紀念原子核物理學家E·盧瑟福誕辰150周年

田 川

（重慶市第八中學校，重慶 400030）

盧瑟福的一生充滿著各種各樣的傳奇故事，他的一生大致可分為3個階段：在新西蘭和卡文迪什實驗室的求學經歷、在加拿大9年的工作經歷、再次返回英國，并先后領銜曼徹斯特實驗室和卡文迪什實驗室的經歷，如圖1所示.

圖1 盧瑟福的人生軌跡

1 寒門出貴子，學海永無涯

歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）1871年8月30日生于新西蘭納爾遜的一處移民區.父親是來自蘇格蘭的移民，父親的主要工作是種植亞麻和裁鋸鐵路所需的枕木，母親則是當地的一名鄉村小學教員.枕木所需的木材需父親親自到叢林中采伐.為了維持生計，作為次子的盧瑟福稍大就幫著雙親開墾土地，而小盧瑟福則耐心地刨去整個樹根.然后，一家人借著傍晚的那點亮光抓緊種下農作物.為了使小麥不得銹病，小盧瑟福要不停地用雙手來回搓揉麥粒.盧瑟福所特有的品質，諸如單純率直、心胸寬廣、不計得失、熱心謙遜、勤儉堅毅以及對教育的尊崇，無需遠溯，只要從他父母身上，便可看到這些品質的淵源.

1.1 最后一個土豆

雖然家庭并不富裕，但盧瑟福的童年生活還是愉快的.下水捕魚，上山打獵，掏不完的鳥窩，望不盡的田野.5歲時，進入村里的一所學校，盧瑟福學習成績雖然優秀，但并沒有顯露出有朝一日要成為科學家的任何跡象.作為小學教員的母親有一本曼徹斯特大學斯徒亞特（Stewart）教授寫的自然科學教材，小盧瑟福對這本書倒是如癡如醉、廢寢忘食.

1886年15歲的盧瑟福憑借580分（總分600）獲得獎學金進入納爾遜中學.當時新西蘭的中學里自然科學被列為選修課，令人驚訝的是，只有盧瑟福選了這門課，他成為自然科學班里唯一的學生.這引起了校長助理利特爾約翰（Littlejohn）博士的注意.許多年后《盧瑟福傳》里記載：“人們常常看到一個高個子學生和利特爾約翰博士沿著學校的大街，一邊散步，一邊討論某些科學問題，并且還不時地在地上畫圖”.1889年，利特爾約翰博士鼓勵盧瑟福參加新西蘭大學獎學金考試，雖然沒有把握，但盧瑟福還是去試了試.

“歐內斯特，你考上了！”母親興奮地揮舞著雙手喊著.“考上了什么”盧瑟福一時弄不清母親指的什么.當他突然明白了母親的意思后，就甩掉手中的鐵鍬，緩慢平靜地說到“這也許是我挖的最后一個土豆吧”.[1]

1.2 再見了新西蘭

這次獎學金的獲得是盧瑟福未來登上學術高峰的起點，盧瑟福就讀的新西蘭大學的理學院所擁有的儀器設備比起歐洲的一些中學都還要遜色很多.即使在如此簡陋的條件下，盧瑟福也仍舊進行科學研究，沒有實驗器材，盧瑟福就自己動手設計和制造.盧瑟福就是在這么一個簡陋、寒冷、四面透風的破棚子里完成了他的第一篇高水平論文.1894年，盧瑟福的第一篇論文《使用高頻放電法使鐵磁化》發表在《新西蘭學會會報》[2].這使得他獲得了理學學士學位.1895年，年僅24歲的盧瑟福獲得英國“1851獎學金”（獎金來自1851年的首屆世博會），設立該獎學金的目的是為了將英聯邦自治領土的優秀學生送往英國本土深造.在此之前，盧瑟福已經取得了文學學士、文學碩士、理學學士等學位——這是新西蘭祖國能夠給他的最高榮譽.毫無疑問，只有出國深造才能使他獲得更高的成就.

1895年，當盧瑟福搭上輪船，站在甲板上，回頭望著新西蘭的海岸漸漸隱沒在身后的時候，他的心情是何等的興奮、激動與不舍，他將離開自己生活的故土，將自己的一生奉獻給人類偉大的科學事業.

1.3 初到卡文迪什

盧瑟福出生的那一年，麥克斯韋創建了卡文迪什實驗室（即劍橋大學物理系），為了紀念測量引力常量的H·卡文迪什，英國的W·卡文迪什公爵出資組建該實驗室.24年后，一位24歲的新西蘭青年走進卡文迪什實驗室的大門，他的名字叫盧瑟福，作為“1851獎學金”的獲得者，他將師從J·J·湯姆孫.

1898年12月，居里夫婦在極其艱苦的條件下發現了另一種放射性元素——鐳.盧瑟福把注意力轉移到這個問題的另一方面，盧瑟福發現放射線比放射體本身更有研究價值.盧瑟福繼而想從貫穿能力上加以鑒別.于是，就用一系列極薄的鋁箔放在鈾鹽上，而鈾鹽則置于電容器兩平行板之間.加電壓后從串聯電容器的靜電計上讀取瞬間電流值.盧瑟福看出兩種不同的變化率，他在題為《鈾輻射和它的電導》中指出輻射具有兩種不同的成分.為了方便起見，盧瑟福將其中一種叫做α射線，另一種叫做β射線.[3]

正當盧瑟福打算對放射線深入研究的時候，來自加拿大的專家團拜訪了卡文迪什實驗室——他們來訪的目的非常明確——物色加拿大蒙特利爾市的麥吉爾（Mcgill）大學物理學教授兼實驗室主任的最佳人選.雖有不舍，但J·J·湯姆孫還是推薦了他的愛徒盧瑟福.就這樣，在卡文迪什學習了3年的盧瑟福又一次踏上了開往蒙特利爾的輪船.

2 情系阿爾法，名揚加拿大

2.1 對α粒子的研究

1899年盧瑟福將在卡文迪什實驗室對α射線的研究成果整理成論文《鈾輻射和它產生的電導》，并從加拿大寄出，發表在歐洲權威的《哲學》雜志.但是，α射線的本質，盧瑟福也不清楚.經過3年的進一步研究，在1903年，他終于通過精心設計的自制儀器，利用超強磁場看到了α射線的偏轉，從方向上，盧瑟福判定α射線帶正電荷.接著通過測定比荷，判定α是原子級別的離子流，那么α粒子是什么原子的離子流呢？1909年，盧瑟福利用放電管及光譜實驗做出了斷定：α粒子在失去電荷之后就是氦原子.

2.2 獲得諾貝爾化學獎的物理學家

盧瑟福在研究釷的射氣（實際上就是氡氣）時，發現釷射氣的放射性衰減得很快，后來發現鐳、錒產生的射氣也有這些特征.為了更好的描述這一規律，盧瑟福引入了半衰期一詞.盧瑟福指出，鈾、釷和鐳的明顯不變的放射性強度，是因為它們的半衰期比人的壽命長得多.

1904年6月，盧瑟福將他對放射性的研究寫成《放射性》一書，[4]自從出版以來，它就成為這一學科的經典著作.然而關于放射性的發現是如此之快，盧瑟福于第2年就開始著手該書的第二版，篇幅擴大了50%，1906年，《放射性》的第二版出版了.瑞利爵士評述此書時說：“他的驚人的行動力已經激起了社會上的普遍贊揚，他的學生在他的鼓勵下，幾年來，差不多每個月都給這門科學做出重要的貢獻”.

1905年，盧瑟福通過研究鈾礦中的終產物發現鈾、鐳、釷原子可以自發裂解，在裂解的過程中，它們產生α和β粒子.作為這類變化的結果，最后留下某種要輕些的元素的原子.據說，盧瑟福在幾年后曾經這樣講到：“原子永恒不變的學說，竟被幾毫克鐳擊得粉碎”.盧瑟福的發現揭開了物理學和化學史上新的一頁.為了表彰盧瑟福在“對元素衰變以及放射化學的研究”他榮獲了1908年的諾貝爾化學獎.

1908年11月，盧瑟福在接受獎金后發表演說：在他的一生中，他曾經歷過各種不同的變化，但最快的變化要算這一次了——他竟從物理學家一下子變成了化學家.

3 桃李滿天下，心懷國與家

盧瑟福本來打算終身定居加拿大，想不到在1906年收到即將退休的英國曼徹斯特大學的舒斯特（Schuster）教授的來信，信中問及是否愿意繼任這個職務.1907年1月，盧瑟福接受了曼徹斯特大學的任命，并于同年10月到任工作.盧瑟福明白只有重返英國，才能近距離感受世界學術中心的魅力.

3.1 提出核式結構模型

退休的舒斯特教授給盧瑟福留下了一筆寶貴的財富——助手漢斯·蓋革（Hans Geiger）.利用蓋革所開創的粒子計數法，盧瑟福發現在1毫克鐳里，每秒鐘能放出十三萬六千個α粒子，這是一個了不起的發現，它表明，人類第一次在實驗室里觀察到了單個原子核.[5]盧瑟福在曼徹斯特的最偉大的發現，也是他一生中最偉大的發現是原子的核結構.盧瑟福認為，有一個方法可以獲得原子更為詳盡的知識，這個方法就是打碎原子.當時能夠打碎原子的方法只有一個，即從外界轟擊它，最好是使用一種極其微小的射彈，盧瑟福選中的射彈就是α粒子.

1909年，盧瑟福帶領助手蓋革、馬斯頓（Marsden）實施了歷史上著名的α粒子散射實驗.由于馬斯頓還未取得學位，因此該實驗起初是布置給馬斯頓的一項小型課題：“去驗證一下α粒子射向金箔時，不可能出現大角度散射”，馬斯頓干的很出色，他報告說竟然發現了大角度散射，基于這一令人驚訝的結果，后來，蓋革也加入到實驗中.三天后，蓋革告訴盧瑟福，說發生90°散射的概率是1／8000，然而根據湯姆孫的棗糕模型計算得到的90°散射的概率是1／（103500）.[6]盧瑟福對此非常驚訝的說道：它是這樣的叫人難以置信，就好像你用15英寸的炮彈射擊一張紙，而炮彈竟然反彈回來把你打中了一樣.他們在1909年以《論α粒子的漫反射》[7]為題發表了以上結果.

1911年，盧瑟福提出核模型，其論文《物質對α粒子的散射和原子結構》發表在當年的《哲學》雜志.雖然在此之前就有學者提出行星模型，但是盧瑟福的結論是建立在充分的實驗基礎上，而不是單純的假說.

1912年3月的一天，波爾帶著一篇論文膽怯地去問盧瑟福：“老師，我對您去年提出的原子結構模型有點新的想法，能跟您談談嗎？盧瑟福和藹地說：完全可以！我非常愿意聽聽你的新見解.”波爾滔滔不絕地談了起來，盧瑟福聽得津津有味.最后，盧瑟福熱情地鼓勵波爾：“你的想法很好，發展和完善了我的模型.你趕快完善論文，我把它推薦給《哲學》雜志”.第2年波爾的論文一經發表，就一舉成名.還獲得了1922年的諾貝爾物理學獎.難怪波爾深情地稱盧瑟福為“第2個父親”.因此核式模型又稱盧瑟福—波爾模型.

3.2 當代煉金術

1919年擔任三一學院院長的湯姆孫決定卸任卡文迪什實驗室的主任一職，盧瑟福作為繼任者（前三人依次是麥克斯韋、瑞利、湯姆孫）是沒有人會感到意外的.

早在1914年，盧瑟福的學生馬斯頓在用閃爍鏡觀測α射線在空氣中的射程時，就注意到一些反常現象——發現一些射程特別長的粒子.α粒子的射程大約為7 cm，而他得到的卻有長達40 cm的.盧瑟福沒有放過這一細節.1917年在寫給波爾的信中，盧瑟福寫到：“我試圖用這種方法把原子擊破”，盧瑟福的實驗裝置及其簡單，如圖2所示.通過活栓可以通入或抽出氣體，放射源可以沿刻度尺左右移動.當充入氮氣時，發現當放射源到閃爍屏的距離超過α粒子射程很多時，仍有閃爍可見.后來盧瑟福的學生布拉凱特（Blackett）通過威爾遜云室記錄粒子的徑跡，找到了氮氣在α粒子轟擊下產生氫核的證據.以上簡單而又原始的實驗，得到了如此重大的科學結論：盧瑟福開創了人工核反應的新紀元——牛頓終其一生研究的“煉金術”在盧瑟福的手中實現了.1937年，盧瑟福出版《當代煉金術》.[8]

圖2

盧瑟福將從氮中轟擊出來的粒子稱為質子.于是就有人提出α粒子應該由4個質子組成，但其中有兩個質子各自黏住了一個電子，于是α粒子的質量為4，帶電量為+2.盧瑟福開始也有相同的想法，但后來他更近了一步，他認為，自然界喜歡簡單，與其假設質子黏有一個電子去中和質子的電量，還不如直接假設存在一種不帶電而質量與質子質量幾乎相同的中性粒子，1920年，盧瑟福在法國講學時首次提出了中子的概念.[9]而發現中子的任務則留給了他的學生查德威克（Chadwick）.1932年2月27日查德威克在《自然》雜志上發表了題為《中子存在的可能性》的文章.[10]

2.3 勇往直前的鱷魚

盧瑟福的學生蘇聯籍的卡皮查（Kapitza）給他起了一個外號——鱷魚.并把鱷魚徽章裝飾在他的實驗室的門口.因為鱷魚在碧波中總是照直向前，從不回頭，以此贊譽他們老師勇往直前的堅毅性格.[11]當人們評論盧瑟福的成就時，總要提到他“桃李滿天下”.研究生寫出的論文，盧瑟福總要仔細審閱和修改直至滿意，才推薦出去發表，他付出很大精力幫助別人搞研究而得出成果，但是在發表時卻從不寫上自已的名字[12].在盧瑟福的悉心培養下，他的學生和助手獲諾貝爾獎的情況，如表1所示.

表1

盧瑟福的實驗室被后人稱為“諾貝爾獎得主的幼兒園”.正因為如此，新西蘭的教育部長鮑伊斯稱盧瑟福是“現代科學之父”，[13]1931年盧瑟福成為納爾遜男爵.[14]

特別值得提出的是盧瑟福對我國一些物理學家的關心和愛護.趙忠堯、張文裕、顏任光等都先后在卡文迪什實驗室做過盧瑟福的學生，受過他的關懷和教誨.趙忠堯1933年寫的《硬γ射線與原子核的相互作用》一文，就是由盧瑟福推薦和批注后在《自然》雜志上發表的.[15]

當法西斯驅逐、迫害猶太學者時，盧瑟福堅定地站在受迫害的一邊.從1933年起，他主動擔任了學術界救援委員會主席，為那些流落英國的學者解決生計.

1937年8月21日，盧瑟福在《自然》雜志發表了一篇關于氫同位素“氚”的研究的文章.但兩個月后的10月19日盧瑟福卻突然逝世.在彌留之際，他對守候的夫人說：“我要留給新西蘭的納爾遜中學一筆獎學金”.盧瑟福被安葬在威斯敏斯特教堂，墓地就在牛頓和開爾文旁邊.他的頭像出現在新西蘭貨幣的最大面值100元上面，作為國家對他最崇高的敬意和紀念，如圖3所示.為了紀念盧瑟福，人工合成的第104號元素被命名為盧瑟福（Rutherfordium，漢字寫作）.

圖3

1971年，新西蘭、蘇聯、羅馬尼亞、加拿大等國家發行郵票紀念盧瑟福誕辰100周年.[16]

“科學家不是依靠于個人的思想，而是綜合了幾千人的智慧，并且每人做他的部分工作，添加到正在建立起來的偉大知識的大廈之中”——歐內斯特·盧瑟福.