确认，α射线带正电，实则是一种高速运动的氦离子流，即失去了电子的氦原子流；β射线带负电，实则是一种高速运动的电子流。1900年，法国物理学家保罗·维拉德发现，在镭的辐射中还有一种不受磁场影响（而发生偏转）的成分，其穿透力比β射线更强。卢瑟福通过实验证明这种射线是高能量的电磁波，并命名为“γ射线”。

1901年，在加拿大麦基尔大学担任物理学教授的卢瑟福，与来自英国的化学家弗雷德里克·索迪合作，继续探索放射性物质。他们把铀和钍进行化学处理并研究它们的辐射过程，证实铀和钍在整个辐射过程中依次转变成了一系列的中间元素，直到变成一种稳定形式（即没有放射性的另一种元素）。进而，他们在1902年提出了原子嬗变假说，认为放射性物质由一些不稳定的原子组成，每单位时间都有确定的一部分原子通过发射（α 、β、γ）射线而衰变成不同性质的另一种新原子。

而且，每种放射性物质都有特定的半衰期（样品中半数原子发生衰变所需的时间）。这意味着，原子并非像原来人们所认为的那样永远不变、不可分割。放射性可以看做是原子内部发生某种基本变化的暗示，或是一种能够使物质变化的手段。

然而，更大的惊奇还在后面。

从物理学家蜕变成化学家

1902年，31岁的卢瑟福写信给母亲说：“我必须坚持往前走，因为总是有其他人与我的研究路线相同。为了保持领先，我必须尽快发表目前的研究成果。”这一年，他与索迪在《放射性的原因和性质》这篇论文中，报告了他们有关放射性性质的结论。

在他们看来，辐射是原子衰变的产物，亦是一种探索原子的工具。通过定量分析出这些衰变过程放出的巨大能量，他们认为，放射性变化的能量一定至少是化学变化能量的2万倍，并且可能是百万倍，大大高于任何分子变化的能量。

“实验室里的某个傻瓜，”卢瑟福在笔记本中写道：“很有可能在自己还不知道的情况下，触发一连串原子蜕变，把宇宙给炸开了花。”放射性元素能量的集结、人工造成的核衰变，都让他感到有可能造成巨大的灾难，因而他希望在取得世界和平前，科学家不要研究怎样释放紧紧束缚在原子中的能量。

科学直觉超强的卢瑟福还敏锐地意识到，放射性物质稳定的衰减速度（半衰期）可以用来确定岩石的年龄，即推测其形成的年代，这样他就“意外”地开创了放射性测定年代新学科。

1907年，卢瑟福回到英国，被聘为曼彻斯特大学物理学教授。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”，卢瑟福荣获1908年诺贝尔化学奖。在作领奖演说时他打趣道：“在我的一生中，经历过各种不同的变化，但最快的一次变化要算这次了，一夜之间我从物理学家蜕变成了化学家！”

功勋卓著、声誉日隆的卢瑟福没有停止探索创新的步伐。1911年，他发现了原子的核式结构，即几乎所有的原子质量都聚集在原子中央一个非常细小的“原子核”内（这一原子结构的“行星模型”理论后来由他的学生、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔完善）。1919年，刚刚成为剑桥大学卡文迪什物理学教授的卢瑟福利用α粒子轰击氮原子，成功地将氮原子核转变成氧原子核，在人类历史上首次通过实验实现了原子核的人工转变，也是第一次成功地、有目的地使一种元素转变成另一种元素。

这一创举同时也第一次探测到了质子——实则是只带正电的氢原子核，即失去了电子的氢原子。1920年，卢瑟福还大胆预言，原子核中一定还存在另外一种不带电的、可平衡质子之间作用力的中性粒子，即“中子”。12年后，他的学生查德威克用实验证实了他的猜想。中子的发现从实验方面导致了中子核反应、核裂变等现象的研究，迎来了核能利用的新时代。1934年，卢瑟福与两位同行在实验室中首次观察到了核聚变反应……。

1937年10月19日，卢瑟福在英国剑桥逝世，享年66岁。他被安葬于伦敦威斯敏斯特大教堂，牛顿墓近旁。为纪念他，第104号元素（一种人工合成的放射性元素）被以他的名字命名为Rutherfordium，符号为Rf。