愛(ài)做實(shí)驗(yàn)的盧瑟福

李采林

盧瑟福在1871年8月30日生于新西蘭納爾遜附近的泉林村。父親是農(nóng)民，母親是鄉(xiāng)村教師。他在上小學(xué)時(shí)就對(duì)科學(xué)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了興趣。由于成績(jī)優(yōu)秀，學(xué)習(xí)期間曾獲得一系列獎(jiǎng)學(xué)金。1894年從坎特布雷學(xué)院畢業(yè)時(shí)，以該?？涨暗臄?shù)學(xué)和物理雙第一名的成績(jī)獲得碩士學(xué)位，還因無(wú)線電實(shí)驗(yàn)研究方面作出成績(jī)而獲理學(xué)學(xué)士學(xué)位。畢業(yè)后留校工作了一年。1895年考取大英博覽會(huì)獎(jiǎng)學(xué)金，進(jìn)入英國(guó)劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室學(xué)習(xí)。開(kāi)始時(shí)是以研究無(wú)線電為主，用自己的發(fā)射器和檢波器實(shí)現(xiàn)了3.2 km的收發(fā)距離。意大利人馬可尼后來(lái)的成就中包括了對(duì)盧瑟福檢波器的改進(jìn)，但盧瑟福不計(jì)較個(gè)人名利，未與馬可尼爭(zhēng)奪無(wú)線電發(fā)明的優(yōu)先權(quán)，還在1932年5月3日向馬可尼頒發(fā)獎(jiǎng)?wù)聲r(shí)贊揚(yáng)了馬可尼的功績(jī)。

1896年春末，盧瑟福接受卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任湯姆生的建議，把研究方向轉(zhuǎn)到放射性上。1897年盧瑟福發(fā)現(xiàn)，鈾射線由兩種成分組成，一種是易被吸收的射線，他稱(chēng)之為α射線；另一種是穿透性強(qiáng)的射線，他稱(chēng)之為β射線。同時(shí)他還根據(jù)實(shí)驗(yàn)預(yù)言，可能存在一種穿透能力更強(qiáng)的射線，這就是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的并由他命名的γ射線。

1898年盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室研究生畢業(yè)后，由湯姆生推薦，到加拿大的麥吉爾大學(xué)任物理學(xué)教授。除教學(xué)之外，他繼續(xù)研究放射性。與來(lái)自英國(guó)的青年化學(xué)家索迪合作，于1902年首先發(fā)現(xiàn)了放射性元素的半衰期，提出放射性是元素自發(fā)的衰變現(xiàn)象，并指出光譜實(shí)驗(yàn)表明原子有一個(gè)很復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。1903年5月，他和索迪根據(jù)α射線和β射線在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)度，辨別出它們分別由帶正、負(fù)電的粒子構(gòu)成。并指出放射性元素的原子在衰變時(shí)釋放粒子而變成性質(zhì)不同的新元素，列出了早期的鐳、釷、鈾的衰變圖譜，確認(rèn)α射線的能量占放射性元素輻射能量的99%以上，為他們后來(lái)以α射線作為研究原子結(jié)構(gòu)的炮彈提供了根據(jù)。1905年他應(yīng)用放射性元素的含量及其半衰期，計(jì)算出太陽(yáng)的壽命約為50億年，開(kāi)創(chuàng)了用放射性元素半衰期計(jì)算礦石、古物和天體年紀(jì)的先河。

盧瑟福在放射性研究上取得的一系列重大成果，使他揚(yáng)名于世。1907年，他謝絕了一些著名大學(xué)的高薪聘請(qǐng)而出任英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的物理學(xué)教授，因?yàn)樵撔Ｓ性O(shè)備先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室和優(yōu)越的科研條件。盧瑟福對(duì)α、β、γ射線做了大量的研究。1908年，他測(cè)算出β射線的電荷。1913年，他提出α粒子的帶電量為2e，原子量為3.84，認(rèn)為α粒子失去電荷后應(yīng)變成氦原子。1913～1914年，他與人合作，測(cè)定γ射線的性質(zhì)和波長(zhǎng)，確認(rèn)γ射線是一種比X射線頻率更高的電磁輻射。

盧瑟福早就有用α射線探索原子結(jié)構(gòu)的想法。1903年他就發(fā)現(xiàn)α射線的能量比β和γ射線大99倍左右，1906年他又發(fā)現(xiàn)α射線通過(guò)云母片時(shí)，出現(xiàn)了偏轉(zhuǎn)2°的小角度散射現(xiàn)象。1908年6月，蓋革發(fā)現(xiàn)α射線的散射角與靶材料的原子量成正比。同年10月，布拉格寫(xiě)信給盧瑟福，告訴他用α粒子轟擊原子時(shí)發(fā)生α粒子急轉(zhuǎn)彎的現(xiàn)象。這些現(xiàn)象促使他和蓋革決定用重金屬靶進(jìn)行散射實(shí)驗(yàn)。1909年3月，盧瑟福向正在做實(shí)驗(yàn)的馬斯登提出“看一看你是否能夠得到從金屬表面直接反射α粒子的效應(yīng)?”結(jié)果，馬斯登發(fā)現(xiàn)了等于和大于90°的大角度散射現(xiàn)象。盧瑟福以特有的洞察力和直覺(jué)，抓住這個(gè)反常現(xiàn)象，從原子內(nèi)存在強(qiáng)電場(chǎng)的思想出發(fā)，于1911年構(gòu)思出原子的核式結(jié)構(gòu)模型。1912年，蓋革和馬斯登用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了帶正電的原子核的存在。1913年莫塞萊用元素特征譜線與原子序數(shù)的關(guān)系證實(shí)了核外電子環(huán)的存在。

1918年，盧瑟福繼湯姆生之后，擔(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室領(lǐng)導(dǎo)，將卡文迪許實(shí)驗(yàn)室發(fā)展到一個(gè)新的高峰。將物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的研究推向嶄新的階段，同時(shí)也培養(yǎng)出了許多青年科學(xué)家。

盧瑟福是20世紀(jì)初最偉大的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，他于1908年獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。一生發(fā)表論文約215篇，著作6種，培養(yǎng)了10位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者。1937年10月19日患腸阻塞并發(fā)癥逝世，葬于倫敦威斯敏斯特大教堂牛頓墓旁。