1919年1月3日，英國物理學家盧瑟福用α粒子轟擊氮原子，最終得到了氧原子和氫原子。這是人類首次實現了元素的人工轉變，也是人類首次實現的人工核反應。
撰文 | John Campbell
翻譯 | 王藝霖、周順
來源：現代物理知識雜誌
1919年，英國著名物理學家歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）發現了質子。在質子發現100周年之際，CERN COURIER雜誌在2019年5月刊登了來自紐西蘭坎特伯雷大學的約翰·坎貝爾（John Campbell）教授的特輯文章①，詳細地講述了盧瑟福發現質子的來龍去脈。我們將其編譯成文，以饗讀者，同時以此表達對這位被譽為「原子核物理學之父」的科學巨擘的崇高敬意。
早年的歐內斯特·盧瑟福正是那個在正確的時間、正確的地點出現的正確的人。在獲得紐西蘭大學的三個學位②和兩年在前沿電子技術方面進行原始研究的經驗之後, 他於1895年榮獲「1851年博覽會」科學獎學金③，而這個獎學金使得他成功地進入英國劍橋大學的卡文迪什實驗室。就在他到達後不久，X射線和天然放射性被發現，而且約瑟夫·約翰·湯姆孫（Joseph John Thomson）還發現了電子。盧瑟福立即相信存在比原子還小的微觀客體。他畢生的工作轉向對放射性的理解，並且命名了α射線和β射線。
1898年，盧瑟福在加拿大麥吉爾大學擔任物理學教授，並在那裡取得眾多開創性的成果。這些重大的成就包括發現放射性化學元素氡，證明放射性只是某些元素的自然嬗變，展示α粒子在電磁場中運動軌跡的偏轉（因此它很可能是失去兩個電子的氦原子），鑑定礦物的年代並確定地球的年齡。
1901年，麥吉爾物理學會召開了一次名為「亞原子物體的存在性」的學術會議，其主要目的是挑戰化學家們對存在亞原子物體的質疑。盧瑟福參加了會議並作報告，但遭到了當時碰巧在麥吉爾的牛津大學年輕化學家弗雷德裡克·索迪（Fredrick Soddy）的反對。索迪用題為《原子不可分割性的化學證據》的演講抨擊了當時的物理學家，尤其是湯姆孫和盧瑟福，因為他們「……以不吝表達其對整個化學和原子理論的看法而聞名，特別是後者已遭到強烈的抗議」。盧瑟福邀請專門從事氣體分析的索迪加入他的行列。這是一次短暫而富有成果的合作，他們兩人很快就確定了重元素自然嬗變的最初幾個關鍵步驟。曼徹斯特的日子
多年以來，盧瑟福一直希望能夠到歐洲工作，因為那裡是當時科學研究的中心。1907年，他遷往英國的曼徹斯特大學。在這裡，他開始跟進之前在麥吉爾大學開展的實驗，其間他注意到一束α粒子穿過空氣或薄薄的雲母片之後就會變得模糊不清。它們因散射而以大約兩度的角度散開，表明原子中存在每釐米100兆伏的電場，這促使他發表聲明：「物質中的原子一定是極強電場的根源」。
在曼徹斯特大學，他遇到一名得力的助手——漢斯·蓋革（Hans Geiger）。蓋革很快就進入了工作狀態，他能夠精確地測量被金箔散射而發生小角度偏轉的α粒子的數量。當時，蓋革為高年級本科生提供放射性技術方面的培訓，並於1909年告訴盧瑟福，歐內斯特·馬斯登（Ernest Marsden）已經準備好從事相關課題的研究。雖然每個人都確信β粒子可以被金屬塊散射，但沒人知道α粒子穿過金屬塊會怎麼樣。因此，盧瑟福讓馬斯登研究一下這個問題。馬斯登立即就發現α粒子確實可以被散射，即使用蓋革的金箔來代替金屬塊，情況也是一樣。這個結果完全出乎意料。正如盧瑟福後來宣稱的那樣，這就像你對著一張薄紙片發射一枚15英寸的海軍炮彈，而炮彈竟然被反彈回來並且擊中你自己一樣。
幾年後的一天，盧瑟福激動地告訴蓋革，他終於知道原子長什麼樣子：它具有一種核心結構，即原子的大部分質量和所有的同種電荷都集中在一個只有原子尺寸的千分之一大小的原子核上。在盧瑟福去世80年後的今天，這仍然被公認為是他最著名的工作。
1913年前後，盧瑟福要求馬斯登用α粒子和輕原子，特別是氫原子，來「玩彈珠遊戲」。經典計算表明，當α粒子與氫原子迎頭相撞，氫原子的反衝速度和運動距離分別是擊中它的α粒子的1.6倍和4倍。在閃爍屏上，質量較小和電荷較少的氫原子的反衝將導致較弱的閃光，但是它的運動距離會比α粒子的長得多。馬斯登的確觀察到了這種運動距離更長的粒子，並稱之為「H」粒子，它們是在氫氣和富含氫的材料薄膜(如石蠟)中產生的。他還注意到，這種長射程的H粒子有時會由α粒子在空氣中運動時產生，但他並不清楚具體來自何處：可能的來源包括氣體中的水蒸氣、儀器表面吸收的水，甚至可能是α粒子源釋放出來的。
1914年中期，盧瑟福和馬斯登的合作接近尾聲。在去紐西蘭履職之前，馬斯登將他的工作全部記錄下來。與此同時，盧瑟福已經到加拿大和美國進行系列演講，返回曼徹斯特僅僅一個月後，他又前往澳大利亞參加英國科學促進會的年會。在他抵達澳大利亞的前三天，歐洲宣戰了。
《波士頓環球報》報導質子發現（左）和1971年紐西蘭紀念郵票 丨來源：cerncourier.com撕裂原子
1915年1月，盧瑟福穿過被德國U型潛艇封鎖的北大西洋返回曼徹斯特。那是一個已經發生天翻地覆變化的世界，年輕人都去打仗了。受英國海軍部所託，盧瑟福將注意力轉向戰爭中最緊迫的問題之一：如何探測水中的潛艇。最終他發明的定向水聽器 (布拉格④和盧瑟福擁有其專利) 被用於裝備艦隊船隻。直到1917年，盧瑟福才重新開始他的科學研究，特別是α粒子與輕原子的散射問題。這一年的12月份，他向玻爾 (Niels Bohr) 報告說：「我也在嘗試用這種方法來分解原子——請將此當作我們之間的小秘密吧。」
他研究了在不同的介質 (氫氣、富含氫元素的固體材料和諸如二氧化碳、氧氣之類的氣體) 中運動距離長的氫粒子的反衝，並驚訝地發現當空氣或氮氣存在時，這些「反衝」粒子的數量會增加。他由此推斷α粒子攻入氮原子核，並導致其發射出一個氫原子核。這意味著一個重大的發現，即氫原子核——或者質子，這是盧瑟福在1920年給其正式的命名——是更大的原子核的基本組成部分。
自1919年1月份起，馬斯登又有幾個月的時間幫助進行實驗，因為他同時等待著戰後返回紐西蘭。正好那一年，盧瑟福接受了卡文迪什實驗室主任的職位。由於1917年已經得到的結果推遲到戰後才能發表，盧瑟福在1919年完成了四篇關於輕原子的論文。在題為「氮元素的反常效應」的第四篇論文中，他寫道「我們必須得出這樣的結論：氮原子解體了……釋放出的氫原子是氮原子核的基本組成部分」。他還表示: 「考慮到在這個過程中起決定性作用的力的極大強度，氮原子被分解而α粒子逃脫瓦解的命運都不是很令人驚訝的事情。」
盧瑟福的實驗裝置，其中D為α粒子發射器，可沿B移動；F為硫化鋅閃爍屏。 丨來源：Philos. Mag. 37 543.
1920年，盧瑟福首次建議利用穩定的α粒子和氫原子核來產生其他原子。他還提出，只有存在質量數為1但電荷數為0的粒子（也就是中子），才能很好地解釋同位素。在威爾遜的雲室裡，他觀察到α粒子在其運動路徑的末端有分叉的軌跡。後來，來自日本的訪問學者清水武夫（Takeo Shimizu）建造了一個自動化的威爾遜雲室，它能夠每秒鐘多次拍照，而且由兩臺相機垂直拍攝粒子的徑跡。1921年，剛畢業的派屈克·布萊克特（Patrick Blackett）在清水武夫返回日本後接手了這個項目。經過改進，到1924年的時候，他拍攝了大約兩萬三千張照片，展示了約四十萬條粒子的軌跡。這其中有八條是有分叉的，證實了盧瑟福之前的發現。布萊克特之後寫道：「由這些照片可以推斷出一個新奇的結果，那就是α粒子被氮原子核俘獲並放射出一個氫原子的同時,產生了一個全新的、從未發現過的氧同位素，也就是17O。」
正如布萊克特的工作所證實的那樣，盧瑟福已經分解了原子，並因此成為世界上第一個成功的「鍊金術士」，儘管他不太喜歡這個頭銜。事實上，他也更喜歡用「離解」這個詞，而不是「嬗變」。當盧瑟福和索迪意識到放射性其實是一種元素自然地轉變成另一種元素時，索迪後來寫道他自己大聲喊：「盧瑟福，這就是嬗變：釷正在離解並將自己嬗變成氬氣體⑤ (原話如此)。」盧瑟福回答說: 「看在上帝的份上，索迪，別把這叫做嬗變。他們一定會砍掉我們這些鍊金術士的腦袋！」
1908年，盧瑟福因「對元素的離解和放射性物質的化學研究」而被授予諾貝爾化學獎。雖然他從未因對α粒子的實驗探測，對原子核結構的發掘和對質子的發現而獲得第二次諾貝爾獎，但沒有人會質疑這位偉人對物理學的巨大貢獻。
(譯自CERN COURIER，59卷，第3期，2019年5/6月刊; 原文連結：https://cerncourier.com/rutherford-transmutation-and-the-proton/)
註：
① 原文見https://cerncourier.com/rutherford- transmutation- and- theproton/
② 1894年，23歲的盧瑟福獲得紐西蘭大學坎特伯雷學院的文學學士、文學碩士和理學學士學位。
③ 1850年，英國維多利亞女王發起並組織首次世界貿易博覽會，並由她的表弟和丈夫阿爾伯特親王作為主席成立了「1851年博覽會」皇家委員會。1851年5月1日，盛大的貿易博覽會在倫敦開幕並取得巨大的成功。自1891年起至今，該皇家委員會設立獎學金資助個人從事科學和工程方面的研究，獲得過「1851年博覽會」科學獎學金的名人包括歐內斯特·盧瑟福(獲1908年諾貝爾化學獎)、約翰·科克科羅夫特(獲1951年諾貝爾物理學獎)、威廉·彭尼(曾任大不列顛聯合王國原子能管理局主席)。
④ 威廉·亨利·布拉格(William Henry Bragg)是英國著名物理學家、化學家和數學家。由於他和他的兒子威廉·勞倫斯·布拉格(WilliamLawrence Bragg)對X射線方法研究晶體結構做出重要貢獻，他們共同獲得1915年諾貝爾物理學獎。
⑤ 放射性元素釷的質子數為90，天然豐度最高的釷同位素是釷-232，它主要衰變到鐳-228和一個α粒子，半衰期約為140億年，與今天宇宙的年齡相當。
本文經授權轉載自微信公眾號「現代物理知識雜誌」，選自《現代物理知識》2019年第5期，原題為《盧瑟福：嬗變與質子》。