探索比原子更小的世界

編譯：二宗主

對於一名研究人員而言，如果能夠在對的時間，出現在對的地方，進行對的研究，那將是莫大的幸運。歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）就是這麼一位傳奇的物理學家。

1871年8月30日，盧瑟福出生於紐西蘭的尼爾森，在一個有7個兒子和5個女兒的家庭里，他是第4個孩子，也是第2個兒子。盧瑟福在公立學校接受了他的早期教育。1889年，他獲得大學獎學金，進入紐西蘭惠靈頓大學。1893年，他以數學和物理科學雙學士學位畢業，畢業之後，他繼續在大學裡作為研究人員工作了一小段時間。1894年，他獲得獎學金，得以前往劍橋大學三一學院學習，在約瑟夫·約翰·湯姆森（J.J. Thomson）的指導下，他在卡文迪什實驗室從事研究工作。

就在他到達英國不久之後，科學界便宣布了幾個重要的發現：X射線、放射性和電子。當時的盧瑟福堅信，自然界中存在著比原子還小的物體。於是，他將研究重心轉向了對放射性的理解。

盧瑟福的才能很快得到湯姆森的賞識。在卡文迪什實驗室初期，他發明了一種電磁波探測器。通過與湯姆森一起，他們研究了離子在被X射線處理過的氣體中的行為，到了1897年，他研究了離子的遷移率與電場強度之間的關係，還研究了一些相關課題，比如光電效應等。1898年，他報告了鈾輻射中存在α和β射線，並指明了它們的一些性質。

同年，由於加拿大麥吉爾大學的麥克唐納物理系主任一職空缺，他得到了擔任這一職務的機會。在那裡，他取得了幾項開創性的成果，這包括：

發現了氡（Rn），

證明了放射現象只是某些元素的自然嬗變，

證實了α粒子可以在電場和磁場中發生偏轉，

確定了礦物的年代，計算出了地球的年齡。

1900年，牛津大學的化學家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）來到麥吉爾大學，他與盧瑟福一起合作，共同創立了放射性的「衰變理論」，他們認為放射性現象是一種原子過程，而不是分子過程。這一理論得到了大量實驗證據的支持，大量新的放射性物質相繼被發現。

在曼徹斯特的日子

1907年，盧瑟福返回英國，成為曼徹斯特大學的物理教授。在那裡，他開始繼續跟進麥吉爾大學的實驗。他注意到當一束α粒子穿過空氣或一層薄薄的雲母片時，就會變得模糊，其散射角度大約為2°，這表明存在強度為100MV/cm的電場。因此盧瑟福斷定，原子內一定有很強的電場存在。

在曼徹斯特，盧瑟福有了一個助手，漢斯·蓋格（Hans Geiger）。蓋格精確地測量了這些以小角度從金箔散射的α粒子的數量。1909年，在盧瑟福的指導下，蓋格和一名當時年僅20歲的本科生歐內斯特·馬斯登（Ernest Marsden）對一個新課題展開了研究。盧瑟福讓他們通過實驗來研究α粒子是否會從金屬塊上散射。很快，馬斯登便發現α粒子的確是會散射的，而且哪怕使用的不是金屬塊，只是一片金箔片，也會出現到這種現象。這完全出乎他們的意料。

之後，盧瑟福終於想通了原子的結構，他提出了「原子核」的概念，他認為在原子的中心，有一個只佔據了原子千分之一大小的核結構。這是他對物理學的最大貢獻。在他的理論中，原子核基本上構成了整個原子的質量，並且原子的所有正電荷都集中在中心的一小塊空間里。

1912年尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）加入了盧瑟福在曼徹斯特的研究團隊，他將盧瑟福的核結構與馬克斯·普朗克（Max Planck）的量子理論相結合，得到了一個原子結構的理論，在後來得到改進之後，這個理論沿用至今。

在1913年前後，盧瑟福要求馬斯登用α粒子和輕原子（尤其是氫原子）來玩「彈珠」遊戲。經典計算表明，當一個α粒子與一個氫原子核正面碰撞時，會導致氫以1.6倍的速度反衝，其反衝範圍是擊中它的α粒子的4倍。質量較小、電荷較少的氫的反衝可以通過探測屏幕上較輕微的閃光而被觀測到，屏幕所在的位置遠遠大於α粒子的傳播範圍。

馬斯登將它觀測到的這種長射程的粒子命名為「H」粒子，它們是從氫氣和富含氫的材料薄膜（如固體石蠟）中產生的。他還注意到，α粒子在空氣中運動也可以產生這種長射程的H粒子。但他不知道它們具體是如何產生的，有人提出可能是氣體中的水蒸氣、儀器中吸收的水，甚至有可能是α粒子源產生的輻射。

到了1914年中，他們的合作接近了尾聲。在接受紐西蘭的一份工作之前，馬斯登完整地寫下了他在這段時期所作的研究工作。與此同時，盧瑟福起航前往加拿大和美國進行演講，在返回到曼徹斯特的三天之前，歐洲宣戰了。

原子衰變

1915年1月，盧瑟福終於通過北大西洋的U型潛艇回到了曼徹斯特。那時，曼徹斯特已經完全變成了另一個世界，年輕人都去打仗了。為了幫助海軍部，盧瑟福將他的研究轉向了另一個問題：如何在水下探測潛水艇。這是當時在戰爭中的一個亟待破解的問題，他將定向水聽器用在了艦隊的船隻上。

直到1917年，盧瑟福才重新回到他原本的科學研究上，繼續研究α粒子從輕原子散射的問題。他研究了長射程氫粒子在幾種介質中的反衝。他發現當空氣或氮氣存在時，這些「反衝」粒子的數量會增加。他推斷α粒子進入了氮原子的原子核，釋放出一個氫原子核。這標誌著一個新的發現：氫原子核是較大原子核的組成部分。後來，盧瑟福為它們取名為質子。

1919年，盧瑟福收到了劍橋大學的邀請，成為了卡文迪什實驗室的物理學教授。由於1917年的研究結果被推遲到戰後才發表，因此在1919年，盧瑟福發表了四篇關於輕原子的論文。在第四篇文章《氮的異常效應》中，他寫道：「我們必須得出這樣的結論：氮原子衰變了……擺脫束縛的氫原子構成了氮原子核的組成部分。」

1920年，盧瑟福首次提議要從穩定的α離子和H離子中構建原子。他還提出一定存在有質量但無電荷的粒子（中子），這樣才能解釋同位素的存在。在威爾遜雲室里，他觀察到α粒子在其傳播範圍的盡頭會出現分叉的軌跡。一名日本的訪問學者Takeo Shimizu建造了一個全自動的威爾遜雲室，他還建造了兩台相機，以便以互為直角的角度拍攝它們的軌跡。在Shimizu返回日本後，帕特里克·布萊克特（Patrick Blackett）接手了這個項目，在經過一些修改之後，到1924年時，他已經拍攝了大約23,000張照片，顯示了約400,000條軌跡。布萊克特後來寫道：「從這些照片從得出的新穎結果是，α被氮原子核捕獲，釋放出一個氫原子，然後產生一個新的未知的同位素氧1?O。」

1908年，盧瑟福因「對元素衰變和放射性物質化學的研究」而被授予諾貝爾化學獎。在卡文迪什實驗室里，他是最激勵人心的領導者，他引領了許多後來成為諾貝爾獎得主的科學家走向屬於他們自己的偉大成就：查德威克、布萊克特、科克羅夫特和沃爾頓……還有其他一些曾在卡文迪許與他共事過的諾獎得主：G.P.湯姆森、阿普爾頓、鮑威爾和阿斯頓。

他的合著者C.D.埃利斯曾說：「卡文迪什的大多數實驗實際上都是在盧瑟福的直接或間接建議下開始的」。雖然對單個α粒子的探測、對原子核結構的發掘，以及對質子的發現沒有為他迎來第二次諾貝爾獎，但很少有人會去質疑這位物理學巨匠所作出的巨大貢獻。在科學研究中，他一直保持活躍，直到生命的盡頭。

參考鏈接：

https://cerncourier.com/rutherford-transmutation-and-the-proton/

https://www.nobelprize.org/prizes/chemistry/1908/rutherford/biographical/

《環球科學》2019年6月刊現已上市

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