[其它杂谈]核能史话  学生超越了老师 [第12页]

第二章：原子的结构

2、学生超越了老师

    人们为了进一步弄清原子内部的结构，就必须设法深入到原子里面去，对原子中的各种奇异现象进行探索。当时物理学家们在发现电子和其它放射性粒子的基础上，找到了用α粒子去轰击各种物质的试验方法，最后终于知道了原子中的电子和正电荷部分的分布情况，对原子内部的结构有了更深的理解。所有这一切应归功于汤姆逊教授最优秀的学生新西兰人欧内斯特·卢瑟福。正是他通过α粒子散射实验，比较满意地解决了原子内部的结构问题。

    早在1895年，卢瑟福已经是汤姆逊的得力助手。他们一起从事 X射线通过气体所产生的效应的研究工作。卢瑟福从中得到了很好的锻炼，为他以后攀登科学高峰打下了扎实的基础。1898年，经他老师的推荐，卢瑟福有机会去加拿大主持一项有意义的物理研究工作。在他受聘任职期间，对铀盐和钍盐所放射的“射气”进行了广泛而又深入的研究。

    从实验结果分析中，卢瑟福已经意识到这些“射气”与原物质的原子不同，是一种新的化学元素的原子。它和各种化学试剂不发生任何作用，故是一种惰性气体(即氡气)，由此卢瑟福提出了第一篇有意义的实验报告。他指出，从钍盐缓慢衰变中所放射出的“射气”，使钍永远在不断地失去某些东西。而剩下的钍仍具有发射“射气”的特性，并未察觉有丝毫减弱。

    在此同时，卢瑟福也对居里夫妇发现的镭所放出的射线进行了大量研究。1906年，卢瑟福等人从研究中弄清了α粒子的性质。他们通过用电磁场偏转α粒子，证明它带有两倍于电子电荷的正电荷。如果电子的电荷用符号“－”改示，那末α粒子所带的电荷就是“++”。另外α粒子的质量要比电子重得多，事实上，α粒子的质量约等于氦原子质量，或四倍氢原子质量，是电子质量的七干三百多倍。但是α粒子能够穿透物质，而氦原子是办不到的，故α粒子的半径要比氦原子小得多。还有，α粒子所带的能量也很大，约等于6百万电子伏特，且约以十二分之一光速的速率行进。

    卢瑟福在完整地研究了α粒子的基本特性后，就着手利用它去揭开原子内部的秘密。他大胆的设想，能否用α粒子打入原子内部，像“侦察兵”那样，到原子内部的微观世界里实地侦察一番。由于α粒子本身是一种带有正电荷的粒子，那末它在穿过原子时，和原子内部的正电荷部分能产生什么样的相互作用？原子中的正电荷部分到底是怎样分布的？卢瑟福就这样着手进行了一系列的α粒子散射实验。

    当时，卢瑟福的实验装置是比较简单的。他利用英国曼彻斯特大学所仅有的20毫克纯溴化镭，加上从维也纳奥地利科学院借来的350毫克镭盐组成α粒子发射源。同他一起进行α粒子散射研究的还有他的优秀助手德国物理学家汉斯·盖革博士。他们的实验装置如图所示。

    从图上可以看出，铅盒B中的镭所发射的α粒子束经过狭缝准直后，形成一窄束α射线，轰击在一片非常薄的金箔靶F上。经散射后的α粒子束被可以围绕靶子F转动的荧光屏S记录下来。而每次撞击所发出的闪光可通过显微镜M进行观察。

    卢瑟福他们就这样进行了许多次α粒子散射实验。最后，卢瑟福在他著名的论文《α和β粒子的放射与原子结构》中，对实验结果作了详细而又明确的解释。

    卢瑟福发现，当用一连串α粒子轰击金属箔(如金箔)时，那些川流不息的α粒子束中的大部分粒子都毫无阻碍地通过了金属箔，仍沿着原来行进的方向向前移动，这和其他物理学审所得的实验结果没有什么区别。如用他老师汤姆逊的原子模型来解释，说明在金属原子中质量很小的电子是无法阻挡质量比它大七千多倍的α粒子通过的。这就好像电子被α粒子挤在一旁，腾出通道好让α粒子穿过。即使原子中带正电的主体部分，似乎也并不坚硬，挡不住α粒子的去路。这只能说明，原子中的绝大部分必然是空隙。假如金属原子是实心的或基本上是实心的，那么即使是最薄的金属箔也会挡住大部分α粒子或使它们中的大多数改变方向。

    除此以外，卢瑟福的独到之处是他仔细观察了那些局部的特殊现象。他在实验中发现有一小部分α粒子穿过金箔时，好象撞到了什么东西似的，稍微偏转了方向，与粒子束原来的行进方向形成一个小角度，且仍能从金箔中挣脱出来。

    还有特别奇怪的是有个别α粒子，好像直接撞到了什么坚硬的东西而被偏离了一个很大的角度，更为惊奇的是卢瑟福还找到了直接向后反弹回来的α粒子，即在进入金属箔的同一端，出现了与行进方向相反的α粒子，这种现象是非常少见的。

    卢瑟福紧紧抓住这些奇怪的现象，反复思考原子中到底会有什么东西能把α粒子反弹回来呢？因为这简直是不可思议的现象。后来他曾经写道：“在我的生命过程中，那是一件发生在我身上的、最难以置信的事。这就象你发射了一颗直径为15英寸的炮弹，它打向一张薄薄的卫生纸时，却被那张纸弹了回来，而后打到你一样几乎不可相信。”

    但是，科学实验的正确结果总是能反映客观实际的。卢瑟福的α粒子散射实验的结果，有力地否定了他老师汤姆逊的原子模型，同时也证明了原子内部一定存在着集中在一起的正电荷部分。根据库仑定律，作用在电荷上的力与电荷的电量大小成正比，与电荷间的距离平方成反比。由此可看出，只有当α粒子非常接近对它发生作用的“正电荷”时，才能获得足够大的静电斥力，使其偏转很大的角度或甚至直接被反弹回来。

    当然，这种集中的电荷决不可能是电子，因为电子的质量比α粒子要小七千多倍。这样，如果电子和α粒子相撞，就好象是一辆重约一吨的飞速行驶的汽车与一块摆在马路上的重为一百多克的小石子相撞一样。结果石子被抛得很远，而汽车的运动不会有什么变化。所以，α粒子大角度偏转的原因决不可能是与电子碰撞引起的。相反，只有原子内部集中的正电荷部分(原子质量的绝大部分也集中于此)与α粒子相互作用时，才能使α粒子改变运动方向，甚至于把α粒子向相反方向弹回去。

    另外，根据实验结果可以推知原子中带正电荷部分的质量和大小。显然它的质量至少与α粒子一样大或者更大。而它的尺寸一定很小，因为实验中α粒子很少碰到它，大多数α粒子只是一掠而过。

    直到1911年，卢瑟福才正式把自己的实验结果公诸于世。并提出了自己对原子结构的论述。他认为原有的西瓜原子模型是错误的。因为从α粒子散射实验结果可以说明，原子中的正电荷部分决不可能均布在原子球体内。事实上，原子的全部质量差不多都集中在中心一个体积很小的带正荷的“核”上。通过对大角散射(大于90°)的α粒子的测量，可计算出“核”的大概尺寸和环绕核心原子所占的空间大小(即原子直径)。

    计算结果表明，原子核直径只占原子直径的万分之一左右，而原子内部的广大空间是由带负电荷的电子所填满。由于电子远比原子小，故原子内绝大部分是空着的。这就是卢瑟福所提出的“有核原子模型”。

    我们根据有核原子模型理论，不仅能解释场姆逊原子模型所能解释的各种物理现象，而且还能说明其它物理现象。例如，对原子核为什么能穿透物质的解释。由于原子核是通过某种方法把原子中的电子全部除去后形成的，这样核的尺寸就比原子小得多。所以原子核就能容易地穿过物质。例如，α粒子就是失去两个电子的氦原子，即是氦核，故它能很容易地穿过金箔。另外，由于电子所占的质量很小，因此原子核的质量和原子的质量基本上是一样的。

    我们还知道，汤姆逊原子模型对放射性的存在也是无法解释的。因为在放射性元素放射的射线中存在α射线，它是带有两个单位正电荷的粒子。这显然是和汤姆逊原子模型认为正电荷均布在原子内部的说法相矛盾的。而卢瑟福的有核原子模型就能容易地解释这一现象。即α射线是从放射性元素的原子核中发射出来的，原来的原子就衰变成一种新原子。

    虽然，卢瑟福的有核原子模型理论在当时物理学界未能引起什么轰动，但他的核模型至今仍被人们所公认。基于他对原子核物理学的发展所作的卓越贡献，他获得了1908年诺贝尔化学奖。同时，这位天才横溢的物理学家不仅继承了他老师的科学事业，而且还承担了他老师的各种职位，其中包括在1925年担任英国皇家学会会长的职位。

    而正当卢瑟福充满活力地继续为人类科学事业作出更大贡献时，却在1937年10月突然因病与世长辞了，享年六十六岁。他的老师汤姆逊却是在1940年8月30日以八十四岁的高龄去世的。汤姆逊火化后和卢瑟福一起被葬在威斯敏斯特公墓的中央部分，如此密切的师生关系在科学史上确实少有，值得人们永远怀念。