對(duì)于一名研究人員而言，如果能夠在對(duì)的時(shí)間，出現(xiàn)在對(duì)的地方，進(jìn)行對(duì)的研究，那將是莫大的幸運(yùn)。歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）就是這么一位傳奇的物理學(xué)家。

1871年8月30日，盧瑟福出生于新西蘭的尼爾森，在一個(gè)有7個(gè)兒子和5個(gè)女兒的家庭里，他是第4個(gè)孩子，也是第2個(gè)兒子。盧瑟福在公立學(xué)校接受了他的早期教育。1889年，他獲得大學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金，進(jìn)入新西蘭惠靈頓大學(xué)。1893年，他以數(shù)學(xué)和物理科學(xué)雙學(xué)士學(xué)位畢業(yè)，畢業(yè)之后，他繼續(xù)在大學(xué)里作為研究人員工作了一小段時(shí)間。1894年，他獲得獎(jiǎng)學(xué)金，得以前往劍橋大學(xué)三一學(xué)院學(xué)習(xí)，在約瑟夫·約翰·湯姆森（J.J. Thomson）的指導(dǎo)下，他在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室從事研究工作。

就在他到達(dá)英國(guó)不久之后，科學(xué)界便宣布了幾個(gè)重要的發(fā)現(xiàn)：X射線、放射性和電子。當(dāng)時(shí)的盧瑟福堅(jiān)信，自然界中存在著比原子還小的物體。于是，他將研究重心轉(zhuǎn)向了對(duì)放射性的理解。

盧瑟福的才能很快得到湯姆森的賞識(shí)。在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室初期，他發(fā)明了一種電磁波探測(cè)器。通過(guò)與湯姆森一起，他們研究了離子在被X射線處理過(guò)的氣體中的行為，到了1897年，他研究了離子的遷移率與電場(chǎng)強(qiáng)度之間的關(guān)系，還研究了一些相關(guān)課題，比如光電效應(yīng)等。1898年，他報(bào)告了鈾輻射中存在α和β射線，并指明了它們的一些性質(zhì)。

同年，由于加拿大麥吉爾大學(xué)的麥克唐納物理系主任一職空缺，他得到了擔(dān)任這一職務(wù)的機(jī)會(huì)。在那里，他取得了幾項(xiàng)開創(chuàng)性的成果，這包括：

• 發(fā)現(xiàn)了氡（Rn），


• 證明了放射現(xiàn)象只是某些元素的自然嬗變，


• 證實(shí)了α粒子可以在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)，


• 確定了礦物的年代，計(jì)算出了地球的年齡。

1900年，牛津大學(xué)的化學(xué)家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）來(lái)到麥吉爾大學(xué)，他與盧瑟福一起合作，共同創(chuàng)立了放射性的“衰變理論”，他們認(rèn)為放射性現(xiàn)象是一種原子過(guò)程，而不是分子過(guò)程。這一理論得到了大量實(shí)驗(yàn)證據(jù)的支持，大量新的放射性物質(zhì)相繼被發(fā)現(xiàn)。

在曼徹斯特的日子

1907年，盧瑟福返回英國(guó)，成為曼徹斯特大學(xué)的物理教授。在那里，他開始繼續(xù)跟進(jìn)麥吉爾大學(xué)的實(shí)驗(yàn)。他注意到當(dāng)一束α粒子穿過(guò)空氣或一層薄薄的云母片時(shí)，就會(huì)變得模糊，其散射角度大約為2°，這表明存在強(qiáng)度為100MV/cm的電場(chǎng)。因此盧瑟福斷定，原子內(nèi)一定有很強(qiáng)的電場(chǎng)存在。

在曼徹斯特，盧瑟福有了一個(gè)助手，漢斯·蓋格（Hans Geiger）。蓋格精確地測(cè)量了這些以小角度從金箔散射的α粒子的數(shù)量。1909年，在盧瑟福的指導(dǎo)下，蓋格和一名當(dāng)時(shí)年僅20歲的本科生歐內(nèi)斯特·馬斯登（Ernest Marsden）對(duì)一個(gè)新課題展開了研究。盧瑟福讓他們通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)研究α粒子是否會(huì)從金屬塊上散射。很快，馬斯登便發(fā)現(xiàn)α粒子的確是會(huì)散射的，而且哪怕使用的不是金屬塊，只是一片金箔片，也會(huì)出現(xiàn)到這種現(xiàn)象。這完全出乎他們的意料。

之后，盧瑟福終于想通了原子的結(jié)構(gòu)，他提出了“原子核”的概念，他認(rèn)為在原子的中心，有一個(gè)只占據(jù)了原子千分之一大小的核結(jié)構(gòu)。這是他對(duì)物理學(xué)的最大貢獻(xiàn)。在他的理論中，原子核基本上構(gòu)成了整個(gè)原子的質(zhì)量，并且原子的所有正電荷都集中在中心的一小塊空間里。

1912年尼爾斯·玻爾（Niels Bohr）加入了盧瑟福在曼徹斯特的研究團(tuán)隊(duì)，他將盧瑟福的核結(jié)構(gòu)與馬克斯·普朗克（Max Planck）的量子理論相結(jié)合，得到了一個(gè)原子結(jié)構(gòu)的理論，在后來(lái)得到改進(jìn)之后，這個(gè)理論沿用至今。

在1913年前后，盧瑟福要求馬斯登用α粒子和輕原子（尤其是氫原子）來(lái)玩“彈珠”游戲。經(jīng)典計(jì)算表明，當(dāng)一個(gè)α粒子與一個(gè)氫原子核正面碰撞時(shí)，會(huì)導(dǎo)致氫以1.6倍的速度反沖，其反沖范圍是擊中它的α粒子的4倍。質(zhì)量較小、電荷較少的氫的反沖可以通過(guò)探測(cè)屏幕上較輕微的閃光而被觀測(cè)到，屏幕所在的位置遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于α粒子的傳播范圍。

馬斯登將它觀測(cè)到的這種長(zhǎng)射程的粒子命名為“H”粒子，它們是從氫氣和富含氫的材料薄膜（如固體石蠟）中產(chǎn)生的。他還注意到，α粒子在空氣中運(yùn)動(dòng)也可以產(chǎn)生這種長(zhǎng)射程的H粒子。但他不知道它們具體是如何產(chǎn)生的，有人提出可能是氣體中的水蒸氣、儀器中吸收的水，甚至有可能是α粒子源產(chǎn)生的輻射。

到了1914年中，他們的合作接近了尾聲。在接受新西蘭的一份工作之前，馬斯登完整地寫下了他在這段時(shí)期所作的研究工作。與此同時(shí)，盧瑟福起航前往加拿大和美國(guó)進(jìn)行演講，在返回到曼徹斯特的三天之前，歐洲宣戰(zhàn)了。

原子衰變

1915年1月，盧瑟福終于通過(guò)北大西洋的U型潛艇回到了曼徹斯特。那時(shí)，曼徹斯特已經(jīng)完全變成了另一個(gè)世界，年輕人都去打仗了。為了幫助海軍部，盧瑟福將他的研究轉(zhuǎn)向了另一個(gè)問(wèn)題：如何在水下探測(cè)潛水艇。這是當(dāng)時(shí)在戰(zhàn)爭(zhēng)中的一個(gè)亟待破解的問(wèn)題，他將定向水聽(tīng)器用在了艦隊(duì)的船只上。

直到1917年，盧瑟福才重新回到他原本的科學(xué)研究上，繼續(xù)研究α粒子從輕原子散射的問(wèn)題。他研究了長(zhǎng)射程氫粒子在幾種介質(zhì)中的反沖。他發(fā)現(xiàn)當(dāng)空氣或氮?dú)獯嬖跁r(shí)，這些“反沖”粒子的數(shù)量會(huì)增加。他推斷α粒子進(jìn)入了氮原子的原子核，釋放出一個(gè)氫原子核。這標(biāo)志著一個(gè)新的發(fā)現(xiàn)：氫原子核是較大原子核的組成部分。后來(lái)，盧瑟福為它們?nèi)∶麨?strong>質(zhì)子。

1919年，盧瑟福收到了劍橋大學(xué)的邀請(qǐng)，成為了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)教授。由于1917年的研究結(jié)果被推遲到戰(zhàn)后才發(fā)表，因此在1919年，盧瑟福發(fā)表了四篇關(guān)于輕原子的論文。在第四篇文章《氮的異常效應(yīng)》中，他寫道：“我們必須得出這樣的結(jié)論：氮原子衰變了……擺脫束縛的氫原子構(gòu)成了氮原子核的組成部分?！?/span>

1920年，盧瑟福首次提議要從穩(wěn)定的α離子和H離子中構(gòu)建原子。他還提出一定存在有質(zhì)量但無(wú)電荷的粒子（中子），這樣才能解釋同位素的存在。在威爾遜云室里，他觀察到α粒子在其傳播范圍的盡頭會(huì)出現(xiàn)分叉的軌跡。一名日本的訪問(wèn)學(xué)者Takeo Shimizu建造了一個(gè)全自動(dòng)的威爾遜云室，他還建造了兩臺(tái)相機(jī)，以便以互為直角的角度拍攝它們的軌跡。在Shimizu返回日本后，帕特里克·布萊克特（Patrick Blackett）接手了這個(gè)項(xiàng)目，在經(jīng)過(guò)一些修改之后，到1924年時(shí)，他已經(jīng)拍攝了大約23,000張照片，顯示了約400,000條軌跡。布萊克特后來(lái)寫道：“從這些照片從得出的新穎結(jié)果是，α被氮原子核捕獲，釋放出一個(gè)氫原子，然后產(chǎn)生一個(gè)新的未知的同位素氧1?O?！?br/>
1908年，盧瑟福因“對(duì)元素衰變和放射性物質(zhì)化學(xué)的研究”而被授予諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室里，他是最激勵(lì)人心的領(lǐng)導(dǎo)者，他引領(lǐng)了許多后來(lái)成為諾貝爾獎(jiǎng)得主的科學(xué)家走向?qū)儆谒麄冏约旱膫ゴ蟪删停翰榈峦?、布萊克特、科克羅夫特和沃爾頓……還有其他一些曾在卡文迪許與他共事過(guò)的諾獎(jiǎng)得主：G.P.湯姆森、阿普爾頓、鮑威爾和阿斯頓。

他的合著者C.D.埃利斯曾說(shuō)：“卡文迪什的大多數(shù)實(shí)驗(yàn)實(shí)際上都是在盧瑟福的直接或間接建議下開始的”。雖然對(duì)單個(gè)α粒子的探測(cè)、對(duì)原子核結(jié)構(gòu)的發(fā)掘，以及對(duì)質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)沒(méi)有為他迎來(lái)第二次諾貝爾獎(jiǎng)，但很少有人會(huì)去質(zhì)疑這位物理學(xué)巨匠所作出的巨大貢獻(xiàn)。在科學(xué)研究中，他一直保持活躍，直到生命的盡頭。



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