欧内斯特·卢瑟福—

核物理学之父

很早以前，炼金术士们就梦想着有一天能把不值钱的铁变成昂贵的金子，甚至可以随心所欲地改变物质。他们还梦想能再现他们认为地底下进行着的一个过程，即地底下形成的金属随着年代的消逝变得越来越金贵，铅变成了银，银又变成了金。冶金学家在铅矿中发现银子以及其他一些现象对这种梦想起到了推波助澜的作用。他们希望能在实验室里人为地加速这种在地底下进展缓慢的演变过程，看上去他们是在追逐金银，但实际上他们是在追求一种完美。炼金术只是炼金术士们的一种工具，其核心是追求变化，是探求通往完美的钥匙“哲人石”（即点金石）。

■欧内斯特·卢瑟福

19世纪末期，炼金术士们的观点和想法渐渐被人们遗忘，只是在怀念近代科学以前的自然观时人们还能依稀可见炼金术的思想痕迹，就是在这一时期，炼金术士的继任者们，即后来的化学家和物理学家们实现了早已被人们遗忘了的梦想，即元素的相互转化。他们的“哲人石”最后被证明不是通向完美的钥匙，而成了摧毁的工具。欧内斯特·卢瑟福是现代炼金术士的代表人物。

19世纪末，人们已具备实现梦想的认知，并在实现的方法上取得了突破性进展。约瑟夫·约翰·汤姆逊发现，当时许多物理学家研究试验用的阴极射线是由带电的微粒组成的，他测出了阴极射线的质量与电荷之比，并得出结论说阴极射线的质量是氢原子的约二千分之一，于是电子就这样被发现了。威廉·康拉德·伦琴也发现，阴极射线投射到玻璃管壁上就会形成一种新的射线，而这种新射线能在一定程度上穿透所有物质。此后不久，亨利·贝克勒尔也发现，某些元素有一种具有类似伦琴射线穿透力的天然辐射，后来，玛丽·居里及其丈夫把这种发出射线的能力称为放射性。

■卢瑟福原子模型建立在他1911年的发现之上：处于原子中心的带正电的原子核与围绕它旋转的带负电的核外轨道电子正负电荷正好抵消

破纪录的物理学家

欧内斯特·卢瑟福是个极具天赋的多面型实验家，在研究放射性元素之前，他曾研究过高频电磁场，并发明了一种磁探测仪，他发明的磁探测仪可接收到半英里以外的放射波，这在当时为世界之最。

欧内斯特·卢瑟福曾在约瑟夫·约翰·汤姆逊手下工作过，对这一系列的进展非常了解。在贝克勒尔发现公布后不久，卢瑟福就开始研究这种新射线的特性，他发现有两种不同的射线，他将它们分别称为α射线和β射线，当时他并没有意识到，他在这两种射线中实际上已找到了“哲人石”：一种可使物质变化的手段。卢瑟福起初用铀后来用镭来做试验，将射线投射到极薄的金箔上，并对射线做出了极为细致的观察和研究，通过射线的折射方式和在不同角度的折射力度的细微研究，他最终断定，这种特殊的物质是由原子组成的。

早在19世纪初，约翰·道耳顿（1766—1844）就提出了所有元素都由同类的原子组成的观点，即铁由铁原子组成，金由金原子组成。在热力学计算中，道耳顿的观点似乎还顺理成章，原子就像极微小的坚硬而无结构的弹子。然而，这种观点后来站不住脚了，因为人们从带电的物质（如阴极射线）的相互作用中发现，原子本身也有带正电和负电的内部结构。于是，约瑟夫·约翰·汤姆逊提出了所谓的“葡萄干布丁模型”，根据这种模型，所有原子由带正电的液体（布丁）和储存在液体中负电荷（葡萄干）组成，汤姆逊认为，正负电荷总体上相互抵消。在用α射线作照射试验时，卢瑟福惊奇地发现，一小部分α射线照射到金箔上后又反射了回来，就像被某种很重的东西碰撞后弹了回来一样。“这是我一生中所经历的最不可思议的现象，这就像有人将1 5英寸的榴弹射向一张丝棉纸而榴弹又弹回来击中那个人一样”，欧内斯特·卢瑟福曾这样激动地描述他的发现。此后他花了整整两年时间对这种怪现象进行研究，最终以“卢瑟福原子模型”对此作出了解释。

■欧内斯特·卢瑟福（右）在剑桥卡文迪许试验室1932年他与欧内斯特·沃尔顿博士和约翰·科克罗夫特博士一起成功进行了核衰变试验

卢瑟福的原子模型类似一个行星系统，模型中央是极其微小但质量很重的带正电荷的原子核，在离它很远的轨道上有许多电子在旋转，这些电子的数量正好能抵消原子核的电荷。卢瑟福的原子模型标志着新的微观物理学的诞生。化学家们失去了在微观反应方面的垄断地位，α射线和β射线以及后来的中子射线成了改变原子核的工具和传感器。从此以后，在化学元素反应的领地边上，又增加了一块原子核反应的物理学领地，卢瑟福本人则把它称为“现代炼金术”。

■剑桥卡文迪许试验室的一个试验间。第一次世界大战后，欧内斯特·卢瑟福出任该试验室的主任

在后来的一段时间里，卢瑟福的学生证实，α射线由带正电的微粒组成，这种微粒与氦原子核同质。1900年左右，卢瑟福和化学家弗莱德里克·索迪在用钍做试验时就发现，元素的转变会带来放射性，索迪通过实验证实，钍会将氡元素作为气体释放出来。1919年，卢瑟福成功地完成了人工核衰变，将氮衰变为氧。无论是当时还是现在，人们都还无法随意摆布原子核，但至少从原理上来讲，古老炼金术士们关于元素转换的梦想已成为现实。

■钋裂变时的α射线散射状。卢瑟福在做散射实验时发现，α射线和β射线可改变原子核，这为后来的核裂变反应奠定了重要的基础

卢瑟福在1920年就正确地估计到，肯定还应有一种不带电荷的原子核组成成分，即中子，12年以后，卢瑟福的学生詹姆斯·查德威克（1891—1974）终于证实了中子的存在。欧内斯特·卢瑟福不但因其开创性的成就对物理学产生深远的影响，同时还培养出了一大批年轻的科学家，从他的卡文迪许试验室里走出了许多诺贝尔奖获得者，其中核裂变的发现者奥托·哈恩就是其中之一。

用衰变方法来处理核废料

今天，许多物理学家对衰变还一直寄予厚望，与中世纪的前辈们不同，他们并不想通过元素衰变来制造贵金属，而试图通过它来处理核电站产生的核废料。核废料主要是放射性裂变的产物，其放射性作用往往经久不衰，科学家们希望能通过被称为“现代哲人之石”的中子照射来缩短这种裂变产物的作用寿命，从而为核废料的最终贮存创造有利条件。意大利诺贝尔物理学奖获得者卡洛·鲁比亚提出了一个通过中子照射来处理核废料的方案， 目前，相关的示范焚烧设备正在规划设计中。毫无疑问，采用这种处理方法只能缓解核废料所带来的问题，不可能从根本上解决核废料问题。

欧内斯特·卢瑟福

生平与学术生涯

欧内斯特·卢瑟福于1871年8月30日出生在新西兰纳尔逊附近的布赖特沃特，父亲是一名苏格兰车轮工匠，母亲是一名英格兰教师，父母亲分别于19世纪40年代和50年代移居新西兰，在全家12个孩子中欧内斯特排行第四。天资聪慧的欧内斯特在1889年获得了大学奖学金，并于1893年以全校物理学和数学最佳成绩结束了大学学业。1895年他获得一项天才生奖学金，来到了剑桥大学三一学院，在著名物理学家约瑟夫·约翰·汤姆逊手下工作。1897年，汤姆逊证实了电子的存在。1898年，欧内斯特·卢瑟福来到加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学任物理学教授，在加拿大，卢瑟福完成了许多有关天然放射性的重大研究工作，认识到天然放射性与元素转变有关。1908年，卢瑟福因在“元素衰变和放射性物质的化学研究”方面的杰出成就被授予诺贝尔化学奖。在这之前，他已从加拿大返回英国，并出任曼切斯特大学物理学讲席的要职。在曼切斯特，卢瑟福根据α射线散射试验结果提出了著名的原子模型。1919年，卢瑟福接替导师汤姆逊出任剑桥大学卡文迪许试验室主任，同年第一次成功地进行了人工元素衰变试验， 1920年，卢瑟福提出了存在中子的假设，12年后，卢瑟福的猜想被学生詹姆斯·查德威克所证实。在剑桥的卡文迪许试验室里，卢瑟福主持筹划了许多重大科研项目，培养了大批科研后备人才，他们中有许多后来也都成为诺贝尔奖获得者。1914年，卢瑟福被授予骑士称号，1931年受封为纳尔逊男爵。欧内斯特·卢瑟福一生获得许多嘉奖和荣誉，直到生命的最后一刻仍在为科学操劳。1937年10月19日，欧内斯特·卢瑟福离开了人间。

相关知识

原子

原子涉及物理和化学两个领域，根据20世纪前几十年形成的理论，每个原子都由一个带正电的几乎包含原子全部质量的核和一个带负电的电子云组成，带负电的电子就像洋葱头外壳一样围绕与之相距遥远的原子核高速旋转，所谓相距遥远是相对于原子核的体积而言，与宏观物质相比实际上是极细微的。原子核本身由正电粒子（质子）和中性粒子（中子）组成。电子云中的电子数量与原子核中的质子数量相等，所以，原子对外呈中性状态。不同元素的原子的区别在于其电荷数量，即带正电的质子数量及与此相对应的电子云中的电子数量。元素的化学特性（即易与哪些其他元素发生反应）完全取决于原子最外层中的电子，因为当两个原子结合时，最外层的电子必须能相互“融合”。原子的物理特性（如元素的质量）则主要取决于原子核的质子与中子数之和。

推荐

阅读：

《欧内斯特·卢瑟福——核科学之父》， Naomi Pasachoff著，Berkeley 2005

《欧内斯特·卢瑟福与原子弹爆炸》， J. L. Heilbronn著，Oxford 2003

《卢瑟福与现代科学的发展》，阎康年著，北京科技文献出版社1987

网站：

www.rutherford.org.nz

点评

他一头扎进了原子，使炼金术士们让元素相互转变的梦想变为现实。欧内斯特·卢瑟福成功地解释了原子及其结构的各种复杂关系。