书城科普读物站在巨人肩上-从卢瑟福谈原子核物理学
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第2章 自我介绍(2)

我与盖格、马斯顿,以α射线照射很薄的金属箔,测量由金属箔反弹回来的α粒子数目。实验结果,大部分的α粒子都透过金属箔,只有少数粒子反弹回来。

“照理说,金属箔是由原子聚密排列而成的,应该不易被α粒子穿透才对啊!”我反复思索、实验,最后终于找到了原因:原子是由带正电的原子核与带负电的电子所组成,原子核几乎构成了原子的总重量,电子围绕着原子核旋转,就像行星绕着太阳转一样。各种元素中电子的数量不同,同时原子核的电量等于电子电量的总和,由此导致了原子成为中性的整体。

这一结论发表后,立刻震撼了整个科学界,引起了强烈的反响。接着,我又进一步研究α粒子撞击气体原子的情形,发现α粒子撞击气体原子时,气体原子射出的放射线比反弹回来的粒子更具穿透金属膜的力量。为了解开这谜,我不断实验,而获得了一个惊人的发现——氮受α粒子撞击,会放射出氢原子,而变成氧原子,成功地得到了元素的人工嬗变,其实这个发现就是原子核的蜕变,使原子核物理学进入了一个新的阶段。在卡文迪许实验室里我达到了科学活动的顶峰。这时,我科学地预言了“中子”的存在,1932年被查德威克的发现所证实。

我以大量的著作发表了自己的科学研究成果。许多科学院都选我作为自己的成员。1931年,由于我在科学发展上所建树的功绩,受封骑士称号,并享有纳尔逊勋爵的爵位。

20世纪初期,有一天,在英国伦敦的特腊法尔加广场上,有两位先生偶然相遇,于是便谈论起来。其中一个人大约30多岁、宽肩膀、身体匀称,看上去像是一个生活优裕的农场主;另一位是个年轻人,从他那刮得干干净净的圆脸蛋儿可以看出,他像是个性情温厚的人,虽然那双炯炯有神的眼睛里放出的目光如同刀锋一般锐利。他们边走边谈……

一会儿,他们经过纳尔逊纪念碑,来到附近的一家咖啡馆里坐下,始终没有停止谈话。

“目前,我遇到了严重的困难。”那个年轻人继续说道,“我对我使用的镭制剂的纯度没有信心。”

“为什么呢?”同他谈话的另一个人诧异地问道,“您怎么会产生这种怀疑呢?”

“我发现里面掺有氦的成分。它的根源可能是其中含有杂质或者是镭的放射性衰变。”

“您认为可能是α粒子?”

“是的,但我什么也证明不出来,因为我对制剂的纯度没有信心。”

“我这儿倒有新制成的,而且是绝对纯的镭的溴化物。如果这对您合适的话,我可以借给您用。”

“那我太感谢您啦……”

在他们旁边坐着一个年轻人,全神贯注地听着他们的谈话,那些类似镭制剂、氦、镭的溴化物等名词使他产生了浓厚的兴趣。

这两位谈论科学前沿的先生是何许人物?要是对他们进行采访的话,可能是一次走运的机会吧?史密特先生是个初出茅庐的记者,凡是在他所能到的地方,都在搜集着报道的题材,遗憾的是他没有取得特殊的成就。他一直向往着能从事专门的科学报道工作,但是,怎样才能从科学家那里获得采访内容呢?他们之中很少有人愿意抽时间和记者们谈话,大概,现在他可以探听到点什么了!

史密特将服务员唤过来。

“这两位先生是谁?”他问道。

“这位年轻的是索弟,拉姆赛教授的助手,他常光顾这里。”服务员回答说,“而那位……”她耸了耸肩,“是个乡下佬。”

“乡下佬?”

“是的,他昨天就在这儿吃过饭,我听到他和这儿的一个人在讨论新西兰的土地耕作问题,他可能是个农场主。”

听了这番话后,史密特的好奇心顿时变得更加强烈了。他拿起报纸把自己的脸挡住,又开始听着谈话。

“卢瑟福先生,我真想再回到您那里当助手。”

卢瑟福?!报纸从记者手中掉了下来。原来,这位就是大名鼎鼎的卢瑟福教授,刚刚成为皇家学会会员的那个人!兴奋的史密特先生鞠着躬向卢瑟福的座位靠了过来,进行了全面的采访……因而使他在新闻界出了名。

卢瑟福对科学的重要贡献主要有三方面。

第一方面是关于放射性的研究卢瑟福发现了铀放射性辐射的不同成分的α辐射和β辐射。1900年提出了重元素自发衰变理论,并于1904年总结出放射性产物链式衰变理论,奠定了重元素放射系元素移位的基本原理。使人们对物质结构的研究进入了原子内部的深层次,为原子核物理做了开创性工作。由于他“在元素蜕变及其放射化学方面的研究”而荣获1908年度诺贝尔化学奖。

第二方面是1911年提出了原子的有核结构模型。1908年卢瑟福通过α粒子被物质散射的研究,从理论和实验验证上无可辩驳地论证了原子的有核结构模型,从而把原子结构的研究引向正确的轨道。因此,他被誉为“原子物理学之父”。

第三方面是1919年发现人工核反应的实现。1915年,他的学生马斯登发现用α粒子轰击空气时出现一些粒子,它们具有不寻常的长射程。卢瑟福决心利用业余时间长期而耐心地搞清楚这些粒子到底是N、He、还是H原子、Li原子。为了使他的结果绝对可靠,花了3年时间于1919年证明:这是α粒子轰击N之后使之衰变放出了氢原子核即质7N14+2He48O17+1H1:这一装置的成本极为低廉,但用显微镜观察屏上闪烁的工作极为艰苦!这一实验的成功引起了一场热烈争论,最后以云室照片证明了卢瑟福的正确而告终。这标志着人类第一次实现了改变化学元素的人工核反应。

在20世纪初叶物理学革命迅速发展时期,为什么卢瑟福能取得其他人难以取得的一连串巨大成功,成为第一个深入原子宇宙的成功探索者?大体可以从以下几方面来考察:(1)抓住关键问题扎扎实实地进行一系列准确而简单的实验。卢瑟福利用α粒子其巨大的能量与动量作为“炮弹”去轰击原子和原子核,揭开原子组成与变化的奥秘。在1905年诺贝尔化学奖受奖演说中,他描述了他和创新的长时间利用低倍显微镜在暗室中“枯燥地”计数α粒子击中硫化锌屏上的闪烁次数,并与其他方法比较。结果使最顽固的怀疑者不得不心悦诚服。这样的工作精神也导致大角度散射即原子有核结构的发现。正是在这些目的明确、烦琐、单调的常规工作中,实验者的耐心和毅力导致了辉煌的成就。

(2)理论与实验的紧密结合。卢瑟福在1929年皇家学会曾以“理论与实验”为题说过:“每一个新的实验观察立即被抓住,以检验它是否能被现有的理论所解释。如果不能,就要寻求理论图式中的改正……过去十年中物理学明显的迅速发展,主要是由于理论与实验的密切结合”。卢瑟福的α粒子散射公式的推导及有核模型的提出,就是一个光辉例证。

(3)特殊的勤奋、敏锐的洞察力和丰富的伪科学直觉。他能在最易于被人们忽视的新一现象出现时洞穿它的本质,分辨某些假说的正误。例如,α粒子大角度散射现象出现未引起其学生足够的注意时,他就意识到原子内部可能存在造成这种现象的核。马斯登偶然发现α粒子轰击氢原子产生类氢光谱的带正电粒子,他意识到这可能是从氢原子内打出的氢核等等。卢瑟福惊人的工作毅力与极度勤奋,从他几十年200多篇论文和3本专著中可以看出。他的学生卡皮查回忆说:“卢瑟福无休止地工作,总是在研究新的课题——他发表的只是占他工作的百分之几,其余的有的甚至他的学生也不知道。”

天才来源于勤奋,卢瑟福也证明了这一点。

(4)卢瑟福善于识别、选择和培养人才,并能团结一大批卓越的物理、化学和技术人才一起工作,他平易近人,知人善任,热情关怀,精心培育。在汤姆逊和他两代领导下,卡文迪许实验室英杰辈出,成为世界物理学研究的重要中心之一。这是他对科学事业的又一项贡献。他的学生在剑桥皇家学会蒙得实验室的大门右侧墙上,刻了一条鳄鱼(这是卢瑟福的绰号),以此来赞誉他勇往直前的坚毅性格和勉励来者。

1937年10月19日,这位伟大的科学家在英国剑桥大学去世,人们将他安葬于牛顿、达尔文和法拉第的墓地之侧。

人们在提到卢瑟福的时候,不仅推崇他在科学研究方面取得的突出成就,更推崇他在培养人才方面所做出的卓越贡献。他领导的科研集体,被人们亲切地称为“科学天才的幼儿园”。

通过这个“幼儿园”,他培养了两代世界第一流的物理学家、化学家。在科学前进的道路上立下一块又一块不朽的丰碑。

1921年,他的助手索迪,因发现放射性同位素,获得诺贝尔化学奖;1922年,他的学生玻尔,因发展了原子结构模型,获得诺贝尔物理学奖;索迪于1910年提出了同位素假说,1913年发现了放射性元素的位移规律,为放射化学、核物理学这两门新学科的建立奠定了重要基础。因此荣获了1921年的诺贝尔化学奖。

1922年,他的学生阿斯顿,因发明质谱仪,获得诺贝尔化学奖;1927年,他的助手威尔逊,因发明云雾室,获得诺贝尔物理学奖;1935年,他的学生查德威克,因发现中子,获得诺贝尔物理学奖;1944年,他的学生哈恩,因发现铀核裂变,获得诺贝尔物理学奖;1978年,他的学生和助手卡皮查,由于在低温物理学中的基本发明和发现,分享了诺贝尔物理学奖。