梁衡

上回說(shuō)到湯姆生的研究已經(jīng)深入到原子內(nèi)部，發(fā)現(xiàn)了電子并提出一個(gè)原子“均勻模型”。這個(gè)模型到底對(duì)不對(duì)呢？“不對(duì)！”湯姆生萬(wàn)沒(méi)有想到說(shuō)這個(gè)話的正是他從大西洋那邊歸來(lái)的一個(gè)學(xué)生盧瑟福（1871～1937年）。

盧瑟福1871年出生于新西蘭一個(gè)偏僻的小村莊，家里有兄弟姐妹共12人，這樣的家庭自然不能對(duì)他嬌生慣養(yǎng)，他和伙伴們或山上放牛，或海邊捕魚，風(fēng)風(fēng)雨雨練出好一副強(qiáng)健的身骨，到后來(lái)他處于文弱的科學(xué)家堆中，無(wú)人不羨慕他的體格；另一方面潮漲潮落，那大自然的奧妙又啟發(fā)了他的智慧，他從小就不滿足于只學(xué)點(diǎn)能糊口的手藝，而向往解釋宇宙，向往發(fā)明創(chuàng)造。1889年，當(dāng)他18歲的時(shí)候便勇敢地去報(bào)考新西蘭大學(xué)。

他大學(xué)畢業(yè)后先當(dāng)了一段時(shí)間的中學(xué)教師，這時(shí)英國(guó)劍橋大學(xué)給了新西蘭一個(gè)享受獎(jiǎng)學(xué)金留學(xué)的名額。盧瑟福在大學(xué)時(shí)就自己動(dòng)手制成一種靈敏的檢波器，試驗(yàn)了在新西蘭大地上的第一次電報(bào)，并且還發(fā)表了電磁學(xué)方面的論文。商人的資本是錢，學(xué)者的資本是論文，盧瑟福就靠這幾篇論文來(lái)敲劍橋的大門，果然很靈。他的老師克頓教授為他寫了一封很不平常的推薦信：“盧瑟福先生才華橫溢，通曉數(shù)學(xué)的分析法和圖解法，對(duì)于電學(xué)及其絕對(duì)測(cè)定法之最新成就具有極為廣博的知識(shí)。盧瑟福先生為人誠(chéng)懇，和藹可親，樂(lè)于幫助他人克服困難，凡與他有過(guò)交往的人莫不竭誠(chéng)贊許，尊為良師益友。我們衷心地祝愿他在英國(guó)的科學(xué)研究同他在新西蘭一樣，取得非凡的成就?！?/p>

盧瑟福從大洋彼岸的鄉(xiāng)村來(lái)到劍橋的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室這個(gè)物理精英薈萃的地方，他一身土氣還沒(méi)有退去。大都市里來(lái)的同學(xué)都有點(diǎn)瞧他不起，見(jiàn)他每天只知道埋頭讀書，便悄悄給他起了一個(gè)綽號(hào)——從安第普斯山上抓來(lái)的一只光會(huì)挖土的野兔子。一天這些同學(xué)從外面歸來(lái)，盧瑟福正在屋里看書，便請(qǐng)他們進(jìn)屋，順便請(qǐng)教幾個(gè)問(wèn)題。他們自然答不上盧瑟福提的問(wèn)題，而且發(fā)現(xiàn)他桌上有一個(gè)從未見(jiàn)的檢波器，那手工之精令他們嘆為觀止。這是由一根全長(zhǎng)僅6英寸的金屬線纏繞80匝而成的線圈，中心一根鋼針，長(zhǎng)不過(guò)1厘米，直徑只有1毫米的7%。過(guò)了幾天，盧瑟福就用這個(gè)檢波器在半英里外檢測(cè)電波，并且證明電波可以穿過(guò)鬧市區(qū)、穿過(guò)人體和厚墻。而這時(shí)馬可尼還沒(méi)有試驗(yàn)成功他的檢波器呢。這件事使湯姆生對(duì)盧瑟福刮目相看。他說(shuō)：“在卡文迪許的所有學(xué)生中還沒(méi)一人對(duì)研究所的熱情能比過(guò)盧瑟福的?！蹦切┰瓉?lái)瞧不起盧瑟福的學(xué)生自然也就十分敬重“這只光會(huì)挖土的野兔子”了。

如果盧瑟福果真沿著研究電磁波的路子走下去，也許物理史就要重寫。但他的老師把他領(lǐng)到了另一個(gè)路口上。從這里眺望開(kāi)去，似乎前景更加美好。因?yàn)檫@時(shí)湯姆生正在研究陰極射線，并且已經(jīng)找到了電子。居里夫婦在很困難的情況下發(fā)現(xiàn)了鐳，并且正在全力以赴地提煉它。鐳的放射性已引起科學(xué)界的大轟動(dòng)。電子也好，放射性也好，X光也好，這些發(fā)現(xiàn)都將人們的視線引向一點(diǎn)——原子內(nèi)部到底還有什么未知的秘密。湯姆生建議盧瑟福來(lái)研究這個(gè)課題。而盧瑟福生來(lái)是個(gè)探險(xiǎn)家的性格，他也覺(jué)得檢波器方面已沒(méi)什么可再搞的了，便欣然開(kāi)始了對(duì)原子的探試。

探試的第一步就是抓住鐳放射出的射線，看它到底是些什么東西，然后就可以順藤摸瓜追蹤原子內(nèi)的秘密。盧瑟福天生是個(gè)實(shí)驗(yàn)好手，他立即設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用一個(gè)鉛塊，鉆上小孔，孔內(nèi)放一點(diǎn)鐳。這樣射線只能從這個(gè)小孔里發(fā)出，然后將射線放在一個(gè)磁場(chǎng)里。奇怪的現(xiàn)象出現(xiàn)了，一束射線立即分成三股，有一股靠近N極偏轉(zhuǎn)，有一股靠近S極偏轉(zhuǎn)，還有一股不偏不倚一直向前。盧瑟福一一給它們?nèi)×嗣?，分別叫α、β和γ射線。又經(jīng)過(guò)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)β射線原來(lái)和陰極射線一樣，就是湯姆生證明的電子流。不過(guò)陰極射線是在真空放電時(shí)從陰極表面發(fā)射出來(lái)的，電子速度小，只有光速的百分之幾，β射線是原子內(nèi)部發(fā)出的，速度可達(dá)光速的30%～99%，就是說(shuō)每秒最少9萬(wàn)公里。它速度快，穿透力就強(qiáng)，在空氣中可走幾十米遠(yuǎn)，碰到幾毫米厚的鋁片也能穿過(guò)，難怪當(dāng)年貝克勒爾把底片無(wú)論藏在何處都要漏光，正是它在作怪。

α射線和β射線相反，粒子帶的是正電荷，質(zhì)量大，為4個(gè)原子質(zhì)量單位，速度小，只有光速的1/10，又慢又笨，穿透能力弱。一張薄薄的鋁箔、一層裹底片的黑紙，甚至人體皮膚的角質(zhì)層，都能將它擋住。

γ射線不帶電荷，非正非負(fù)，處于正中，不受磁場(chǎng)的影響而偏轉(zhuǎn)，它是X射線，不過(guò)比X射線的波長(zhǎng)要短，還不到一百億分之一厘米。

好個(gè)盧瑟福，真是出手不凡。19世紀(jì)最后10年的三大發(fā)現(xiàn)在他這一個(gè)實(shí)驗(yàn)里全部得到解釋。老師湯姆生發(fā)現(xiàn)的電子流就是他左手中的β射線，倫琴的X光就是他右手中的γ射線，而貝克勒爾、居里夫婦千辛萬(wàn)苦發(fā)現(xiàn)的放射性卻不過(guò)是α、β、γ這三個(gè)希臘字母。鐳為什么會(huì)發(fā)光發(fā)熱，原來(lái)它在自己放出能量做功呢。當(dāng)然這里還有許多問(wèn)題有待探尋，但這些發(fā)現(xiàn)足可以叫他和他的同事們高興一番了。

卻說(shuō)盧瑟福將這些新發(fā)現(xiàn)興沖沖地去向湯姆生匯報(bào)，湯姆生自然高興。但是他聽(tīng)完匯報(bào)后卻露出一種悵惘之情，盧瑟福似有所覺(jué)便恭敬地問(wèn)道：“老師有什么重要吩咐嗎？”

“是的，正有一件大事要與你商量。最近加拿大麥克吉耳大學(xué)物理系教授應(yīng)聘到倫敦?fù)?dān)任教職。為了挑選一個(gè)他的繼任者，加拿大方面特意派了代表來(lái)劍橋商談此事。我考慮再三，恐怕你是一個(gè)最適合的人選?！?/p>

“老師，我是遠(yuǎn)涉重洋來(lái)向您學(xué)習(xí)的，現(xiàn)在還沒(méi)有學(xué)到多少東西怎能離去？”

“不，你現(xiàn)在已完全能獨(dú)立開(kāi)展研究了。像你這樣的人才總給我做助手反而壓抑了你的才華，你應(yīng)該有自己的學(xué)生，自己的助手，自己的實(shí)驗(yàn)室，放開(kāi)手腳大干一番了。再者你離開(kāi)了新西蘭時(shí)就已訂婚，也早該成家了，經(jīng)濟(jì)收入也不能不考慮，那邊年薪豐厚，上任之后你就可以接來(lái)家眷，一心研究了?！?/p>

“不過(guò)，我今年才29歲，我怕自己太年輕，做一個(gè)高等學(xué)府的教授，人家不一定看得起?！?/p>

“不，年齡是次要的，主要是你有沒(méi)有挑重?fù)?dān)的勇氣。我接替瑞利先生任這個(gè)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任時(shí)，比你現(xiàn)在的年齡還小一歲呢。這正是干事業(yè)、闖禁區(qū)的最好年齡，你決不可隨俗沉浮而作踐了自己的才華。機(jī)遇本就不可多得，得到機(jī)遇而又失去更會(huì)終生遺憾。況且你現(xiàn)在的名聲已足可以和那些四五十歲的教授相匹敵了，希望你勇敢地去上任吧。我這里已寫好一封推薦信，他們會(huì)尊重你的?！?

盧瑟福接過(guò)信一看，上面寫道：“在獨(dú)創(chuàng)性的科學(xué)研究中，我從未見(jiàn)過(guò)有比盧瑟福先生更熱情和干練有為的學(xué)生。我認(rèn)為，不論哪個(gè)大學(xué)，若能請(qǐng)到盧瑟福先生去擔(dān)任物理教授，將是十分幸運(yùn)的。”

盧瑟福聽(tīng)了老師這番話，又看了這封信，十分激動(dòng)。他感謝湯姆生的知遇之恩，便問(wèn)臨行前老師還有什么指點(diǎn)。

湯姆生說(shuō)：“你這一去要當(dāng)老師了，但要注意向?qū)W生學(xué)習(xí)，敢向自己的學(xué)生學(xué)習(xí)的人永不會(huì)驕傲。你要主持一個(gè)實(shí)驗(yàn)室了，要選好助手，紅花要綠葉不只為了陪襯，還要向他們吸取養(yǎng)分。要能在自己周圍團(tuán)結(jié)起一批人?！?/p>

1898年9月盧瑟福牢記師囑，橫渡大西洋到加拿大走馬上任。

他到加拿大之后講了半年課，利用假期回新西蘭結(jié)了婚。當(dāng)他帶著妻子返回學(xué)校時(shí)，高興地發(fā)現(xiàn)蒙特利爾實(shí)驗(yàn)室新來(lái)了一位工作人員，叫索迪。他是這里唯一年齡比盧瑟福小的助手，化學(xué)知識(shí)卻極為豐富，這正彌補(bǔ)了作為物理學(xué)家的盧瑟福在化學(xué)知識(shí)方面的不足。教授和學(xué)生，一個(gè)30歲，一個(gè)23歲，但是盧瑟福謹(jǐn)記湯姆生的教誨，與索迪密切合作，他們?cè)谝黄鹬挥袃赡陼r(shí)間，但成果驚人，這種師生的親密關(guān)系和工作效率在科學(xué)史上是極少見(jiàn)的。

索迪還是從研究物質(zhì)的放射性入手，他很快從釷中分離出一種神秘物質(zhì)，它與釷只有原子量不同，其他方面都相同。聰明的索迪立即為這種除重量不同，其他方面都相同，在元素周期表中占同一位置的元素取了一個(gè)名字——同位素。比如釷，便有釷232、釷228，而碳的同位素就更多，從碳10一直到碳14。同位素不同在放射性方面也有差異，如鈾的同位素，有的放出α粒子，有的放出β粒子。這樣對(duì)原子內(nèi)部的秘密探討得就更細(xì)一步了。原來(lái)這些肉眼看不到的原子就是在悄悄地放出不同的粒子而起變化的啊。

這時(shí)盧瑟福又想起在劍橋時(shí)就遇到的一個(gè)老問(wèn)題，α粒子從所具有的電量和質(zhì)量來(lái)看很像一種已知元素——氦。現(xiàn)在有索迪幫忙，他們立即來(lái)驗(yàn)證這件事。他們將少量的鐳鹽放進(jìn)一個(gè)小玻璃管內(nèi)，外面再套上一個(gè)大玻璃管，兩層管壁間密封并抽成真空。幾天之后他們將內(nèi)外管之間的氣體抽出來(lái)用光譜分析法一化驗(yàn)，果然千真萬(wàn)確，就是氦。這只能有一種解釋，是鐳放射出的α粒子穿過(guò)內(nèi)管的薄壁進(jìn)入兩層管子之間，看來(lái)α射線就是氦流。那么鐳放出α射線后剩下的又是什么物質(zhì)呢，再一細(xì)查，又是一種已知元素——氡。難怪當(dāng)時(shí)居里夫人在尋找鐳時(shí)總發(fā)現(xiàn)它和氡在一起，其實(shí)是鐳在不斷地生成氡。它們的變化用一個(gè)簡(jiǎn)單的式子來(lái)表示就是：22688Ra =22286Rn +42He +γ

原子序數(shù)為88、質(zhì)量為226的鐳經(jīng)過(guò)自發(fā)放射變成原子序數(shù)為86、質(zhì)量為222的氡和原子序數(shù)為2質(zhì)量為4的氦，還伴有電荷數(shù)和靜止質(zhì)量都為0的γ射線。

以往的化學(xué)都是討論酸呀、堿呀、鹽呀等物質(zhì)之間的分解、化合，而盧瑟福和索迪現(xiàn)在一下就鉆入原子殼內(nèi)去寫反應(yīng)式了。盧瑟福宣布“放射性既是原子現(xiàn)象又是生成新物質(zhì)的化學(xué)變化的伴隨物?！被瘜W(xué)與物理殊途同歸。

一種元素轉(zhuǎn)變成另一種元素的放射性現(xiàn)象叫作“衰變”或“蛻變”。當(dāng)物質(zhì)的放射性減少到一半時(shí)所用的時(shí)間叫“半衰期”。半衰期有長(zhǎng)有短，鈾的半衰期是45億年，鐳的半衰期是1560年。而有的物質(zhì)半衰期還不到1秒鐘。你看，原子就是這樣以無(wú)法控制的力量進(jìn)行衰變，它不斷地“爆炸”，飛出自己的碎片——α、β粒子，還釋放出以γ射線出現(xiàn)的其他能量。只β粒子的速度就可達(dá)光速的一半，一個(gè)小小的原子里含有多大的能量啊。盧瑟福發(fā)現(xiàn)的這個(gè)新世界，其意義就如哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸，牛頓發(fā)現(xiàn)了宇宙。一時(shí)盧瑟福成了人們議論的中心，連居里夫人也呼吁物理界的同行要注意盧瑟福的研究。

1907年10月盧瑟福重返英國(guó)到曼徹斯特大學(xué)任教，他的學(xué)生們從世界各地追隨而來(lái)，他榮譽(yù)越多卻越謙虛謹(jǐn)慎。盧瑟福本來(lái)就身體魁梧，又從小在農(nóng)村長(zhǎng)大，所以他除了緊張的科學(xué)實(shí)驗(yàn)外，還自己收拾了一個(gè)大花園，種草植樹，常親自挖土施肥。他也常在廣場(chǎng)上的小咖啡館里和進(jìn)城的農(nóng)民邊喝咖啡邊聊起今年的收成，講得非常內(nèi)行?？墒怯袝r(shí)他碰到合適的對(duì)手又會(huì)突然談起高深的原子物理。一次一個(gè)記者向咖啡館的老板打聽(tīng)道：“這個(gè)農(nóng)民是誰(shuí)？”老板告訴他：“這就是盧瑟福?！斌@得那個(gè)記者伸出舌頭竟半天收不回去。

再說(shuō)那個(gè)剛來(lái)英國(guó)時(shí)被人稱為“野兔”，現(xiàn)在又被人當(dāng)成“農(nóng)民”的盧瑟福，這天正在實(shí)驗(yàn)室里工作，他的學(xué)生羅茲突然跑進(jìn)來(lái)喊道：“快看，瑞典寄來(lái)的郵件！”

盧瑟福接過(guò)一看，是頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)的通知書。實(shí)驗(yàn)室立即沸騰起來(lái)，學(xué)生們都圍上來(lái)激動(dòng)地祝賀、歡呼。

可是當(dāng)盧瑟福打開(kāi)信細(xì)讀時(shí)不由得大笑起來(lái)：“你們看，他們給我發(fā)的是化學(xué)獎(jiǎng)，這真是太妙了。我這一生研究了許多變化，但是最大的變化是這一次，我從一個(gè)物理學(xué)家變成了一個(gè)化學(xué)家?！?/p>

正是：海軍也有陸戰(zhàn)隊(duì)，空軍不能無(wú)傘兵，科學(xué)本是總體戰(zhàn)，物理化學(xué)不可分。

卻說(shuō)盧瑟福收到頒發(fā)諾貝爾獎(jiǎng)的通知，大家正鬧哄哄地議論如何去領(lǐng)獎(jiǎng)，盧瑟福卻說(shuō)：“這獎(jiǎng)金放在那里總是跑不掉的?，F(xiàn)在要緊的是要抓緊實(shí)驗(yàn)，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了原子內(nèi)的這許多小東西，它們?cè)谠觾?nèi)到底怎樣分布呢？”

（摘自《數(shù)理化通俗演義》 同心出版社 圖/黃煜博） 本欄編輯：姜煒