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E.卢瑟福Ernest Rutherford (1871~1937)
卢瑟福在实验桌前(1905)

  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决定向国内外开放招收研究生,卢瑟福进入三一学院。1895年获得剑桥大学第一批研究生奖学金,同年入卡文迪什实验室,成为J.J.汤姆孙的研究生。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J.J.汤姆孙,担任卡文迪什实验室主任。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。

目录

学术成就

  卢瑟福对物理学的主要贡献是:

放射性

  卢瑟福对于放射性的研究,开拓了原子核物理学原子物理学的新领域。1896年他同J.J.汤姆孙一道研究X射线在空气中产生电离的现象,随后又研究紫外光射在锌上产生离子的现象。1898年A.H.贝可勒尔(见贝可勒尔家族)发现铀自动发射出穿透性很强的一种新的辐射,象X 射线那样能使空气电离。这种现象引起他的重视,于是他的研究工作就转移到这一新领域,试图解决铀放射性之谜。

  不久,在发现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)之后,卢瑟福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一,含有两种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,卢瑟福在蒙特利尔发现钍放出放射性气体。他将这种气体称为钍射气,并发现钍射气还产生别的放射性淀积物,这时他与青年化学家F.索迪合作,至1902年共同发表了《放射性的原因和本质》这一划时代的论文,宣布放射性原子是不稳定的,通过放出α 或β粒子而自发地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(见放射系)。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。

  这期间他还编著了《放射性》一书,由剑桥大学于1904年出版,1906年再版改名为《放射性变化》。在这本著作中,他介绍了开尔文1902年提出的原子模型,就是把原子看成是均匀带正电的球体,里面埋藏着带负电的电子,正常状态下处于静电平衡(这个模型曾由J.J.汤姆孙加以发展,后来通称汤姆孙原子模型)。他还注意到1904年日本人长冈半太郎提出的围绕带正电的核心有电子环转动的原子模型。这个土星式模型对他后来建立原子有核模型很有影响。1905年他从α 粒子的电荷质量比值的测量等实验结果,相信 α粒子就是氦离子。

  在曼彻斯特,卢瑟福在研究生T.罗伊兹协助下,利用O.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,由于在放射性研究方面的杰出贡献,卢瑟福获得诺贝尔化学奖。当时人们认为这是属于元素性质的研究,而归入化学领域。他所用的研究方法也是后来发展的放射化学和核化学的先导。

卢瑟福散射和原子结构

  卢瑟福到曼彻斯特后,已在那里工作的德国物理学家H.盖革在卢瑟福的建议下,试图利用α 粒子导致的气体放电来记录α 粒子,从而发明了盖革计数管。1909年,盖革和他的助手E.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孙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。由盖革-马斯登α 散射实验的结果使他想到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,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(见原子结构)。

人工核反应

  第一次世界大战期间,他的研究生多转入战时工业中工作,他自己也部分地承担与战事有关的研究,寻求探测追踪潜水艇的方法。但仍继续核实验研究,开始了著名于世的用α 粒子轰击干燥空气,使氮核衰变,放出质子的实验。1919年这一工作终于完成,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J.查德威克已经证实,从原子序数为5的硼到原子序数为19的钾,除了碳和氧之外,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。他同查德威克和C.D.艾利斯合作,于1930年出版了巨著《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。

  从上述的卢瑟福的三方面成就来看:

  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,他已能在实验室中用人工加速的粒子来引起核反应。

结语

  客观地讲,卢瑟福所取得的伟大成就是时代的产物,是和20世纪初期社会经济的发展和科学技术的条件分不开的。但是就他本人而言,他在科学事业上取得突出的成就可归诸两个因素:

  首先是他的惊人的洞察力和坚持不懈的工作精神。正如在他领导下工作过的N.玻尔所说:“他的一生的一切方面都有同他所声称的、大自然所具有的、同样的简单性特征,这个自然界的简单性他能够发现而别的人就不能发现,别的人以前就不能看出来。”这里所谓简单性也就是规律性。卢瑟福的洞察力就表现在能从复杂的现象中抓住他所要研究的规律性,并且以坚持不懈的努力来找出和论证这种规律性。例如关于物质的放射性这一复杂的现象,卢瑟福在研究过程中很早就紧紧抓住了对射线本质的鉴定和产物性质的分析这两个关键问题,最终确立了放射性衰变的简单而意义重大的规律。

  20世纪初期物理学的一个重大发展趋势是逐步进入微观领域。这一进展对实验技术方面提出的重要课题是怎样有效地获得关于物质微观结构的信息。卢瑟福简单地然而十分成功地解决了这一问题,那就是用微观粒子(当时主要用α 粒子)作为探针和应用可以观察个别的微观事件的探测器(当时主要用盖革计数器和威尔孙云室)。这些显然是他观测微观事件的必要条件。他所获得的辉煌成就是与他所采用的正确技术途径分不开的。

  卢瑟福善于识别、选择和培养人才,并且能团结一批卓越的物理、化学和技术专家在他周围工作,这是他取得成就的第二个重要的因素,也是他对科学发展的又一项重大的贡献。无论是早期与他合作的索迪,在曼彻斯特的盖革和N.玻尔,还是后来在卡文迪什实验室围绕他工作的一批实验核物理学家,大都成为著名的学者,其中有的是诺贝尔奖获得者,有的在实验技术上作出重大贡献。正是他的知人善任和精心培养,在J.J.汤姆孙和他两代人的领导下使卡文迪什实验室人才云集,成为物理学研究的重要中心。

  当然,作为一个科学家,卢瑟福也会有失误。人们经常提到的是他关于核能利用的错误论断。他曾断言:“就释放能量来说,用原子核来做实验可以说纯属浪费。”当然就当时已知的核反应来说,这种论断也是有事实根据的。然而在他死后两年,就在芝加哥建成了第一个裂变反应堆。这是新能源──核能的首次开发,标志着人类进入了一个新的时代──原子能时代。和科学史上曾经有过的多次先例一样,这一事例又一次表明了:看来似乎无用的基础研究,给生产力发展所带来的影响往往超过了甚至是当时最伟大的科学家的想像。总之,人们会永远为了进入原子能时代而更加怀念卢瑟福这位伟大的科学家。

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