纪念原子核物理学家E·卢瑟福诞辰150周年

2021-11-04田川

物理教师 2021年10期

关键词：卢瑟福新西兰粒子

田川

（重庆市第八中学校，重庆 400030）

卢瑟福的一生充满着各种各样的传奇故事，他的一生大致可分为3个阶段：在新西兰和卡文迪什实验室的求学经历、在加拿大9年的工作经历、再次返回英国，并先后领衔曼彻斯特实验室和卡文迪什实验室的经历，如图1所示.

图1 卢瑟福的人生轨迹

1 寒门出贵子，学海永无涯

欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一处移民区.父亲是来自苏格兰的移民，父亲的主要工作是种植亚麻和裁锯铁路所需的枕木，母亲则是当地的一名乡村小学教员.枕木所需的木材需父亲亲自到丛林中采伐.为了维持生计，作为次子的卢瑟福稍大就帮着双亲开垦土地，而小卢瑟福则耐心地刨去整个树根.然后，一家人借着傍晚的那点亮光抓紧种下农作物.为了使小麦不得锈病，小卢瑟福要不停地用双手来回搓揉麦粒.卢瑟福所特有的品质，诸如单纯率直、心胸宽广、不计得失、热心谦逊、勤俭坚毅以及对教育的尊崇，无需远溯，只要从他父母身上，便可看到这些品质的渊源.

1.1 最后一个土豆

虽然家庭并不富裕，但卢瑟福的童年生活还是愉快的.下水捕鱼，上山打猎，掏不完的鸟窝，望不尽的田野.5岁时，进入村里的一所学校，卢瑟福学习成绩虽然优秀，但并没有显露出有朝一日要成为科学家的任何迹象.作为小学教员的母亲有一本曼彻斯特大学斯徒亚特（Stewart）教授写的自然科学教材，小卢瑟福对这本书倒是如痴如醉、废寝忘食.

1886年15岁的卢瑟福凭借580分（总分600）获得奖学金进入纳尔逊中学.当时新西兰的中学里自然科学被列为选修课，令人惊讶的是，只有卢瑟福选了这门课，他成为自然科学班里唯一的学生.这引起了校长助理利特尔约翰（Littlejohn）博士的注意.许多年后《卢瑟福传》里记载：“人们常常看到一个高个子学生和利特尔约翰博士沿着学校的大街，一边散步，一边讨论某些科学问题，并且还不时地在地上画图”.1889年，利特尔约翰博士鼓励卢瑟福参加新西兰大学奖学金考试，虽然没有把握，但卢瑟福还是去试了试.

“欧内斯特，你考上了！”母亲兴奋地挥舞着双手喊着.“考上了什么”卢瑟福一时弄不清母亲指的什么.当他突然明白了母亲的意思后，就甩掉手中的铁锹，缓慢平静地说到“这也许是我挖的最后一个土豆吧”.[1]

1.2 再见了新西兰

这次奖学金的获得是卢瑟福未来登上学术高峰的起点，卢瑟福就读的新西兰大学的理学院所拥有的仪器设备比起欧洲的一些中学都还要逊色很多.即使在如此简陋的条件下，卢瑟福也仍旧进行科学研究，没有实验器材，卢瑟福就自己动手设计和制造.卢瑟福就是在这么一个简陋、寒冷、四面透风的破棚子里完成了他的第一篇高水平论文.1894年，卢瑟福的第一篇论文《使用高频放电法使铁磁化》发表在《新西兰学会会报》[2].这使得他获得了理学学士学位.1895年，年仅24岁的卢瑟福获得英国“1851奖学金”（奖金来自1851年的首届世博会），设立该奖学金的目的是为了将英联邦自治领土的优秀学生送往英国本土深造.在此之前，卢瑟福已经取得了文学学士、文学硕士、理学学士等学位——这是新西兰祖国能够给他的最高荣誉.毫无疑问，只有出国深造才能使他获得更高的成就.

1895年，当卢瑟福搭上轮船，站在甲板上，回头望着新西兰的海岸渐渐隐没在身后的时候，他的心情是何等的兴奋、激动与不舍，他将离开自己生活的故土，将自己的一生奉献给人类伟大的科学事业.

1.3 初到卡文迪什

卢瑟福出生的那一年，麦克斯韦创建了卡文迪什实验室（即剑桥大学物理系），为了纪念测量引力常量的H·卡文迪什，英国的W·卡文迪什公爵出资组建该实验室.24年后，一位24岁的新西兰青年走进卡文迪什实验室的大门，他的名字叫卢瑟福，作为“1851奖学金”的获得者，他将师从J·J·汤姆孙.

1898年12月，居里夫妇在极其艰苦的条件下发现了另一种放射性元素——镭.卢瑟福把注意力转移到这个问题的另一方面，卢瑟福发现放射线比放射体本身更有研究价值.卢瑟福继而想从贯穿能力上加以鉴别.于是，就用一系列极薄的铝箔放在铀盐上，而铀盐则置于电容器两平行板之间.加电压后从串联电容器的静电计上读取瞬间电流值.卢瑟福看出两种不同的变化率，他在题为《铀辐射和它的电导》中指出辐射具有两种不同的成分.为了方便起见，卢瑟福将其中一种叫做α射线，另一种叫做β射线.[3]

正当卢瑟福打算对放射线深入研究的时候，来自加拿大的专家团拜访了卡文迪什实验室——他们来访的目的非常明确——物色加拿大蒙特利尔市的麦吉尔（Mcgill）大学物理学教授兼实验室主任的最佳人选.虽有不舍，但J·J·汤姆孙还是推荐了他的爱徒卢瑟福.就这样，在卡文迪什学习了3年的卢瑟福又一次踏上了开往蒙特利尔的轮船.

2 情系阿尔法，名扬加拿大

2.1 对α粒子的研究

1899年卢瑟福将在卡文迪什实验室对α射线的研究成果整理成论文《铀辐射和它产生的电导》，并从加拿大寄出，发表在欧洲权威的《哲学》杂志.但是，α射线的本质，卢瑟福也不清楚.经过3年的进一步研究，在1903年，他终于通过精心设计的自制仪器，利用超强磁场看到了α射线的偏转，从方向上，卢瑟福判定α射线带正电荷.接着通过测定比荷，判定α是原子级别的离子流，那么α粒子是什么原子的离子流呢？1909年，卢瑟福利用放电管及光谱实验做出了断定：α粒子在失去电荷之后就是氦原子.

2.2 获得诺贝尔化学奖的物理学家

卢瑟福在研究钍的射气（实际上就是氡气）时，发现钍射气的放射性衰减得很快，后来发现镭、锕产生的射气也有这些特征.为了更好的描述这一规律，卢瑟福引入了半衰期一词.卢瑟福指出，铀、钍和镭的明显不变的放射性强度，是因为它们的半衰期比人的寿命长得多.

1904年6月，卢瑟福将他对放射性的研究写成《放射性》一书，[4]自从出版以来，它就成为这一学科的经典著作.然而关于放射性的发现是如此之快，卢瑟福于第2年就开始着手该书的第二版，篇幅扩大了50%，1906年，《放射性》的第二版出版了.瑞利爵士评述此书时说：“他的惊人的行动力已经激起了社会上的普遍赞扬，他的学生在他的鼓励下，几年来，差不多每个月都给这门科学做出重要的贡献”.

1905年，卢瑟福通过研究铀矿中的终产物发现铀、镭、钍原子可以自发裂解，在裂解的过程中，它们产生α和β粒子.作为这类变化的结果，最后留下某种要轻些的元素的原子.据说，卢瑟福在几年后曾经这样讲到：“原子永恒不变的学说，竟被几毫克镭击得粉碎”.卢瑟福的发现揭开了物理学和化学史上新的一页.为了表彰卢瑟福在“对元素衰变以及放射化学的研究”他荣获了1908年的诺贝尔化学奖.

1908年11月，卢瑟福在接受奖金后发表演说：在他的一生中，他曾经历过各种不同的变化，但最快的变化要算这一次了——他竟从物理学家一下子变成了化学家.

3 桃李满天下，心怀国与家

卢瑟福本来打算终身定居加拿大，想不到在1906年收到即将退休的英国曼彻斯特大学的舒斯特（Schuster）教授的来信，信中问及是否愿意继任这个职务.1907年1月，卢瑟福接受了曼彻斯特大学的任命，并于同年10月到任工作.卢瑟福明白只有重返英国，才能近距离感受世界学术中心的魅力.

3.1 提出核式结构模型

退休的舒斯特教授给卢瑟福留下了一笔宝贵的财富——助手汉斯·盖革（Hans Geiger）.利用盖革所开创的粒子计数法，卢瑟福发现在1毫克镭里，每秒钟能放出十三万六千个α粒子，这是一个了不起的发现，它表明，人类第一次在实验室里观察到了单个原子核.[5]卢瑟福在曼彻斯特的最伟大的发现，也是他一生中最伟大的发现是原子的核结构.卢瑟福认为，有一个方法可以获得原子更为详尽的知识，这个方法就是打碎原子.当时能够打碎原子的方法只有一个，即从外界轰击它，最好是使用一种极其微小的射弹，卢瑟福选中的射弹就是α粒子.

1909年，卢瑟福带领助手盖革、马斯顿（Marsden）实施了历史上著名的α粒子散射实验.由于马斯顿还未取得学位，因此该实验起初是布置给马斯顿的一项小型课题：“去验证一下α粒子射向金箔时，不可能出现大角度散射”，马斯顿干的很出色，他报告说竟然发现了大角度散射，基于这一令人惊讶的结果，后来，盖革也加入到实验中.三天后，盖革告诉卢瑟福，说发生90°散射的概率是1／8000，然而根据汤姆孙的枣糕模型计算得到的90°散射的概率是1／（103500）.[6]卢瑟福对此非常惊讶的说道：它是这样的叫人难以置信，就好像你用15英寸的炮弹射击一张纸，而炮弹竟然反弹回来把你打中了一样.他们在1909年以《论α粒子的漫反射》[7]为题发表了以上结果.

1911年，卢瑟福提出核模型，其论文《物质对α粒子的散射和原子结构》发表在当年的《哲学》杂志.虽然在此之前就有学者提出行星模型，但是卢瑟福的结论是建立在充分的实验基础上，而不是单纯的假说.

1912年3月的一天，波尔带着一篇论文胆怯地去问卢瑟福：“老师，我对您去年提出的原子结构模型有点新的想法，能跟您谈谈吗？卢瑟福和蔼地说：完全可以！我非常愿意听听你的新见解.”波尔滔滔不绝地谈了起来，卢瑟福听得津津有味.最后，卢瑟福热情地鼓励波尔：“你的想法很好，发展和完善了我的模型.你赶快完善论文，我把它推荐给《哲学》杂志”.第2年波尔的论文一经发表，就一举成名.还获得了1922年的诺贝尔物理学奖.难怪波尔深情地称卢瑟福为“第2个父亲”.因此核式模型又称卢瑟福—波尔模型.

3.2 当代炼金术

1919年担任三一学院院长的汤姆孙决定卸任卡文迪什实验室的主任一职，卢瑟福作为继任者（前三人依次是麦克斯韦、瑞利、汤姆孙）是没有人会感到意外的.

早在1914年，卢瑟福的学生马斯顿在用闪烁镜观测α射线在空气中的射程时，就注意到一些反常现象——发现一些射程特别长的粒子.α粒子的射程大约为7 cm，而他得到的却有长达40 cm的.卢瑟福没有放过这一细节.1917年在写给波尔的信中，卢瑟福写到：“我试图用这种方法把原子击破”，卢瑟福的实验装置及其简单，如图2所示.通过活栓可以通入或抽出气体，放射源可以沿刻度尺左右移动.当充入氮气时，发现当放射源到闪烁屏的距离超过α粒子射程很多时，仍有闪烁可见.后来卢瑟福的学生布拉凯特（Blackett）通过威尔逊云室记录粒子的径迹，找到了氮气在α粒子轰击下产生氢核的证据.以上简单而又原始的实验，得到了如此重大的科学结论：卢瑟福开创了人工核反应的新纪元——牛顿终其一生研究的“炼金术”在卢瑟福的手中实现了.1937年，卢瑟福出版《当代炼金术》.[8]

图2

卢瑟福将从氮中轰击出来的粒子称为质子.于是就有人提出α粒子应该由4个质子组成，但其中有两个质子各自黏住了一个电子，于是α粒子的质量为4，带电量为+2.卢瑟福开始也有相同的想法，但后来他更近了一步，他认为，自然界喜欢简单，与其假设质子黏有一个电子去中和质子的电量，还不如直接假设存在一种不带电而质量与质子质量几乎相同的中性粒子，1920年，卢瑟福在法国讲学时首次提出了中子的概念.[9]而发现中子的任务则留给了他的学生查德威克（Chadwick）.1932年2月27日查德威克在《自然》杂志上发表了题为《中子存在的可能性》的文章.[10]

2.3 勇往直前的鳄鱼

卢瑟福的学生苏联籍的卡皮查（Kapitza）给他起了一个外号——鳄鱼.并把鳄鱼徽章装饰在他的实验室的门口.因为鳄鱼在碧波中总是照直向前，从不回头，以此赞誉他们老师勇往直前的坚毅性格.[11]当人们评论卢瑟福的成就时，总要提到他“桃李满天下”.研究生写出的论文，卢瑟福总要仔细审阅和修改直至满意，才推荐出去发表，他付出很大精力帮助别人搞研究而得出成果，但是在发表时却从不写上自已的名字[12].在卢瑟福的悉心培养下，他的学生和助手获诺贝尔奖的情况，如表1所示.

表1

卢瑟福的实验室被后人称为“诺贝尔奖得主的幼儿园”.正因为如此，新西兰的教育部长鲍伊斯称卢瑟福是“现代科学之父”，[13]1931年卢瑟福成为纳尔逊男爵.[14]

特别值得提出的是卢瑟福对我国一些物理学家的关心和爱护.赵忠尧、张文裕、颜任光等都先后在卡文迪什实验室做过卢瑟福的学生，受过他的关怀和教诲.赵忠尧1933年写的《硬γ射线与原子核的相互作用》一文，就是由卢瑟福推荐和批注后在《自然》杂志上发表的.[15]

当法西斯驱逐、迫害犹太学者时，卢瑟福坚定地站在受迫害的一边.从1933年起，他主动担任了学术界救援委员会主席，为那些流落英国的学者解决生计.

1937年8月21日，卢瑟福在《自然》杂志发表了一篇关于氢同位素“氚”的研究的文章.但两个月后的10月19日卢瑟福却突然逝世.在弥留之际，他对守候的夫人说：“我要留给新西兰的纳尔逊中学一笔奖学金”.卢瑟福被安葬在威斯敏斯特教堂，墓地就在牛顿和开尔文旁边.他的头像出现在新西兰货币的最大面值100元上面，作为国家对他最崇高的敬意和纪念，如图3所示.为了纪念卢瑟福，人工合成的第104号元素被命名为卢瑟福（Rutherfordium，汉字写作）.