揭开原子内幕的卢瑟福

Ernest Rutherford 1871——1937

 

    卢瑟福1871年8月30日生于新西兰的纳尔逊,毕业于新西兰大学和剑桥大学。1898年到加拿大任马克歧尔大学物理学教授,达9年之久,这期间他在放射性方面的研究,贡献极多。1907年,任曼彻斯特大学物理学教授。1908年因对放射化学的研究荣获诺贝尔化学奖。1919年任剑桥大学教授,并任卡文迪许实验室主任。1931年英王授予他勋爵的桂冠。1937年10月19日逝世。

    在19世纪末,物理学上爆出了震惊科学界的“三大发现”:1895年,德国物理学家伦琴发现了X射线,同一年,法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射性; 1897年,英国物理学家汤姆逊1859一1940)发现了电子。这些伟大发现激励了卢瑟福,使他决心对原子结构进行深入研究。

    1899年,卢瑟福用强磁场作用于镭发出的射线,他发现,射线可以被分成三个组成部分。他把偏转幅度小的带正电的部分叫a 射线,把偏转幅度大的带负电的部分叫b 射线,第三部分在磁场中不偏转,且穿透力很强,他称之为r射线。

    1903年,卢瑟福证实a 射线是与元素氦质量相同的正离子流(氦核),b 射线则是带负电的电子流。卢瑟福把a 射线也称为a 粒子,他进一步用实验证明,a 射线打击到涂有硫化锌的荧光屏上,就会发出闪光。因此,他利用这一现象制成了可以观测澈粒于的闪烁镜。

    卢瑟福进一步对口射线的穿透力进行研究,他发现,大部分a粒子都可以穿透薄的金属箔,这些粒子在金属箔中“如入无人之境”,可以大摇大摆地通过。这一现象说明,固体中原子间并不是密不可人的,排列并不紧密,内部有许多空隙,所以a粒子可以穿过金属箔而不改变方向。

    实验发现,也有少数a粒子穿过金属箔时,好象被什么东西挤了一下,因而行动轨迹发生了一定角度的偏转。还有个别的以粒子,好象正面打在坚硬的东西上,完全反弹回来。根据以上a粒子穿过金属箔的实验现象(这个实验被称为a粒子散射实验),卢瑟福设想,原子内部一定有一个带正电的坚硬的核,a粒子碰到核上就会被反弹回来,碰偏了就会改变方向,发生一定角度的偏转,而原子的核占据的空间很小,所以大部分a粒子还是能穿过去。他根据这一假定计算出,原子核半径约为3×10-12厘米,而原子的半径为1.6×l0-8厘米。

    1911年,卢瑟福受“大宇宙与小宇宙相似”的启发,把太阳系和原子结构进行类比,提出了一个原子模型。他认为,原子象一个小太阳系,每个原子都有一个极小的核,核的直径在10-12厘米左右,这个核几乎集中了原子的全部质量,并带有之单位个正电荷,原子核外有之个电子绕核旋转,所以一般情况下,原子显中性。

    卢瑟福发现了原子核以后,进一步用各种金属做“粒子散射实验,发现不同的金属对”粒子的散射能力不同,散射能力越强,证明核带的正电荷越多,因而斥力也就越大。 1913年,卢瑟福的学生和助手莫斯莱,在卢瑟福指导下,证明各种不同元素原子核所带的电荷数,正好等于它们的原子序数。卢瑟福的原子模型,成功地解释了许多物理化学现象,但后来的研究发现,它有很大的局限性。他的学生、丹麦物理学家尼尔森·玻尔,综合了普郎克的量子论、爱因斯但的光子论,在卢瑟福原子模型的基础上,提出了原子的玻尔模型,这个模型比卢瑟福模型有很大改进,但它是经典力学与量子论相结合的产物,故随着科学的发展,出现了很多不符合实际的情况,所以后来被量子力学模型所取代。

    卢瑟福在核化学方面做出过杰出的贡献。他用a粒子散射研究原子核时,发现对于轻元素来说,往往出现反常现象。他当时认为,可能是因为轻核的核电荷少斥力小,高速a粒子有可能克服斥力,打到轻核里面去,因而出现反常。后来他就按着这个想法深入进行研究。卢瑟福首先选用最强的放射源,当时叫镭C',实际上是204Po,对轻元素进行轰击。1919年,他在用a粒子轰击氮时,发现产生出一种新的、射程很长、质量更小的粒子,经研究证明,这种粒子是氢的原子核。卢瑟福把他发现的这种粒子命名为“质子”。在这一实验中,他不仅发现了质子,还实现了人类历史上第一个核反应:

   14N+4He——>17O+1H
    接着他又发现,硼、氟、钠、铝、磷等元素都能发生核反应,在核反应时,一种元素可以变成另一种元素。1920年,卢瑟福又提出了中子假说,他认为原子核中,质子可能与电子紧密地结合,形成一种不带电的粒子,即中子。他推测,因为中子周围不形成电场,所以当它通过气体时,应不产生离子。它不受电场作用力的影响,所以,穿透力会很强,只有当它与原子核发生正面碰撞时,才会转折。而被碰撞的核,因为得到一定的动能,可能以一定的速度射出。

    卢瑟福关于中子的预言,在1932年,被查德威克所证实,他用a粒子轰击铰元素而得到中子:

    9Be+4He——>12C+1n

卢瑟福对放射性的研究,最终指明了原子擅变的可能性,实现了中世纪以前炼金术士的梦想。此外,卢瑟福还对天然核裂变现象做了理论上的探讨。他认为,天然放射性是基本原子的爆炸分裂造成的,在以天文数字计算的原子中,某处会突然发生爆裂,放出各种射线,而所留下来的部分就成了另外的原子。如果爆裂时射出的是一个a质点,则这种新元素的原子量比爆裂前将减少一个氦原子的原子量。在卢瑟福时代,只知道重原子的裂变,还不知道轻原子可以聚变,无论是裂变还是聚变部能放出能量。

    卢瑟福为人正直,尽瘁科学,不阿权贵,他还是一个伟大的教育家,为人类培养了许多第一流的专家,如玻尔、莫斯莱等。池逝世以后,每年人们都在10月19日为他进行悼念活动。