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主题:结构论文写作 时间:2024-02-25

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“这是我挖的最后一个土豆了”

外表粗犷、性情豪放、留着一把海象式胡须的卢瑟福,怎么看都不像是一个做学问的人.在他功成名就之后,他的一位得过诺贝尔奖的学生詹姆斯·查德威克对他有过这样一番描述:“卢瑟福看起来更像是一个成功的商人,或是大农场主,而不像是学者……”而他本人年少时曾希望长大以后当一个农民.

1895 年夏初的一天,当卢瑟福做乡村教师的母亲带给他一个行将改变自己命运的喜讯时,他正在他父亲经营的农场里干活.据说他听罢马上甩掉手中的铁锹,以他特有的大嗓门嚷道:“这是我挖的最后一个土豆了.”

作为英国移民的后代,出生于新西兰的卢瑟福一贯成绩优异,并表现出超常的实验动手能力.课余时间,他喜欢摆弄钟表、拆解东西、制造各种模型.他在坎特伯雷学院拿到了文科硕士学位,同时获颁数学和物理学两个一等荣誉,并因此受到资助鼓励继续攻读,又取得了理学学士学位.

这个时候,英国为英属地青年学者设立的一项奖学金开始了本年度的推选,全新西兰只有一个名额.卢瑟福起初是被主考官认定的两名奖学金候选人之一,但被排在了第二位,他提交的研究论文是关于电磁波研究的最新实验报告.可到了最后关头,先被选中的那个研究黄金处理的候选人突然决定结婚,留在新西兰,好运便顺理成章地降临在卢瑟福身上.

也就在这一年的岁尾,物理学领域出现了一个石破天惊的意外.

亚原子粒子世界的大门被打开

1895 年11 月8 日,德国物理学家威廉·伦琴在研究阴极射线时,无意中发现了一种能够穿透玻璃、木头乃至人体等许多不同类型物质的神奇放射物,他将其命名为X 射线(后被证实是波长比可见光短的电磁辐射的一种形式),从而引发了科学界探究这一新现象本质的热潮.

几个月后,法国物理学家亨利·贝克勒尔在进一步研究X 射线时十分偶然地发现,铀盐(含铀矿物)也会发出某种穿透性很强的未知射线.这种自发放射出的“铀射线”和X 射线一样,能把周围的空气变为导电体,使验电器放电.

“铀射线”也引起了法国物理学家居里夫妇的极大兴趣,他们把这种放射现象称为“放射性”,同时在思考:铀化合物不断地以辐射形式发出的能量来自哪里?这种辐射的性质究竟是什么?

24 岁的卢瑟福就在这节骨眼上进入剑桥大学卡文迪什实验室,在实验室主任、著名物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙手下做研究.时年39 岁的汤姆孙是电磁学领域的一流专家,而且善于识人、用人、带团队,他很快便看出卢瑟福非同寻常、可堪大用,遂建议其研究X 射线对气体放电的影响.不久,卢瑟福发现X 射线会电离气体分子.汤姆孙就此提出了电离理论,说明在X 射线作用下气体会生成等量的正电离子和负电离子(后来这成为检验X 射线存在的方法).

汤姆孙同时还在研究阴极射线.1897 年,他用实验证明阴极射线实际上是一种带负电的微粒,其质量仅仅是氢原子质量的一个很小的分数值(后来确知此值约为1/1836),而其电荷却与氢离子的带电量相同.电子,就这样被发现了(汤姆孙因此获得了1906 年的诺贝尔物理学奖),亚原子粒子世界的大门随之被打开.

原子内部发生了什么?

这一时期,卢瑟福对放射性的研究也取得了重要进展.当居里夫人找到化学方法分离铀的时候,他另辟蹊径发明了用物理技巧去标定与放射性有关的辐射.他既分析包含有多种成分的辐射,也分析放射性物质自身的变化.

在实验中,卢瑟福用多层铝箔包裹铀,以此检测“铀射线”的穿透力.他发现,铀放射源发出了两种不同的射线.一种不太活跃,穿透力弱,辐射范围小;一种比较活跃,穿透力强,辐射范围大,而且不易被空气吸收.他把前一种射线命名为“α 射线”,后一种命名为“β 射线”.由于这两种射线都是由高速粒子组成的,所以常常又称它们为“α 粒子”和“β 粒子”.

卢瑟福进一步研究确认,α 射线带正电,实则是一种高速运动的氦离子流,即失去了电子的氦原子流;β射线带负电,实则是一种高速运动的电子流.1900 年,法国物理学家保罗·维拉德发现,在镭的辐射中还有一种不受磁场影响(而发生偏转)的成分,其穿透力比β 射线更强.卢瑟福通过实验证明这种射线是高能量的电磁波,并命名为“γ 射线”.

1901 年,在加拿大麦基尔大学担任物理学教授的卢瑟福,与来自英国的化学家弗雷德里克·索迪合作,继续探索放射性物质.他们把铀和钍进行化学处理并研究它们的辐射过程,证实铀和钍在整个辐射过程中依次转变成了一系列的中间元素,直到变成一种稳定形式(即没有放射性的另一种元素).

进而,他们在1902 年提出了原子嬗变假说,认为放射性物质由一些不稳定的原子组成,每单位时间都有确定的一部分原子通过发射(α、β、γ)射线而衰变成不同性质的另一种新原子.而且,每种放射性物质都有特定的半衰期(样品中半数原子发生衰变所需的时间).

这意味着,原子并非像原来人们所认为的那样永远不变、不可分割.放射性可以看作是原子内部发生某种基本变化的暗示,或是一种能够使物质变化的手段.

然而,更大的惊奇还在后面.

从物理学家蜕变成化学家

1902 年,31 岁的卢瑟福写信给母亲说:“我必须坚持往前走,因为总是有其他人与我的研究路线相同.为了保持领先,我必须尽快发表目前的研究成果.”这一年,他与索迪在《放射性的原因和性质》这篇论文中,报告了他们有关放射性性质的结论.

在他们看来,辐射是原子衰变的产物,亦是一种探索原子的工具.通过定量分析出这些衰变过程放出的巨大能量,他们认为,放射性变化的能量一定至少是化学变化能量的2 万倍,并且可能是百万倍,大大高于任何分子变化的能量.

科学直觉超强的卢瑟福还敏锐地意识到,放射性物质稳定的衰减速度(半衰期) 可以用来确定岩石的年龄,即推测其形成的年代,这样他就“意外”地开创了放射性测定年代新学科.

1907 年,卢瑟福回到英国,被聘为曼彻斯特大学物理学教授.因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”,卢瑟福荣获1908 年诺贝尔化学奖.在作领奖演说时他打趣道:“在我的一生中,经历过各种不同的变化,但最快的一次变化要算这次了,一夜之间我从物理学家蜕变成了化学家!”

功勋卓著、声誉日隆的卢瑟福没有停止探索创新的步伐.1911 年,他发现了原子的核式结构,即几乎所有的原子质量都聚集在原子一个非常细小的“原子核”内(这一原子结构的“行星模型”理论后来由他的学生、丹麦物理学家尼尔斯·玻尔完善).1919 年,刚刚成为剑桥大学卡文迪什物理学教授的卢瑟福利用α 粒子轰击氮原子,成功地将氮原子核转变成氧原子核,在人类历史上首次通过实验实现了原子核的人工转变,也是第一次成功地、有目的地使一种元素转变成另一种元素.

这一创举同时也第一次探测到了质子———实则是只带正电的氢原子核,即失去了电子的氢原子.1920 年,卢瑟福还大胆预言,原子核中一定还存在另外一种不带电的、可平衡质子之间作用力的中性粒子,即“中子”.12年后,他的学生查德威克用实验证实了他的猜想.中子的发现从实验方面导致了中子核反应、核裂变等现象的研究,迎来了核能利用的新时代.1934年,卢瑟福与两位同行在实验室中首次观察到了核聚变反应……

1937 年10 月19 日,卢瑟福在英国剑桥逝世,享年66 岁.为纪念他,第104 号元素(一种人工合成的放射性元素) 被以他的名字命名为Rutherfordium,符号为Rf.

(春美摘自《知识就是力量》2017 年第2期)

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