盧瑟福:勇闖原子結構秘宮的「科學鱷魚」

2021-01-09 泡泡網

盧瑟福:勇闖原子結構秘宮的「科學鱷魚」

在英國皇家學會的一所實驗室門前,有一個高高聳立的半身銅像,銅像旁邊臥著一條張牙舞爪的鱷魚。

「為什麼要雕一條鱷魚呀?」路過的行人常常會發出這樣的疑問。

「鱷魚象徵科學,」實驗室的工作人員常常這樣解釋說,「在波濤洶湧的大海裡,鱷魚勇往直前,絕不四顧,張開大嘴就會吞食一切。」

「鱷魚和銅像有什麼關係呢?」人們大都喜歡打破沙鍋問到底。

「有很大的關係。因為這位主人公就像鱷魚一樣,在科學之海中勇往直前,從不退縮。」工作人員不厭其煩地說。

鱷魚,是盧瑟福科學精神的象徵。(網絡圖)

這個銅像的主人就是被同行稱為「科學鱷魚」的盧瑟福。盧瑟福絕對算是全世界對諾貝爾獎貢獻最大的人,因為他和他的學生,一共12人相繼獲得諾貝爾獎。他學生的學生中,也有不少人獲此殊榮,其中包括中國物理學家楊振寧。

其身正,不令而行;其身不正,雖令不從。這些優秀的學生,都受過盧瑟福優秀品德的言傳身教。而這位偉大的老師,一生最大的成就,就是打開了神秘的原子宮殿之門。

1908年,37歲的盧瑟福由於在放射性現象研究方面的卓越貢獻而獲諾貝爾化學獎後,並沒有躺在功勞席上,而是把目光投向一個全新的領域——原子構造。

「原子的模樣應該像西瓜一樣,瓜瓣就是原子內部分布的正電荷,瓜子就是電子。」老師湯姆遜如此形象地說。

「您的說法有一定道理,」盧瑟福腦子轉得快,又有新的想法,「如果用比原子更小的微粒去轟擊它,是不是一定會像炮彈一樣穿透而過呢?」

「想法很不錯。你去求證吧。」湯姆遜一直喜歡採用鼓勵的方式教學。

盧瑟福在實驗室(網絡圖)

經過一翻論證,盧瑟福決定用一種叫「α」的粒子去轟擊原子。

新的問題接踵而至:一方面是要設計專門的儀器,以前從沒有過;另一方面,實驗本身就像機關槍掃射草原中散落的幾隻花生一樣,極難發現。

方法總比困難多。一個多月後,在助手蓋克等人的幫助下,試驗裝置終於完成:一個金屬箔當靶,另一個是「α」粒子的發射源;旁邊置放一個螢光屏,屏後加個顯微鏡。

預備,開始!在黑暗的實驗室裡,盧瑟福靜靜地坐在顯微鏡前觀察整個衝擊過程。只見「α」粒子以每秒兩千米的速度穿過金屬箔,然後在螢光屏上留下點點星光。絕大多數「α」粒子穿過金屬靶飛走了,只有個別「α」粒子被彈了回來。

實驗讓盧瑟福既然驚嘆又興奮。驚嘆的是,原子的世界如此奇妙,居然還有些微粒子被彈回來;興奮的是,他仿佛走進原子結構的秘宮,每一處「裝飾」都前所未見。此後一年多,他整日整夜地把自己關進實驗室裡,幾個月才與妻兒見上一面。

某一日,盧瑟福興衝衝地跑進蓋克等人工作的聯合試驗室,大聲地說:「告訴大家一個好消息,我發現原子的奧秘了!」

盧瑟福提出的原子模型(網絡圖)

大家看著雙眼充滿血絲的盧瑟福,一時說不出話來。盧瑟福接著道:「原子並不像西瓜。它是一個空曠的結構體,中心有個極微小極微小的帶正電的核,外面高速運轉的是帶負電的電子!」

「那些被彈回的粒子又是怎麼回事呀?」蓋克接著問道。

「因為原子內部大部分是空隙,可以比原子更小的微粒穿過。那些被彈回的粒子,是由於碰到了堅硬的原子核。原子核很小,故被彈回的電子也很少。因為電子是圍繞原子核轉動的。」

「您的意思是,原子核相當於太陽,電子相當於行星?因為行星總圍繞太陽轉嘛。」蓋克也是一個思維敏捷的人。

「對極了!這可以當作原子學說的基本理論。」盧瑟福如釋重負地點點頭。因為他終於在原子秘宮裡找到正確的路徑。原子結構理論在物理學史上具有劃時代的意義,因為原子和原子核物理學由此誕生並發展起來。最直接的作用是,如果沒有這套理論,現在中學和大學的物理學教材上,就沒有《原子、中子和離子》等章節的內容。

發現原子基本理論只是開頭。盧瑟福像一隻永不疲倦的「鱷魚」一樣,很快又投入到原子核的作用力、氫原子核的研究領域中。

人物小檔案:

歐內斯特・盧瑟福(1871-1937),紐西蘭著名物理學家,原子核物理學之父。學術界公認他為繼法拉第之後最偉大的實驗物理學家。他首先提出放射性半衰 期的概念,證實放射性涉及從一個元素到另一個元素的嬗變。他又將放射性物質按照貫穿能力分類為α射線與β射線,並且證實前者就是氦離子。因為「對元素蛻變 以及放射化學的研究」,他榮獲1908年諾貝爾化學獎。

名言:科學只有物理一個學科,其他不過相當於集郵活動而已。All science is either physics or stamp collecting.

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