书城自然科学站在巨人肩上-从汤姆生谈粒子物理学
28669300000009

第9章 打开原子秘宫(2)

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;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,他的学生查得威克,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。

卢瑟福,(Ernest Rutherford,1871—1937年)伟大的物理学家。1871年8月30日生于新西兰南岛纳尔逊南郊,18岁获得新西兰大学坎特伯雷学院奖学金,在该校获得学士和硕士学位。1894年他安装一台赫兹电磁振荡器,制成自己设计的电磁波接收器,在距离振荡器60英尺(约18米)远处能探测到振荡器发出的电磁波。这时正当英国剑桥大学向国内外招收研究生,卢瑟福进入三一学院。1895年他获得剑桥大学第一批研究生奖学金,同年入卡文迪许实验室,成为汤姆生的研究生。在那里他继续研究电磁波的发射和接收,没过几个月就将其仪器改善到能在半英里(约0.8公里)远处接收到无线电波信号。这项工作表现了他的实验才能,使他崭露头角。1898年加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学聘任他为麦克唐纳教授。1907年他回英国担任曼彻斯特大学实验物理学教授。1919年应邀到剑桥接替退休的汤姆生,担任卡文迪许实验室主任。1925年当选为英国皇家学会主席。1931年受封为纳尔逊男爵,1937年10月19日因病在剑桥逝世。

在放射性方面的研究,卢瑟福开拓了原子核物理学和原子物理学的新领域。1896年他和汤姆生一起研究X射线在空气中产生电离的现象,随后转到紫外光射在锌上产生离子的研究上。1898年贝克勒尔发现铀自动放射出一种新的穿透性很强的辐射,并且在空气中能电离。这种现象引起他的注意,于是他把研究工作转移到这一新领域,试图解决铀的放射性之谜。

不久,卢瑟福在发现了放射性辐射经过玻璃、石蜡、铝等物质时不发生折射(传播方向不改变)的现象后,他用分层的铝片放在铀源上进行实验,发现了铀放射性辐射的成分不是一种,有两种是可被铝片吸收的辐射:一种是容易被吸收即穿透力弱的,他称之为α辐射,一种是比较难于被吸收即穿透力较强的,他称之为β辐射。

1900年,在蒙特利尔卢瑟福发现钍放出放射性气体。他将这种气体称为钍射气,并发现钍射气还可以产生别的放射性淀积物。当时他与化学家索迪合作,在1902年共同发表了《放射性的原因和本质》这一划时代的论文,揭示了放射性原子不稳定性,它们通过放出α或β粒子而衰变成另一种元素的原子。这一放射性变化理论——重元素自发蜕变理论一发表就立即轰动了科学界。卢瑟福应邀到世界各地讲学。1904年他在英国皇家学会讲解他总结出的放射性产物链式蜕变理论,奠定了重元素放射系元素移位的基本原理。他在访英期间,还提出根据放射性估算地球年龄的方法,论证了开尔文单就太阳重力收缩计算地球年龄的结论是错误的。

1904年,他由剑桥大学出版了《放射性》,1906年再版改名为《放射性变化》。在这本书中,他介绍了开尔文1902年提出的原子模型和904年日本科学家长冈半太郎提出的原子模型。这些模型对他后来建立原子有核模型影响很大。1905年他根据α粒子的电荷质量比值的测量等实验结果,确信α粒子就是氦离子。

卢瑟福在曼彻斯特通过研究生罗伊兹协,利用鲍姆巴赫制成的α粒子能穿过而氦原子却不能穿过的薄壁玻璃管收集到的气体进行放电实验,从观察到的氦谱线而直接证明α粒子确实是氦离子He2+(即氦核)。

1908年,为了表彰卢瑟福在放射性研究方面的杰出贡献,诺贝尔基金会给他颁发了诺贝尔化学奖。当时人们认为这些属于元素性质的研究,而归入化学领域。

卢瑟福到曼彻斯特后,听从了德国物理学家盖革在卢瑟福的建议,利用α粒子导致的气体放电来记录α粒子,由此发明了盖革计数管。1909年,盖革和他的助手马斯登第一次观测到α粒子束透过金属薄膜后在各方向上散射分布的情况,其结果中居然出现少数意料不到的大角度散射;这使卢瑟福感到同汤姆生所发展的开尔文原子模型矛盾很大。他又考虑到,既然α粒子那样容易地穿透金属薄膜,而且有时又被薄膜弹回,就有可能用α粒子来探察原子内部结构。根据盖革-马斯登α散射实验的结果使卢瑟福猜测薄膜中的原子必然能赋予射来的α粒子以很大的力量把它弹回去。这一观念导致他根据力学原理提出了α粒子为带电的核所散射,其轨道是双曲线,从而导出卢瑟福散射公式。这个公式随即由盖革和马斯登用改进了的α粒子散射实验所证实。据此,卢瑟福认识到原子核半径小于10-12米。更重要的是形成了他的原子模型,他认为原子有带正电的核,原子重量集中在核上,核的周围是带负电的电子,必然绕核沿稳定轨道转动,在动力学上保持平衡;但这样的平衡与经典电动力学要求带电粒子在电场中作加速运动时有电磁辐射损失相违背,使他不得不说原子的稳定性问题还有待探索。

第一次世界大战的爆发,他的研究生大多转入战时工业中工作,他自己也承担了一部分与战事有关的研究。但他仍继续原子核实验的研究,开始了用α粒子轰击干燥空气,使氮核衰变放出质子的实验。1919年这一实验终于完成,标志着人类第一次实现了改变化学元素的人工核反应——用天然α粒子从氮原子核中打出质子。

1921—1924年,卢瑟福和查德威克证实,除了碳和氧之外,从原子序数为5的硼到原子序数为19的钾,所有的元素都有类似的核反应,即捕获1个α粒子放出1个质子而转化为下一号元素。在此期间卢瑟福预言了重氢和中子的存在。他和查德威克以及艾利斯合作在1930年出版了《从放射性物质发出的辐射》,这部著作是早期核物理学的总结。

卢瑟福的成主要有三方面:

①他关于放射性的研究确立了放射性是发自原子内部的变化。放射性能使一种原子改变成另一种原子,而这是一般物理和化学变化所达不到的。这一发现打破了元素不会改变的传统观念,使人们对物质结构的研究进入了原子内部这一新的层次,为开辟一个新的学科领域——原子核物理学,做了开创性的工作。

②他通过α粒子为物质所散射的研究,无可辩驳地论证了原子的核模型,因而一举把原子结构的研究引上了正确的轨道,于是他被誉为原子物理学之父。由于电子轨道也就是原子结构的稳定性和经典电动力学的矛盾,才导致N.玻尔提出背离经典物理学的革命性的量子假设,成为量子力学的先驱。

③人工核反应的实现是卢瑟福的另一项重大贡献。自从元素的放射性衰变被确证以后,人们一直试图用各种手段,如用电弧放电,来实现元素的人工衰变,而只有卢瑟福找到了实现这种衰变的正确途径。这种用粒子或γ射线轰击原子核来引起核反应的方法,很快就成为人们研究原子核和应用核技术的重要手段。在卢瑟福的晚年,他已经能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

卢瑟福一生发表论文约215篇,著作6部,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,葬在伦敦威斯敏斯特大教堂的牛顿墓旁。