盧瑟福轟開原子,發現質子,並且預言中子的存在

上回說到28歲就當上了教授和卡文迪許實驗室主任的湯姆遜成功改變了歷史，發現了電子，於是受到了萬人景仰。但是湯姆遜從來不擺架子，為人和藹可親，所以奔著他報考研究生的人越來越多。在他們所有的學生當中，得意門生太多了，咱們重點介紹兩位，一位叫做查爾斯威爾遜，另外一位叫做盧瑟福，這位查爾斯威爾遜也是從歐文斯學院來到劍橋大學的，那小夥子很有想法。

當年他自己做了個儀器，叫做灰塵計數器。就正常來說，這灰塵太小了不容易看見，他就發現當這個空氣突然膨脹的時候水蒸氣就會在這個灰塵微粒上凝結成一個小水珠，這樣不就容易觀察了嘛然後還能給它拍照，所以他就給起了個名叫灰塵計數器，您一聽可能會說這東西能有啥用，沒想到之後可有大用。

有一天湯姆遜就問威爾遜說你這個東西能拍到灰塵，你能拍到電子嗎？老師這麼一問，這在學生心裡那就是一道論文題目，不過灰塵在小，有的時候我們透過陽光還是能夠看見的，電子可是小到無法想像啊，你要想讓電子顯型那還真不是那麼容易，不過功夫不負有心人，用了十幾年的時間，查爾斯威爾遜終於在 1911年完成了自己的實驗儀器起名為雲視，原理和剛才說的差不多，就是能夠讓足夠潮溼的空氣瞬間膨脹，這種膨脹就可以讓一個封閉的容器裡面溫度降到露點以下，就是容器中的水分達到一個過飽和的狀態，這樣一來，電子，別的微觀粒子通過空氣的時候，就會在粒子周圍產生小水珠，就像是一個一個小雲朵一樣，所以叫做雲視，然後可以在雲視上下加電場磁場，這樣就可以分析粒子的運動軌跡。

劍橋大學

但是即便是這樣，想要拍到電子完整的運動軌跡那也是很困難的，所以這個設備就不是一般人能用的，1927年查爾斯威爾遜因此獲得了諾貝爾物理學獎，他是和另一個人康普頓一起得的，之後也會介紹到這位康普頓。

湯姆森的另一個得意門生是盧瑟福，出生在紐西蘭，農民出身，很樸實。他得到劍橋大學錄取通知書的時候，還在地裡挖土豆呢，然後就感慨說了一句，這是我這輩子挖的最後一個土豆啦，借了路費從紐西蘭趕到劍橋大學，這是1895年的事。盧瑟福剛來到劍橋大學的時候都驚呆了，看著劍橋大學莊嚴的建築，心想這可是牛頓，麥克斯偉這些大神學習和工作過的地方，估計他自己都沒想到若干年後他也能被人們銘記在心，也成為了神一樣的人物了。

諾貝爾物理學獎

1898年盧瑟福剛剛學習了三年，他老師湯姆遜收到了一封信，是加拿大的麥克吉爾大學，我們這邊師資緊缺，想麻煩湯姆遜老師看看能不能從您的研究生裡面選一位來我們這當教授，您手底下的人隨便挑一位，那都是一夫當關萬夫莫開的主啊，湯姆遜一看盛情難卻就想把他最喜歡的學生盧瑟福派過去。

當年盧瑟福剛27歲，這絕對是繼承了瑞利的優良傳統，當年瑞利就是伯樂，相中了湯姆遜，湯姆遜28歲就當上教授了，現在這個湯姆遜又臨兵點將把27歲的盧瑟福也派過去了，盧瑟福聽了也挺高興的，直接從學生就變成老師了，同樣搞科研當教授還能賺錢。

居裡夫婦

去了之後研究的第一個問題就是放射性，早幾年的時候，貝克勒爾和居裡夫婦他們發現了天然放射性，關於貝克勒爾發現這個天然放射性也很有趣，發現這個鈾巖能夠自發的冒射線，盧瑟福就決定研究研究這個射線到底是什麼。通過實驗盧瑟福發現鈾巖放出的射線還不是一束，它在磁場下這個射線會向兩個方向偏轉，這就證明是兩束電信不同的射線，一正一負，他就把這個帶正電的這束給起了個名兒叫阿爾法射線，帶負電的就叫做貝塔射線，其實還有一束不帶電的盧瑟福沒發現，後來是法國物理學家維拉爾發現了，並且順勢就給命名伽馬射線，就是電磁波，經過測算，這束帶負電的這個貝塔射線就是老師湯姆遜發現的電子，但是天然放射出來的電子束速度快，穿透性強的高能電子束，那這束放射出來的電子為啥能具有這麼高的能量呢？

還有這個阿爾法粒子射線，這又是啥呢？一束帶正電的粒子，當時人們就只知道這原子是不帶電的，電子呢是帶負電的，所以在盧瑟福心中就這兩個問題還是個謎，但到了1902年的時候他知道這個阿爾法粒子是怎麼來的了，它是由於某些元素的原子自發性的衰變放射出來的並且提出了放射性半衰期的概念。

是某些元素不穩定，像是鈾啊還有居裡夫婦發現的鐳，鈽，他們在衰變過程中就會放出阿爾法粒子然後就變成別的元素。這在當時也是一個大新聞，元素之間還可以來回變嗎？這就有點兒像點石成金的意思，當時人們都激動壞了，不過石頭還是不能夠變成金子的就只有特定的放射性元素才能夠衰變。

高能粒子

過了幾年盧瑟福有了新的研究成果，他把阿爾法射線，單獨讓它射進一個罐子裡，這樣就好，研究，結果卻讓他大吃一驚，他得到的這罐阿爾法粒子居然是氦氣。又反覆做了好幾次實驗，沒毛病啊，所以盧瑟福就只能夠無奈的得出結論，這阿爾法粒子，就是帶正電的氦原子。

我們現在知道阿爾法粒子實際上是氦原子核，就是去掉了電子的氦原子，所以才帶的正電，不過當時盧瑟福還沒有提出原子核的概念，然後他在1907年的時候就把這個結果公布出去了，頒發諾貝爾獎們覺得這個成果已經很好啦，於是在1908年就給盧瑟福頒發了諾貝爾獎，不過他得的是化學獎，其實盧瑟福重大的發現都在後面。

此時的盧瑟福已經回到了英國，他在曼徹斯特大學當教授，他的兩個助手分別是馬斯登和蓋格，大家聽過的這個蓋格瑪斯登實驗，就是由這二位的名字而來啊。盧瑟福太喜歡阿爾法粒子了，因為是天然放射出來的，你不用實驗的製備，所以這既經濟又實惠，用這個阿爾法粒子去轟擊別的原子，看看能啥樣呢？這個想法簡單粗暴，實際上我們現在發現了很多粒子都是用的這種辦法，就是用一種去轟擊另一種。

他當時是用的阿爾法粒子轟擊的這個金箔，其實他沒期待能有什麼重大發現，為啥這麼說呢？因為自從湯姆遜發現了電子之後，湯姆遜就給出了一種原子模型，叫做西瓜模型，或者是棗糕模型。就這個電子，它就像西瓜子一樣是嵌在裡面的，然後電子帶負電，其他的地方帶正電，整體的原子是不帶電的。阿爾法粒子的速度能夠達到每秒鐘200萬米，這麼高的速度，那肯定直接就穿過去了，你打啥都能給打穿過去的。

阿爾法粒子

所以最開始的時候盧瑟福就發現這阿爾法粒子確實可以穿過金箔，就打在後面那個接收屏上，當然這個實驗是他兩個助手做的，盧瑟福已經是教授了。有這麼一天，盧瑟福就突發奇想，他就和這個馬思登說，把這個接收瓶給他拿到前面來，看看還能不能接收到這個反射的阿爾法粒子，馬斯登就心想說，老師您這不是開玩笑的嗎？這麼高的速度他怎麼可能呢？但他還是照做。居然就真的有阿爾法粒子被反彈了回來。

用盧瑟福自己的話說，這就相當於用一個15英寸的炮彈打在一張紙上被反彈回來了一樣不可思議，冷靜一下，阿爾法粒子能反彈回來，那就證明這個原子當中是有很堅硬的東西存在的，就是原子核。然後他們又趕緊根據這個實驗數據，計算了阿爾法粒子的散射截面，結果表明原子內部大部分都是空的，就中間存在一個硬核。但是他不能確定啊，這個電子在哪兒？有可能在核裡邊，有可能是繞核運動了。

1911年盧瑟福向世人公布了自己的這個行星原子模型，不過這個模型沒有收到太廣泛的關注，大家都不太相信，覺得湯姆遜的棗糕模型就很好了。同年召開的第一屆索爾維會議上，物理學家還都用這個棗糕模型討論原子結構，為啥呢？就因為它有一些現象還無法解釋，就比如剛才說的這電子是不是在核裡呀？當時就已經有人猜測說這個原子核它肯定是存在的，放射性元素能夠放出阿爾法粒子和電子，那能不能說

所有的這個元素的原子核都是由阿爾法粒子和電子組成的呢，盧瑟福當時就說肯定不是，因為阿爾法粒子的相對質量已經測出來了，是四，這個相對質量就是因為原子的質量太小了，所以如果直接說這個真實質量就不方便。人們就定義了一個很小的質量，為一個單位，然後相對質量就是他的多少多少倍，單位U。最早定義相對質量的人是道爾頓，他說用一個氫原子的質量為單位就是一個相對質量，後來又改了好幾次到現在我們使用的相對質量是以碳12原子質量的1/12為一個單位。碳原子的相對質量就是12，氫原子還是1，阿爾法粒子的相對質量是4，這就比氫原子還要大呀，所以肯定不是所有的原子核都包括阿爾法粒子。

原子結構模擬

但是後來在盧瑟福又通過實驗發現，就不管用阿爾法粒子轟擊什麼原子，什麼鈉啊金啊，包括非金屬原子磷都有一種帶正電的粒子能夠被轟擊出來，他的這個質量又和氫原子一樣，你看這不就和阿爾法粒子的情況差不多嗎？難不成轟擊出來的是帶正電的氫原子？這回盧瑟福明白了，看來這個東西才是所有的原子核裡都有的東西，盧瑟福就給這個帶正電的氫原子起了個名叫做質子。

1920年盧瑟福向世人再次公布了自己的成果，這人們才知道原子大部分都是空的，中間有一個原子核與原子核外圍它圍繞著帶負電的電子內部，就是由帶正電的質子組成的，並且盧瑟福還預測，有可能這個原子核裡面還存在一種中性粒子，這實際上就是中子的開端，這次人類的另一個基本粒子也被發現了，23年前湯姆遜發現了電子，23年後他的學生盧瑟福再次刷新了人類的認知，發現了質子，此時的盧瑟福已經是卡文迪許實驗室的主任，湯姆森安心的把自己的工作交接給了這位當年還在挖土豆抓兔子的紐西蘭人。幾乎與此同時，德國人和美國人那兒有動靜了，說我們這兒好像也發現基本粒子了，咋回事呢？下次接著聊。