盧瑟福打開了物質世界的大門 !

2020-12-22 騰訊網

我們知道,物質的最核心部分是原子,它就像我們的大腦一樣。揭示它的就是紐西蘭著名的化學家盧瑟福。

歐內斯特.盧瑟福19世紀70年代生於紐西蘭納爾遜附近的泉林村。父親是農民和工匠,母親是鄉村教師。他在小學時就對科學實驗產生了興趣。盧瑟福兄弟姐妹一共12人,他排行老四。

大自然是美麗的,農村的生活是艱苦的。12個兄弟姐妹的生計全靠父母的勞作。盧瑟福的兄弟姐妹從小就知道生活的艱難,無須什麼人教育,他們都知道要想生活得好一點就得自己動手、動腦去創造,需要踏踏實實地做事。盧瑟福在這種家庭中成長起來,養成了相互協作、尊重別人的良好品質。後來盧瑟福成名之後,他的這種品質仍然保留著。他被科學界譽為「從來沒有樹立過一個敵人,也從來沒有失去過一個朋友」的人。

父親的心靈手巧,母親的樂觀向,上、勤勞、樸實是盧瑟福的榜樣。他也喜歡動手動腦,顯示出他非同尋常的創造天賦。盧瑟福的父親是一個聰明又肯動腦子的人,他勤奮又有創造性。在開辦亞麻廠時,他試驗用幾種不同的方法浸漬亞麻,利用水去驅動機器,選用本地的優良品種,結果他的產品被認為是紐西蘭最好的一類。他還設計過一些裝置以提高工作效率。他的這些行為深深影響了盧瑟福,使幼小的盧瑟福開始了自己的發明創造。

家裡有一個用了多年的鐘,經常停下來,很耽誤事,大家都認為無法修理了。但是盧瑟福卻不肯輕易把它丟掉,他把舊鐘拆開,把每一個零件重新調整到位,清理鍾內多年的油泥,重新裝好。結果,鍾修好了,還走得很準。當時照相機還是比較貴重的商品,盧瑟福竟然自己動手製作起來。他買來幾個透鏡,七拼八湊居然製成了一臺照相機。他自己拍攝自己衝洗,成了一個小攝影迷。盧瑟福這種自己動手製作、修理的本領,對他後來的科學研究工作極為有用。

19世紀90年代中期,盧瑟福接受卡文迪許實驗室主任JJ.湯姆生的建議,把研究方向轉到放射性上。盧瑟福用強磁場作用於鐳發出的射線,從中他發現,鈾射線可以被分成三個組成部分,一種是易被吸收、偏轉幅度大的帶負電的部分的射線,他稱為a射線;另一種是穿透性強、偏轉幅度小的帶正電的部分射線,他稱為β射線;同時他還根據實驗預言,可能存在一種穿透能力更強、在磁場中不偏轉的射線,這就是後來發現的並由他命名的γ射線。後來,他與來自英國的青年化學家索迪合作,於20 世紀初首先發現了放射性元素的半衰期,提出放射性是元素自發衰變現象,指出放射性和光譜實驗表明,原子有一個很複雜的結構。

接著,他和索迪根據a射線和β射線在電場和磁場中的偏轉度,辨別出它們分別由帶正、負電的粒子構成。他們指出放射性元素的原子衰變時釋放荷電粒子而變成性質不同的新元素,列出了早期的鐳、釷、鈾的衰變圖譜,確認x射線的能量佔放射性元素輻射能量的99%以上,為他們後來以a射線作為研究原子結構的炮彈提供了根據。兩年後他應用放射性元素的含量及其半衰期,計算出太陽的壽命約為50億年,開創了用放射性元素半衰期計算礦石、古物和天體年紀的先河。

盧瑟福在放射性研究.上取得的一系列重大成果,使他揚名於世。他謝絕了一些著名大學的高薪聘請,而出任英國曼徹斯特大學的物理學教授,因為該校有設備先進的實驗室和優越的科研條件。盧瑟福對a、β、γ射線做了大量的研究。第二年,他測算出β射線的電荷。五年後,他提出a粒子的帶電量為2e,原子量為3.84,認為a粒子失去電荷後應變成氦原子。之後,他與人合作,測定γ射線的性質和波長,確認γ射線是一種比X射線頻率更高的電磁輻射。

盧瑟福早就有用a射線探索原子結構的想法。他發現a射線的能量比β和γ射線大99倍左右,幾年後,他又發現a射線通過雲母片時,出現了偏轉2°的小角度散射現象。接著,蓋革發現a射線的散射角與靶材料的原子量成正比。同年,布拉格寫信給盧瑟福,告訴他用x粒子轟擊原子時發生a粒子急轉彎的現象。這些現象促使他和蓋革決定用重金屬靶進行散射實驗。

盧瑟福向正在實驗的馬斯登提出:「看一看你是否能夠得到從金屬表面直接反射a粒子的效應?」結果,馬斯登發現了等於和大於90的大角度散射現象。盧瑟福以特有的洞察力和直覺,抓住這個反常現象。盧瑟福受「大宇宙與小宇宙相似」的啟發,把太陽系和原子結構進行類比,提出了一個原子模型。他認為,原子像一個小太陽系,每個原子都有一個極小的核,核的直徑在10~12釐米左右,這個核幾乎集中了原子的全部質量,並帶有幾個單位正電荷,原子核外有幾個電子繞核旋轉,所以一般情況下,原子顯中性。

盧瑟福發現了原子核以後,進一步用各種金屬做粒子散射實驗,發現不同的金屬對粒子的散射能力不同,散射能力越強,證明核帶的正電荷越多,因而斥力也就越大。

盧瑟福就這樣向人們揭示了原子的奧秘,使我們對物質的認識更精確了一步,幾乎可以說是打開了物質世界的大門。

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