6月 25, 2022

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核科学群英谱(2):原子核物理学之父卢瑟福

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贝克勒尔和居里夫妇的研究表明有些元素具有天然放射性,这些放射性究竟是怎么来的则是不知道的,但是人们并没有在这个节点等待太久,就迎来了伟大的卢瑟福(Ernest Rutherford, 1871年生于新西兰,1937年去世)。卢瑟福后来被称为原子核物理学之父,在很多严肃的文章中把他列为法拉第之后实验物理学家的第一人。

 

与贝克勒尔具有深厚家学渊源背景所不同的是,卢瑟福属于典型的屌丝逆袭人生。他出身于普通工人家庭,家里比较贫寒,他靠着自己个人坚毅品行而走上开挂人生旅程。就像现在许多农家子弟一样,他接到剑桥大学研究生录取通知书时正在田间挖土豆,那时是1895年,他还只是一位品学兼优的大学毕业生,这离1908年获得诺贝尔[化学]奖也只有十多年时间。

 

在十九世纪末期的大学生和研究生不像如今有这么大的比例。在1894年卢瑟福曾做过收发无线电的表演,而那时他在新西兰大学(University of New Zealand) 还没有毕业。大家知道,麦克斯韦电磁理论是在十九世纪六十年代,实验室的电磁波实验是德国学者赫兹在 1888 年才做出来的,而没有几年时间新西兰大学的一名学生就能演示。这一方面说明科学传播之快,一方面也说明卢瑟福天份之高。那时电磁理论刚问世不长时间,因为电磁理论与社会生活能密切相关,按照现在社会流行的观念,电磁场和无线电的研究是很有“钱”途的。

 

改变卢瑟福人生方向的是他的恩师,大名鼎鼎的卡文迪许实验室主任约瑟夫-汤姆逊 (Joseph John Thomson;1856-1940)。汤姆逊 [那时正在研究阴极射线,在1897年证实阴极射线是带负电粒子、电量与氢离子相同而质量只有氢原子的1800分之一,即发现了电子—标准模型中的基本粒子之一] 指导卢瑟福研究X 射线和X射线与其它物质的相互作用,从而引导卢瑟福转到了崭新的领域。

 

1898年卢瑟福就出师了,毕业后在汤姆逊的推荐下去加拿大吉尔(McGill) 大学。卢瑟福在那里工作9年时间,在那里提出了放射性的半衰期概念、发现了放射性元素氡、区分 alpha 衰变和 beta 衰变[alpha 衰变和 beta 衰变是卢瑟福命名的,这两个名称至今为人们采用]。这些工作使他获得了1908年的诺贝尔化学奖[大洋洲第一个诺奖得主、在第一个在加拿大完成的诺奖工作]。

 

当然,人往高处走,他在1907年去曼切斯特大学做了物理系主任。他在曼切斯特大学续写辉煌,他先是通过实验证明了所谓 alpha 粒子就是氦离子。1911年他基于 alpha 粒子对于金箔的散射实验提出原子模型。在现在的原子物理教科书很显眼的位置都要介绍和讨论卢瑟福的这个实验和理论推导,这也是卢瑟福一生中最为人所知的工作,这个工作的细节大家都很熟悉,总之这个工作表明在原子的中心有一个很小但是质量非常集中的核心,与alpha 粒子的相互作用是排斥的,这也是人类第一次在通过实验手段真正“看到”了原子核。

 

1917年卢瑟福通过alpha 粒子轰击氮原子核实现了首次人工的核反应。这个实验现在看起来很简单了,而在那时毫无疑问是破天荒的大事情。这个实验起因于一个小“意外”:卢瑟福发现当alpha 粒子打到空气时,探测器上出现了氢离子的迹象,他认为这个氢离子来源应该是氮气[因为空气中以氮气为主]。于是他把alpha 粒子入射到纯的氮气里,结果产生氢离子的变得更多了。这些实验是在1917年做的,但是后来的解释和报告是在1919年到1925年间。在1919年的报告里,卢瑟福解释这个结果时说,这是氮气里一个质子被 alpha 粒子打了出来。关于质子的发现,在文献中经常见到的说法不一,有的地方说是在 1919年,其理由是从另外一个元素里实验上被产生出来并被实际观测到、而不是氢原子形态;也有的地方说是在 1920年,理由是卢瑟福明确提出质子是原子核的基本组元。 不论怎样,明确宣示质子是原子核的基本组元是卢瑟福的这个实验,而且也为大家所接受,这与氢气作为常见的化学元素被分离出来的意义是完全不同的。

 

关于质子是原子(核)基本组元的思想其实是有些“古老”来头的,这一点卢瑟福自己也认可。在1815-1816年英国化学家威廉-普劳特(William Prout)发表过两篇文章,因为在那个年代所测量的原子量似乎都是氢原子量的整数倍,因而他提出一个假说认为自然界里只有氢原子才是基本的,其它元素都是由氢原子的某种组合,他把基本的氢原子起了一个别名:protyle. 普劳特假说当然对卢瑟福在提出 alpha 粒子把一个质子从氮原子里敲出来的图像方面具有相当的影响,他把“敲出来”的粒子命名为 proton (质子), 即取了 protyle 前面的拼读字母,加上后缀 on 表示是一种粒子。有了原子核的基石“质子”,又有了卢瑟福的恩师汤姆逊的电子,卢瑟福提出原子核是由A个质子加上m 个电子组成, 有些电子是被囚禁在原子核内的,这也是 beta 衰变中电子的来源。当然我们现在知道原子核内不能有电子存在,原子核的另一个组元是中子,不过那是后面的事情。不论如何,到这里为止,卢瑟福不仅完成了核反应,也从实验上认定了“质子”这个原子核(一个)基本组元。

 

1925年卢瑟福本人对于他1917年的实验结果做了“勘误”,他通过看云室图像认识到其实在这个过程中 alpha 粒子是被吸收了,一个氮-14 (N-14) 原子核吸收一个 alpha 粒子,形成氧-17 (O-17)、释放一个质子,即 N-14 + alpha —à O-17 + p. 不过这也仅仅是一个勘误,他完成人类第一例人工核反应并证明质子是原子核基本组元这件事情没有变化。卢瑟福在实验上明白无误地“看到”了原子核,在实验上做了核反应、得到原子核基本组元(之一), 这些伟大成就使他获得“原子核物理之父”的美誉,这是名至实归的。

 

1919年以后,卢瑟福接替了他的恩师汤姆逊的职位成为卡文迪许实验室的主任, 由此开启了另一番新天地。他在那里培养了大量超一流人才,有十多个助手或学生后来获得了诺贝尔奖,其中包括后来我们将多次提到的尼尔斯-玻尔(Niels Bohr)、詹姆斯-查德威克(James Chadwick)以及我在给学生讲超导历史时总会提到的彼得-卡皮查(Pyotr Leonidovich Kapitsa 或 Peter Kapitza)等一众学者们,因此我们说卢瑟福是一位大教育家是毫无问题的。当一个人的成就到了某种意义上的天花板时,启迪润泽后世会就成为最重要的社会责任。在这一点上,迄今为止的物理学家可能没有人在这方面能够超越卢瑟福。

 

卢瑟福作为物理学家非常自豪,而对于物理学之外的学科不大看得起,他有一句名言“科学研究除了物理就是集邮”。可是命运跟他开了一个大大的玩笑,他一生并没有获得过诺贝尔物理学奖,而被授予了化学奖[他的恩师汤姆逊是比他早了两年获得了诺贝尔物理奖]。但是,他的学生或身边助手有那么多人获得了诺贝尔物理奖,以卢瑟福的为人和心胸,估计比他本人获得诺贝尔物理奖更令他高兴吧。人们经常说某某某应该获得多少次诺贝尔奖,卢瑟福后来的成就当然也应该被授予诺贝尔物理奖,就象居里夫人那样。虽然他自己一生也没有获得诺贝尔物理奖,可是这又有什么关系呢?

 

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