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卢 瑟 福

时间:2019-06-21    点击: 次    来源:网络    作者:佚名 - 小 + 大

 瑟 福

   

知难而进

  

卢瑟福是新西兰人,祖籍英国苏格兰,1871 年生于一个农村工匠的家

里。他从小就对物理学和实验仪器制作有特殊爱好。1894 年,他在做研究生

期间,发明了可用于检测无线电信号的磁检波器;1895 年,被选送到英国剑

桥大学卡文迪什实验室,成了 J・J・汤姆生第一名来自海外的研究生,在这

里开始了放射性的研究,1898 年发现了α射线与β射线。一年后经 J・J・汤

姆生推荐,卢瑟福到加拿大蒙特利尔的麦克吉尔大学任教,在很艰苦的条件

下继续研究放射性。他与欧文斯合作,发现钍不断放出具有放射性的气体,

(这种气体叫做钍射气,后正式取名为 Thoron)。1900~1903 年,他与化学

家索迪合作,发现了放射性衰变规律,并与索迪一起创立了放射性元素自然

转变理论。1908 年卢瑟福荣获诺贝尔化学奖。

作为放射学的开创人,卢瑟福就像在荒凉的野地里一样,在黑暗中寻找

道路,对于他来说,这个领域是完全陌生的,全靠自己披荆斩棘,在荒凉野

地里开辟道路,通过实验逐步摸索。没有仪器,自己创造,没有理论,从头

探讨,没有经费,因陋就简,就地取材。

当时卡文迪什实验室的仪器多为自制,有的甚至是木制品。价值  英镑

的用于放射性研究的新型静电计被认为太贵。研究生们往往自己动手制作静

电计。直到 1906 年,卢瑟福还介绍说金箔验电器是最理想的仪器。据说金箔、

悬丝、火漆乃是当时实验家必备的基本器材,而感应圈、水银柱泵、干电池

或蓄电池则是实验室中最重要的一部分设备。当时甚至机械真空泵还没有,

那是 1905 年才由德国物理学家盖德发明的。水银柱泵也能达到很高的真

空度,例如 10-3 毫米汞柱(相当于 10-5 帕),但非常费时,需要实验者付出

极大的耐力。哈恩回忆他和卢瑟福在蒙特利尔的时期(1905~1906),讲到

经费不足、仪器简陋时说:

我们用大的锡罐头皮做βγ射线静电计,在它上面焊上更小些的烟

草盒或香烟盒。绝缘用硫磺,因为我们没有琥珀。

   

α射线实验

  

首先介绍卢瑟福是怎样发现  射线的。

大家知道贝克勒尔发现的铀辐射包含有三种成分,在磁场中它们分成三

束,α射线带正电,偏向一方;β射线带负电,偏向另一方;中间的一束则

不受磁场作用,那是γ射线,呈中性。它实际上是一种波长极短的电磁波。

然而卢瑟福并不是靠加磁场区分出这些成分的,当时他没有足够强的磁

铁。他用的是吸收方法。卢瑟福以他观测细致、对待实验数据客观谨慎的科

学作风作出了别人难以作出的发现。

他的实验很简单,在一对平板电容器极板之间插入一系列铝片,下极板

上涂有小量的铀盐。由于铀辐射的电离作用,外接于电容器的回路将产生电

离电流。电离电流的强度与辐射强度有关,也与铝片的厚度有关,因为铝片

会吸收铀辐射。当时已经知道,吸收前后的辐射强度应按指数规律变化,即:

I=I-at


式中    分别是吸收前后的辐射强度。如果以 InI 与时间  作图,应

是一根直线。可是卢瑟福得到的却是一根折线。当铝片厚度为百分之几毫米

以下时和百分之几毫米以上时直线的斜率截然不同。也就是说,有两个不同

的吸收系数α。卢瑟福经过反复验证,判定这是两种穿透力不同的成分。一

种成分穿透力较差,进入物质层很快就被吸收,他称之为α射线;另一种穿

透力较强,他称之为β射线。这是 1898 年的事。

不久,有人从磁偏转实验证明,穿透力强的β射线正是高速电子流。可

α射线到底是什么,一直是个谜。好几年都没有人能够用磁铁使之偏转。

很多人认为,也许α射线是与  射线类似的某种辐射,有人甚至认为α射线

没有什么好研究的。

卢瑟福则不一样,他的看法是,这种射线的性质越是奇特,越值得研究,

α射线很容易被物质吸收,说明它跟物质的作用强,只有彻底摸透α射线的

本质,才能建立完整的放射性理论。他知难而进,毅然选择了α射线作为自

己的研究课题,甚至为付此出了毕生的精力。

电磁偏转实验是瑟福又一个用自制的简易仪器进行,但却是精心设计的

杰作。他把金箔验电器置于金属盒上,中间隔以一层薄铝片,盒内底部放一

点镭盐作为放射源,盒中并排架着 20 片平行的铝片当作隔板,α射线从下而

上,经隔板之间的空隙穿入金箔验电器,使金箔验电器里的空气电离。电离

程度可从金箔的偏转角度指示出来。然后沿α射线的正交方向加上磁场,如

α射线发生了偏转,就会被隔板吸收掉一部分,从而影响电离电流的大小。

可是初步实验结果令人失望,α射线受磁场作用与不受磁场作用看不出

有什么不同。有丰富实践经验的卢瑟福想了一个既简单又可靠的办法解决了

这个问题。他在隔板上端插进一块栅状的铜箔,栅条之间的距离正好等于隔

板间距,把空隙挡去一半以上。然后改变磁场方向,再看哪一个方向会影响

金箔验电器中金箔的偏转。果然经过这一改进,仪器的灵敏度大大提高,终

于确定α射线会受磁场偏转,从偏转的方向判断α射线带的是正电。

接着,卢瑟福进一步对仪器作了一番改造,他把隔板互相绝缘,在相邻

两板之间加上电压,于是在隔板的空隙中就有了跟磁场成正交的电场。在电

场与磁场的共同作用下,测出α射线的荷质比与氢离子同数量级,速度大的

为光速的十分之一,就这样判明了  射线是原子类型的带正电的粒子流。

至于是哪种类型的原子,则一时难以确定,根据种种现象和事实,有人

猜测是比氢重的氦。用计数的方法已经测出α粒子的电荷是电子的  倍。再

从荷质比的数据可以推得,其质量是氢原子的  倍,这正是氦离子的参数。

含铀和含钍的矿石往往伴随有氦气,一经加热就会释放出来,似乎暗示铀、

钍等放射性元素在自发衰变中会生成新的元素——氦。但是也有人说,这种

氦气也许是在α粒子轰击之下驱赶出来的。又 是卢瑟福,他于 1909 年以巧妙

的方法从光谱作出了判决。方法是用一极薄的玻璃管密封着镭射气(一种镭

衰变后生成的放射性气体),玻璃薄到这样的程度以至于α粒子可以穿越无

阻,而普通气体分子却不能。他把这支射气管装在另一大玻璃器皿中,然后

用水银驱赶含α粒子的气体至一放电管,进行放电试验。经光谱分析找到了

氦的特征谱线。卢瑟福和他的学生罗依兹写道:实验作出了判决性的证明,

证明α粒子在失去电荷之后就是氦原子。

经过这样一些实验,卢瑟福终于搞清楚了α射线的本质,证明α射线就

是高速运动着的氦离子(He++)流。


   

提出有核原子模型

  

卢瑟福很善于运用简单而直观的仪器,取得精确又可靠的结果,用闪烁

法观测α粒子的一些实验就是另一个突出的例子。观测α粒子散射靠的是闪

锌屏,闪锌屏也叫闪烁屏,是在屏幕上涂一层硫化锌,α粒子打到它上面会

发出微弱的闪光。实验者用肉眼通过显微镜对准闪烁屏幕,一个一个地计数,

再移动显微镜的位置,分别读取不同位置的闪烁数,由此可以确定α粒子散

射的统计分布。实验者要在暗室中长时间地观测和记录闪烁屏上的闪烁数,

这样的工作既单调、又乏味,但是观测结果却比照相法精确得多,所以这种

方法在早期核物理学中有重要地位。

1908 年,卢瑟福的助手盖革(1882~1945)在用闪烁法观测α散射时,

发现金箔的散射作用比铝箔强。卢瑟福建议盖革系统地考察不同物质的散射

作用,以便在这些物质的散射能力和遏止能力之间建立某种联系,并让

学生马斯登协助工作。他们的α射线管长达  米,本来是希望使α射束尽量

地窄,以便测出准确数据。然而,出乎意料地是闪锌屏上总出现不正常的闪

光,有可能是经管壁反射所致。为此,卢瑟福建议他们试试让α粒子从金属

表面上直接反射,没有想到,这一建议竟导致了盖革和马斯登得到α射线大

角度散射的惊人结果。

当卢瑟福知道这个结果时,实在难以置信,因为这无法用 J・J・汤姆生

的实心带电球原子模型和散射理论解释。即使用汤姆生后来提出的多次散射

理论,也只能定性地说明这一反常现象,因为多次散射的几率小到微不足道,

与实验的结果相差得太远了。

卢瑟福对这个问题苦思了好几星期,终于在 1910 年底,经过数学推算,

证明只有假设正电球的直径小于原子作用球的直径,α粒子穿越单个原子

时,才有可能产生大角度散射。

也就是说,只有假设原子中有一个直径很小的核,正电荷集中在核心内,

才能解释为什么会出现α粒子大角度散射。

这就是原于核的发现经过。

我们要向年轻的读者们再一次指出,这样伟大的发现乃是从大量的观察

记录中,经过反复研究后作的。

读者们也许很难想象,科学家进行实验竟是这样经年累月地用肉眼盯着

闪烁屏,通过重复而频繁的计数,长时间进行统计工作,那需要何等的耐心

和毅力。更有甚者,守在闪烁屏前绝不许打瞌睡。眼睛要睁得大大的,丝毫

不能分心,注意力要高度集中,这确非普通人能够忍受,所以必须经过严格

训练。甚至到 20 世纪 20 年代,闪烁计数还是物理学家必须受到的基本训练

呢!

在这方面,作为核物理学的先驱,卢瑟福自然要吃苦在前。

1918  11  17 日,卢瑟福在给玻尔的信中曾经这样写过:我多希望

这里有您一起讨论核碰撞的意义。我想,我已经得到了一些相当惊人的结果,

我的老眼统计微弱的闪烁数真够困难。不过靠了凯依的帮助,在过去  年的

业余时间里,我还是做了大量的工作。

凯依是卢瑟福的年轻助手。值得一提的是,卢瑟福本人这时也还不老,

他当时只有 47 岁,可是他的眼睛已经不适于观测闪烁屏了。即使这样,他每


天还要把  小时的业余时间用于α射线的研究。

   

勤奋的一生

  

卢瑟福是非常勤奋的。查他的论文集可以算出,1899~1907 年在蒙特利

尔的一段时间,收集有 70 篇论文,其中 25 篇与他人合作;1907~1919 年在

曼彻斯特期间(包括战争年代)有 72 篇,其中 32 篇与他人合作。大量工作

是他亲手做的。他在这期间还出版了三部专著。然而正如他的学生和亲密朋

友、著名物理学家卡皮查在回忆卢瑟福的一生时说的:一般读者只听说科

学家做出成果的特殊工作,而不知道他们做了多么大量的工作。每一个接近

卢瑟福的人都可以证明他做过多么多的工作。卢瑟福无休止地工作,总是在

研究新的课题。他报告和发表的只是那些有积极意义的成果,这在他的整个

工作中只占百分之几。其余的没有发表,甚至连他的学生也不知道。

卢瑟福在担任卡文迪许实验室主任期间,每年总有二三十位研究人员在

这个实验室工作,接受他的指导,这个实验室成了原子物理学和核物理学的

研究中心。在他的带领下,查德威克发现了中子;考克拉夫特和沃尔顿发明

了静电加速器;布拉开特发明自动云室观测到了核反应;奥里法特发现氚;

卡皮查在高电压技术、强磁场和低温等方面取得硕果。

卢瑟福早年的同学伊夫曾对卢瑟福开玩笑地说你真是骑在波峰上

啊!意思是指他有这样好的运气,在恰好的时机处于恰好的位置。卢瑟福

则意味深长地答复他说:不,波是我造出来的,难道不是吗?

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