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数理化通俗演义: 第五十七回悄然无声 张原子变

时间:2019-12-12 22:03来源:现代文学
上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部,发现了电子并提出一个原子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢?“不对!”汤姆生万没有想到说这个话的正是他的从大西洋那边归来的

  上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部,发现了电子并提出一个原子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢?“不对!”汤姆生万没有想到说这个话的正是他的从大西洋那边归来的一个学生卢瑟福(1871-1937)。

卢瑟福(Ernest Rutherford,1871—1937)1871年8月30日生于新西兰纳尔逊附近的泉林村.父亲是农民和工匠,母亲是乡村教师.他在小学就对科学实验产生了兴趣.由于成绩优秀,学习期间曾获一系列奖学金.1894年从坎特布雷学院毕业时,以该校空前的数学和物理双第一名的成绩获硕士学位,还因无线电实验研究方面有成绩获理学学士学位.毕业后,留校工作一年.1895年考取大英博览会奖学金,进英国剑桥大学卡文迪许实验室学习.开始时是以研究无线电为主,用自己的发射器和检波器实现了3.2 km的收发距离.

  卢瑟福1871年出生于新西兰一个偏僻的小村庄,家里有兄弟姐妹共十二人,这样的家庭自然不能对他娇生惯养,因此小卢瑟福倒尽得自然的优惠。他和伙伴们或山上放牛,或海边捕鱼,风风雨雨练出好一副强健的身骨,到后来他处于文弱的科学家堆中,无人不羡慕他的体格;另一方面潮涨潮落,那大自然的奥妙又启发了他的智慧,他从小就不满足于只学点能糊口的手艺,而向往解释宇宙,向往发明,向往创造。1889年,当他十八岁的时候便勇敢地去报考新西兰大学的奖学金,无疑这将决定一个农家孩子的命运。这天他正在菜地里挖土豆,他母亲突然气喘吁吁地跑来,还不到地头便兴奋地喊道:“孩子,你得到了!得到了!”

意大利人马可尼后来的成就中包括了对卢瑟福检波器的改进,但卢瑟福不计较个人名利,未与马可尼争无线电发明的优先权,还在1932年5月3日向马可尼颁发奖章时赞扬了马可尼的功绩.

  “得到甚么了?”卢瑟福还不知是什么事。

1896年春末,卢瑟福接受卡文迪许实验室主任J.J.汤姆生的建议,把研究方向转到放射性上.1897年卢瑟福发现,铀射线由两种成分组成,一种是易被吸收的射线,他称之为α射线;另一种是穿透性强的射线,他称之为β射线.同时他还根据实验预言,可能存在一种穿透能力更强的射线,这就是后来发现的并由他命名的γ射线.

  “奖学金,考上了!”

卢瑟福1898年在卡文迪许实验室研究生毕业后,由J.J.汤姆生推荐,到加拿大的麦吉尔大学任物理学教授.除教学之外,他继续研究放射性,与来自英国的青年化学家F.索迪合作,于1902年首先发现了放射性元素的半衰期,提出放射性是元素自发衰变现象,指出放射性和光谱实验表明,原子有一个很复杂的结构.1903年5月,他和索迪根据α射线和β射线在电场和磁场中的偏转度,辨别出它们分别由带正、负电的粒子构成.

  卢瑟福闻言将手中的铁揪用力摔在地上,他让自己激跳的心稍稍平静下来,然后说:“这是我挖的最后一颗土豆了。”

指出放射性元素的原子衰变时释放荷电粒子而变成性质不同的新元素,列出了早期的镭、钍、铀的衰变图谱,确认α射线的能量占放射性元素辐射能量的99%以上,为他们后来以α射线作为研究原子结构的炮弹提供了根据.1905年他应用放射性元素的含量及其半衰期,计算出太阳的寿命约为50亿年,开创了用放射性元素半衰期计算矿石、古物和天体年纪的先河.

  他大学毕业后先当了一段时间的中学教师,这时英国剑桥大学又给了新西兰一个享受奖学金留学的名额,而卢瑟福在大学时就自己动手制成一种灵敏的检波器,试验了在新西兰大地上的第一次电报,并且还发表了电磁学方面的论文。商人的资本是钱,学者的资本是论文,卢瑟福就靠这几篇论文来敲剑桥的大门,果然很灵。他的老师克顿教授为他为了一封很不平常的推荐信:“卢瑟福先生才华横溢,通晓数学的分析法和图解法,对于电学及其绝对测定法之最新成就具有极为广博的知识。卢瑟福先生为人诚恳,和蔼可亲,乐于帮助他人克服困难,凡与他有过交往的人莫不竭诚赞许,尊为良师益友。我们衷心地祝愿他在英国的科学研究同他在新西兰一样,取得非凡的成就。”

卢瑟福在放射性研究上取得的一系列重大成果,使他扬名于世.1907年他谢绝了一些著名大学的高薪聘请,而出任英国曼彻斯特大学的物理学教授,因为该校有设备先进的实验室和优越的科研条件.卢瑟福对α、β、γ射线作了大量的研究.1908年,他测算出β射线的电荷.1913年,他提出α粒子的带电量为2e,原子量为3.84,认为α粒子失去电荷后应变成氦原子.1913~1914年,他与人合作,测定γ射线的性质和波长,确认γ射线是一种比X射线频率更高的电磁辐射.

  卢瑟福从大洋彼岸的乡村来到剑桥的卡文迪许实验室这个物理精英荟萃的地方,他一身土气还没有退去。大都市里来的同学都有点瞧他不起,见他每天只知道埋头读书,便悄悄给他起了一个绰号——从安梯普斯山上抓来的一只光会挖土的野兔子。一天这些同学从外面归来,卢瑟福正在屋里看书,便请他们进屋,顺便请教几个问题。他们自然答不上卢瑟福提的问题,而且发现他桌上有二个从未见的检波器,那手工之精令他们叹为观止。这是由一根全长仅六英寸的金属线缠绕八十匝而成的线圈,中心一根钢针,长不过一厘米,直径只有一毫米的百分之七。过了几天卢瑟福就用这个检波器在半英里外检测电波,并且证明电波可以穿过闹市区、穿过人体和厚墙。而这时马可尼还没有试验成功他的检波器呢。这件事使汤姆生对卢瑟福刮目相看。他说:“在卡文迪许的所有学生中还没一人对研究所的热情能比过卢瑟福的。”那些原来瞧不起卢瑟福的学生自然也就十分敬重“这只光会挖土的野兔子”了。

卢瑟福早就有用α射线探索原子结构的想法.1903年他就发现α射线的能量比β和γ射线大99倍左右,1906年他又发现α射线通过云母片时,出现了偏转2°的小角度散射现象.1908年6月,盖革发现α射线的散射角与靶材料的原子量成正比.同年10月,布拉格写信给卢瑟福,告诉他用α粒子轰击原子时发生α粒子急转弯的现象.这些现象促使他和盖革决定用重金属靶进行散射实验.1909年3月,卢瑟福向正在实验的马斯登提出“看一看你是否能够得到从金属表面直接反射α粒子的效应?”

  如果卢瑟福果真沿着研究电磁波的路子走下去,也许物理史就要重写。是他的老师把他领到了另一个路口上。从这里眺望开去,似乎前景更加美好。因为这时汤姆生正在研究阴极射线,并且已经找到了电子。居里夫妇在很困难的情况发现了镭,并且正在全力以赴地提炼它。镭的放射性已引起科学界的大轰动。电子也好,放射性也好,X光也好,这些发现都将人们的视线引向一点——原子内部到底还有什么未知的秘密。汤姆生建议卢瑟福就来研究这个课题。而卢瑟福生来是个探险家的性格,他也觉得检波器方面已无甚么可再搞的了,便欣然开始了对原子的探试。

结果,马斯登发现了等于和大于90°的大角度散射现象.卢瑟福以特有的洞察力和直觉,抓住这个反常现象,从原子内存在强电场的思想出发,1911年构思出原子的核式结构模型.1912年,盖革和马斯登用实验证实了带正电的原子核的存在.1913年莫塞莱用元素特征谱线与原子序数的关系证实了核外电子环的存在.

  探试的第一步就是抓住镭放射出的射线,若它到底是些什么东西,然后就可以顺藤摸瓜追踪原子内的秘密。卢瑟福天生是个实验好手,他立即设计了一个实验,用一个铅块,钻上小孔,孔内放一点镭。这样射线只能从这个小孔里发出,然后将射线放在一个磁场里。奇怪的现象出现了,一束射线立即分成三股,有一股靠近N极偏转,有一股靠近S极偏转,还有一股不偏不倚一直向前。卢瑟福一一给它们取了名字,分别叫α、β和γ射钱。又经过测定,发现β射线原来和阴极射线一样,就是汤姆生证明的电子流。不过阴极射线是在真空放电时从阴极表面发射出来的,电子速度小,只有光速的百分之几,β射线是原子内部发出的,速度可达光速均百分之三十至百分之九十九,就是说每秒最少九万公里。它速度快,穿透力就强,在空气中可走几十米远,碰到几毫米厚的铝片也能穿过,难怪当年贝克勒尔把底片无论藏在何处都要漏光,正是它在作怪。

1918年,卢瑟福继J.J.汤姆生之后,担任卡文迪许实验室领导,将卡文迪许实验室发展到一个新的高峰.将物质微观结构的研究推向崭新的阶段,同时也培养出了许多青年科学家.

  α射线和β射线相反,粒子带的是正电荷,质量大,为4个原子质量单位,速度小,只有光速的十分之一,又慢又笨,穿透能力弱。一张薄薄的铝箔、一层裹底片的黑纸,甚至人体皮肤的角质层,都能将它挡住。

卢瑟福是20世纪初最伟大的实验物理学家,他1908年获诺贝尔化学奖.一生发表论文约215篇,著作6种,培养了10位诺贝尔奖获得者.1937年10月19日患肠阻塞并发症逝世,葬于伦敦威斯敏斯特大教堂牛顿墓旁.

  γ射线不带电荷,非正非负,处于正中,不受磁场的影响而偏转,它是X射线,不过比X射线的波长还要短,还不到一百亿分之一厘米。

  好个卢瑟福,真是出手不凡。十九世纪最后十年的二大发现在他这一个实验里全部得到解释。老师汤姆生发现的电子流就是他左手中的β射线,伦琴的X光就是他右手中的γ射线,而贝克勒尔、居里夫妇千辛万苦发现的放射性却不过是α、β、γ这三个希腊字母。镭为甚么会发光发热,原来它在自己放出能量做功呢。当然这里还有许多问题有待探寻,但这些发现足可以教他和他的同事们高兴一番了。

  却说卢瑟福将这些新发现兴冲冲地去向汤姆生汇报,汤姆生自然高兴。但是他听完汇报后却露出一种怅惘之情,卢瑟福似有所觉便恭敬地问道:“老师有什么重要吩咐吗?”

6165.com,  “是的,正有一件大事要与你商量。最近加拿大麦克吉耳大学物理系教授应聘到伦敦担任教职。为了挑选下个他的继任者加拿大方面特意派了代表来剑桥商谈此事。我考虑再三,恐怕你是一个最适合的人选。”

  “老师,我是远涉重洋来向您学习的,现在还没有学到多少东西怎能离去?”

  “不,你现在已完全能独立开展研究了。像你这样的人才总给我作助手反而压抑了你的才华,你应该有自己的学生,自己的助手,自己的实验室,放开手脚大干一番了。再者你离开了新西兰时就已订婚,也早该成家了,经济收入也不能不考虑,那边年薪500英镑,是一笔可观的收入。上任之后你就可以接来家眷,一心研究了。”

  “不过,我今年才29岁,我怕自己太年轻,做一个高等学府的教授,人家不一定看得起。"

  “不,年龄是次要的,主要是你有没有挑重担的勇气。我接替瑞利先生任这个卡文迪许实验室主任时,比你现在的年龄还小一岁呢。这正是干事业、闯禁区的最好年龄,你决不可随俗沉浮而作贱了自己的才华。机遇本就不可多得,得到机遇而又失去更会终生遗憾。况且你现在的名声已足可以和那些四、五十岁的教授相匹敌了,希望你勇敢地去上任吧。我这里已写好一封推荐信,他们会尊重你的。”

  卢瑟福接过信一看,上面写道:“在独创性的科学研究中,我从未见过有比卢瑟福先生更热情和干练有为的学生。我认为,不论那个大学,若能请到卢瑟福先生去担任物理教授,将是十分幸运的。”

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