田 川

（重慶市第八中學(xué)校，重慶 400030）

盧瑟福的一生充滿著各種各樣的傳奇故事，他的一生大致可分為3個(gè)階段：在新西蘭和卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的求學(xué)經(jīng)歷、在加拿大9年的工作經(jīng)歷、再次返回英國(guó)，并先后領(lǐng)銜曼徹斯特實(shí)驗(yàn)室和卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)歷，如圖1所示.

圖1 盧瑟福的人生軌跡

1 寒門(mén)出貴子，學(xué)海永無(wú)涯

歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）1871年8月30日生于新西蘭納爾遜的一處移民區(qū).父親是來(lái)自蘇格蘭的移民，父親的主要工作是種植亞麻和裁鋸鐵路所需的枕木，母親則是當(dāng)?shù)氐囊幻l(xiāng)村小學(xué)教員.枕木所需的木材需父親親自到叢林中采伐.為了維持生計(jì)，作為次子的盧瑟福稍大就幫著雙親開(kāi)墾土地，而小盧瑟福則耐心地刨去整個(gè)樹(shù)根.然后，一家人借著傍晚的那點(diǎn)亮光抓緊種下農(nóng)作物.為了使小麥不得銹病，小盧瑟福要不停地用雙手來(lái)回搓揉麥粒.盧瑟福所特有的品質(zhì)，諸如單純率直、心胸寬廣、不計(jì)得失、熱心謙遜、勤儉堅(jiān)毅以及對(duì)教育的尊崇，無(wú)需遠(yuǎn)溯，只要從他父母身上，便可看到這些品質(zhì)的淵源.

1.1 最后一個(gè)土豆

雖然家庭并不富裕，但盧瑟福的童年生活還是愉快的.下水捕魚(yú)，上山打獵，掏不完的鳥(niǎo)窩，望不盡的田野.5歲時(shí)，進(jìn)入村里的一所學(xué)校，盧瑟福學(xué)習(xí)成績(jī)雖然優(yōu)秀，但并沒(méi)有顯露出有朝一日要成為科學(xué)家的任何跡象.作為小學(xué)教員的母親有一本曼徹斯特大學(xué)斯徒亞特（Stewart）教授寫(xiě)的自然科學(xué)教材，小盧瑟福對(duì)這本書(shū)倒是如癡如醉、廢寢忘食.

1886年15歲的盧瑟福憑借580分（總分600）獲得獎(jiǎng)學(xué)金進(jìn)入納爾遜中學(xué).當(dāng)時(shí)新西蘭的中學(xué)里自然科學(xué)被列為選修課，令人驚訝的是，只有盧瑟福選了這門(mén)課，他成為自然科學(xué)班里唯一的學(xué)生.這引起了校長(zhǎng)助理利特爾約翰（Littlejohn）博士的注意.許多年后《盧瑟福傳》里記載：“人們常?？吹揭粋€(gè)高個(gè)子學(xué)生和利特爾約翰博士沿著學(xué)校的大街，一邊散步，一邊討論某些科學(xué)問(wèn)題，并且還不時(shí)地在地上畫(huà)圖”.1889年，利特爾約翰博士鼓勵(lì)盧瑟福參加新西蘭大學(xué)獎(jiǎng)學(xué)金考試，雖然沒(méi)有把握，但盧瑟福還是去試了試.

“歐內(nèi)斯特，你考上了！”母親興奮地?fù)]舞著雙手喊著.“考上了什么”盧瑟福一時(shí)弄不清母親指的什么.當(dāng)他突然明白了母親的意思后，就甩掉手中的鐵鍬，緩慢平靜地說(shuō)到“這也許是我挖的最后一個(gè)土豆吧”.[1]

1.2 再見(jiàn)了新西蘭

這次獎(jiǎng)學(xué)金的獲得是盧瑟福未來(lái)登上學(xué)術(shù)高峰的起點(diǎn)，盧瑟福就讀的新西蘭大學(xué)的理學(xué)院所擁有的儀器設(shè)備比起歐洲的一些中學(xué)都還要遜色很多.即使在如此簡(jiǎn)陋的條件下，盧瑟福也仍舊進(jìn)行科學(xué)研究，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)器材，盧瑟福就自己動(dòng)手設(shè)計(jì)和制造.盧瑟福就是在這么一個(gè)簡(jiǎn)陋、寒冷、四面透風(fēng)的破棚子里完成了他的第一篇高水平論文.1894年，盧瑟福的第一篇論文《使用高頻放電法使鐵磁化》發(fā)表在《新西蘭學(xué)會(huì)會(huì)報(bào)》[2].這使得他獲得了理學(xué)學(xué)士學(xué)位.1895年，年僅24歲的盧瑟福獲得英國(guó)“1851獎(jiǎng)學(xué)金”（獎(jiǎng)金來(lái)自1851年的首屆世博會(huì)），設(shè)立該獎(jiǎng)學(xué)金的目的是為了將英聯(lián)邦自治領(lǐng)土的優(yōu)秀學(xué)生送往英國(guó)本土深造.在此之前，盧瑟福已經(jīng)取得了文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士、理學(xué)學(xué)士等學(xué)位——這是新西蘭祖國(guó)能夠給他的最高榮譽(yù).毫無(wú)疑問(wèn)，只有出國(guó)深造才能使他獲得更高的成就.

1895年，當(dāng)盧瑟福搭上輪船，站在甲板上，回頭望著新西蘭的海岸漸漸隱沒(méi)在身后的時(shí)候，他的心情是何等的興奮、激動(dòng)與不舍，他將離開(kāi)自己生活的故土，將自己的一生奉獻(xiàn)給人類偉大的科學(xué)事業(yè).

1.3 初到卡文迪什

盧瑟福出生的那一年，麥克斯韋創(chuàng)建了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室（即劍橋大學(xué)物理系），為了紀(jì)念測(cè)量引力常量的H·卡文迪什，英國(guó)的W·卡文迪什公爵出資組建該實(shí)驗(yàn)室.24年后，一位24歲的新西蘭青年走進(jìn)卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的大門(mén)，他的名字叫盧瑟福，作為“1851獎(jiǎng)學(xué)金”的獲得者，他將師從J·J·湯姆孫.

1898年12月，居里夫婦在極其艱苦的條件下發(fā)現(xiàn)了另一種放射性元素——鐳.盧瑟福把注意力轉(zhuǎn)移到這個(gè)問(wèn)題的另一方面，盧瑟福發(fā)現(xiàn)放射線比放射體本身更有研究?jī)r(jià)值.盧瑟福繼而想從貫穿能力上加以鑒別.于是，就用一系列極薄的鋁箔放在鈾鹽上，而鈾鹽則置于電容器兩平行板之間.加電壓后從串聯(lián)電容器的靜電計(jì)上讀取瞬間電流值.盧瑟?？闯鰞煞N不同的變化率，他在題為《鈾輻射和它的電導(dǎo)》中指出輻射具有兩種不同的成分.為了方便起見(jiàn)，盧瑟福將其中一種叫做α射線，另一種叫做β射線.[3]

正當(dāng)盧瑟福打算對(duì)放射線深入研究的時(shí)候，來(lái)自加拿大的專家團(tuán)拜訪了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室——他們來(lái)訪的目的非常明確——物色加拿大蒙特利爾市的麥吉爾（Mcgill）大學(xué)物理學(xué)教授兼實(shí)驗(yàn)室主任的最佳人選.雖有不舍，但J·J·湯姆孫還是推薦了他的愛(ài)徒盧瑟福.就這樣，在卡文迪什學(xué)習(xí)了3年的盧瑟福又一次踏上了開(kāi)往蒙特利爾的輪船.

2 情系阿爾法，名揚(yáng)加拿大

2.1 對(duì)α粒子的研究

1899年盧瑟福將在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室對(duì)α射線的研究成果整理成論文《鈾輻射和它產(chǎn)生的電導(dǎo)》，并從加拿大寄出，發(fā)表在歐洲權(quán)威的《哲學(xué)》雜志.但是，α射線的本質(zhì)，盧瑟福也不清楚.經(jīng)過(guò)3年的進(jìn)一步研究，在1903年，他終于通過(guò)精心設(shè)計(jì)的自制儀器，利用超強(qiáng)磁場(chǎng)看到了α射線的偏轉(zhuǎn)，從方向上，盧瑟福判定α射線帶正電荷.接著通過(guò)測(cè)定比荷，判定α是原子級(jí)別的離子流，那么α粒子是什么原子的離子流呢？1909年，盧瑟福利用放電管及光譜實(shí)驗(yàn)做出了斷定：α粒子在失去電荷之后就是氦原子.

2.2 獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的物理學(xué)家

盧瑟福在研究釷的射氣（實(shí)際上就是氡氣）時(shí)，發(fā)現(xiàn)釷射氣的放射性衰減得很快，后來(lái)發(fā)現(xiàn)鐳、錒產(chǎn)生的射氣也有這些特征.為了更好的描述這一規(guī)律，盧瑟福引入了半衰期一詞.盧瑟福指出，鈾、釷和鐳的明顯不變的放射性強(qiáng)度，是因?yàn)樗鼈兊陌胨テ诒热说膲勖L(zhǎng)得多.

1904年6月，盧瑟福將他對(duì)放射性的研究寫(xiě)成《放射性》一書(shū)，[4]自從出版以來(lái)，它就成為這一學(xué)科的經(jīng)典著作.然而關(guān)于放射性的發(fā)現(xiàn)是如此之快，盧瑟福于第2年就開(kāi)始著手該書(shū)的第二版，篇幅擴(kuò)大了50%，1906年，《放射性》的第二版出版了.瑞利爵士評(píng)述此書(shū)時(shí)說(shuō)：“他的驚人的行動(dòng)力已經(jīng)激起了社會(huì)上的普遍贊揚(yáng)，他的學(xué)生在他的鼓勵(lì)下，幾年來(lái)，差不多每個(gè)月都給這門(mén)科學(xué)做出重要的貢獻(xiàn)”.

1905年，盧瑟福通過(guò)研究鈾礦中的終產(chǎn)物發(fā)現(xiàn)鈾、鐳、釷原子可以自發(fā)裂解，在裂解的過(guò)程中，它們產(chǎn)生α和β粒子.作為這類變化的結(jié)果，最后留下某種要輕些的元素的原子.據(jù)說(shuō)，盧瑟福在幾年后曾經(jīng)這樣講到：“原子永恒不變的學(xué)說(shuō)，竟被幾毫克鐳擊得粉碎”.盧瑟福的發(fā)現(xiàn)揭開(kāi)了物理學(xué)和化學(xué)史上新的一頁(yè).為了表彰盧瑟福在“對(duì)元素衰變以及放射化學(xué)的研究”他榮獲了1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).

1908年11月，盧瑟福在接受獎(jiǎng)金后發(fā)表演說(shuō)：在他的一生中，他曾經(jīng)歷過(guò)各種不同的變化，但最快的變化要算這一次了——他竟從物理學(xué)家一下子變成了化學(xué)家.

3 桃李滿天下，心懷國(guó)與家

盧瑟福本來(lái)打算終身定居加拿大，想不到在1906年收到即將退休的英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的舒斯特（Schuster）教授的來(lái)信，信中問(wèn)及是否愿意繼任這個(gè)職務(wù).1907年1月，盧瑟福接受了曼徹斯特大學(xué)的任命，并于同年10月到任工作.盧瑟福明白只有重返英國(guó)，才能近距離感受世界學(xué)術(shù)中心的魅力.

3.1 提出核式結(jié)構(gòu)模型

退休的舒斯特教授給盧瑟福留下了一筆寶貴的財(cái)富——助手漢斯·蓋革（Hans Geiger）.利用蓋革所開(kāi)創(chuàng)的粒子計(jì)數(shù)法，盧瑟福發(fā)現(xiàn)在1毫克鐳里，每秒鐘能放出十三萬(wàn)六千個(gè)α粒子，這是一個(gè)了不起的發(fā)現(xiàn)，它表明，人類第一次在實(shí)驗(yàn)室里觀察到了單個(gè)原子核.[5]盧瑟福在曼徹斯特的最偉大的發(fā)現(xiàn)，也是他一生中最偉大的發(fā)現(xiàn)是原子的核結(jié)構(gòu).盧瑟福認(rèn)為，有一個(gè)方法可以獲得原子更為詳盡的知識(shí)，這個(gè)方法就是打碎原子.當(dāng)時(shí)能夠打碎原子的方法只有一個(gè)，即從外界轟擊它，最好是使用一種極其微小的射彈，盧瑟福選中的射彈就是α粒子.

1909年，盧瑟福帶領(lǐng)助手蓋革、馬斯頓（Marsden）實(shí)施了歷史上著名的α粒子散射實(shí)驗(yàn).由于馬斯頓還未取得學(xué)位，因此該實(shí)驗(yàn)起初是布置給馬斯頓的一項(xiàng)小型課題：“去驗(yàn)證一下α粒子射向金箔時(shí)，不可能出現(xiàn)大角度散射”，馬斯頓干的很出色，他報(bào)告說(shuō)竟然發(fā)現(xiàn)了大角度散射，基于這一令人驚訝的結(jié)果，后來(lái)，蓋革也加入到實(shí)驗(yàn)中.三天后，蓋革告訴盧瑟福，說(shuō)發(fā)生90°散射的概率是1／8000，然而根據(jù)湯姆孫的棗糕模型計(jì)算得到的90°散射的概率是1／（103500）.[6]盧瑟福對(duì)此非常驚訝的說(shuō)道：它是這樣的叫人難以置信，就好像你用15英寸的炮彈射擊一張紙，而炮彈竟然反彈回來(lái)把你打中了一樣.他們?cè)?909年以《論α粒子的漫反射》[7]為題發(fā)表了以上結(jié)果.

1911年，盧瑟福提出核模型，其論文《物質(zhì)對(duì)α粒子的散射和原子結(jié)構(gòu)》發(fā)表在當(dāng)年的《哲學(xué)》雜志.雖然在此之前就有學(xué)者提出行星模型，但是盧瑟福的結(jié)論是建立在充分的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，而不是單純的假說(shuō).

1912年3月的一天，波爾帶著一篇論文膽怯地去問(wèn)盧瑟福：“老師，我對(duì)您去年提出的原子結(jié)構(gòu)模型有點(diǎn)新的想法，能跟您談?wù)剢?？盧瑟福和藹地說(shuō)：完全可以！我非常愿意聽(tīng)聽(tīng)你的新見(jiàn)解.”波爾滔滔不絕地談了起來(lái)，盧瑟福聽(tīng)得津津有味.最后，盧瑟福熱情地鼓勵(lì)波爾：“你的想法很好，發(fā)展和完善了我的模型.你趕快完善論文，我把它推薦給《哲學(xué)》雜志”.第2年波爾的論文一經(jīng)發(fā)表，就一舉成名.還獲得了1922年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng).難怪波爾深情地稱盧瑟福為“第2個(gè)父親”.因此核式模型又稱盧瑟?！柲Ｐ?

3.2 當(dāng)代煉金術(shù)

1919年擔(dān)任三一學(xué)院院長(zhǎng)的湯姆孫決定卸任卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的主任一職，盧瑟福作為繼任者（前三人依次是麥克斯韋、瑞利、湯姆孫）是沒(méi)有人會(huì)感到意外的.

早在1914年，盧瑟福的學(xué)生馬斯頓在用閃爍鏡觀測(cè)α射線在空氣中的射程時(shí)，就注意到一些反?，F(xiàn)象——發(fā)現(xiàn)一些射程特別長(zhǎng)的粒子.α粒子的射程大約為7 cm，而他得到的卻有長(zhǎng)達(dá)40 cm的.盧瑟福沒(méi)有放過(guò)這一細(xì)節(jié).1917年在寫(xiě)給波爾的信中，盧瑟福寫(xiě)到：“我試圖用這種方法把原子擊破”，盧瑟福的實(shí)驗(yàn)裝置及其簡(jiǎn)單，如圖2所示.通過(guò)活栓可以通入或抽出氣體，放射源可以沿刻度尺左右移動(dòng).當(dāng)充入氮?dú)鈺r(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)放射源到閃爍屏的距離超過(guò)α粒子射程很多時(shí)，仍有閃爍可見(jiàn).后來(lái)盧瑟福的學(xué)生布拉凱特（Blackett）通過(guò)威爾遜云室記錄粒子的徑跡，找到了氮?dú)庠讦亮Ｗ愚Z擊下產(chǎn)生氫核的證據(jù).以上簡(jiǎn)單而又原始的實(shí)驗(yàn)，得到了如此重大的科學(xué)結(jié)論：盧瑟福開(kāi)創(chuàng)了人工核反應(yīng)的新紀(jì)元——牛頓終其一生研究的“煉金術(shù)”在盧瑟福的手中實(shí)現(xiàn)了.1937年，盧瑟福出版《當(dāng)代煉金術(shù)》.[8]

圖2

盧瑟福將從氮中轟擊出來(lái)的粒子稱為質(zhì)子.于是就有人提出α粒子應(yīng)該由4個(gè)質(zhì)子組成，但其中有兩個(gè)質(zhì)子各自黏住了一個(gè)電子，于是α粒子的質(zhì)量為4，帶電量為+2.盧瑟福開(kāi)始也有相同的想法，但后來(lái)他更近了一步，他認(rèn)為，自然界喜歡簡(jiǎn)單，與其假設(shè)質(zhì)子黏有一個(gè)電子去中和質(zhì)子的電量，還不如直接假設(shè)存在一種不帶電而質(zhì)量與質(zhì)子質(zhì)量幾乎相同的中性粒子，1920年，盧瑟福在法國(guó)講學(xué)時(shí)首次提出了中子的概念.[9]而發(fā)現(xiàn)中子的任務(wù)則留給了他的學(xué)生查德威克（Chadwick）.1932年2月27日查德威克在《自然》雜志上發(fā)表了題為《中子存在的可能性》的文章.[10]

2.3 勇往直前的鱷魚(yú)

盧瑟福的學(xué)生蘇聯(lián)籍的卡皮查（Kapitza）給他起了一個(gè)外號(hào)——鱷魚(yú).并把鱷魚(yú)徽章裝飾在他的實(shí)驗(yàn)室的門(mén)口.因?yàn)轺{魚(yú)在碧波中總是照直向前，從不回頭，以此贊譽(yù)他們老師勇往直前的堅(jiān)毅性格.[11]當(dāng)人們?cè)u(píng)論盧瑟福的成就時(shí)，總要提到他“桃李滿天下”.研究生寫(xiě)出的論文，盧瑟?？傄屑?xì)審閱和修改直至滿意，才推薦出去發(fā)表，他付出很大精力幫助別人搞研究而得出成果，但是在發(fā)表時(shí)卻從不寫(xiě)上自已的名字[12].在盧瑟福的悉心培養(yǎng)下，他的學(xué)生和助手獲諾貝爾獎(jiǎng)的情況，如表1所示.

表1

盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室被后人稱為“諾貝爾獎(jiǎng)得主的幼兒園”.正因?yàn)槿绱?，新西蘭的教育部長(zhǎng)鮑伊斯稱盧瑟福是“現(xiàn)代科學(xué)之父”，[13]1931年盧瑟福成為納爾遜男爵.[14]

特別值得提出的是盧瑟福對(duì)我國(guó)一些物理學(xué)家的關(guān)心和愛(ài)護(hù).趙忠堯、張文裕、顏任光等都先后在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室做過(guò)盧瑟福的學(xué)生，受過(guò)他的關(guān)懷和教誨.趙忠堯1933年寫(xiě)的《硬γ射線與原子核的相互作用》一文，就是由盧瑟福推薦和批注后在《自然》雜志上發(fā)表的.[15]

當(dāng)法西斯驅(qū)逐、迫害猶太學(xué)者時(shí)，盧瑟福堅(jiān)定地站在受迫害的一邊.從1933年起，他主動(dòng)擔(dān)任了學(xué)術(shù)界救援委員會(huì)主席，為那些流落英國(guó)的學(xué)者解決生計(jì).

1937年8月21日，盧瑟福在《自然》雜志發(fā)表了一篇關(guān)于氫同位素“氚”的研究的文章.但兩個(gè)月后的10月19日盧瑟福卻突然逝世.在彌留之際，他對(duì)守候的夫人說(shuō)：“我要留給新西蘭的納爾遜中學(xué)一筆獎(jiǎng)學(xué)金”.盧瑟福被安葬在威斯敏斯特教堂，墓地就在牛頓和開(kāi)爾文旁邊.他的頭像出現(xiàn)在新西蘭貨幣的最大面值100元上面，作為國(guó)家對(duì)他最崇高的敬意和紀(jì)念，如圖3所示.為了紀(jì)念盧瑟福，人工合成的第104號(hào)元素被命名為盧瑟福（Rutherfordium，漢字寫(xiě)作）.

圖3

1971年，新西蘭、蘇聯(lián)、羅馬尼亞、加拿大等國(guó)家發(fā)行郵票紀(jì)念盧瑟福誕辰100周年.[16]

“科學(xué)家不是依靠于個(gè)人的思想，而是綜合了幾千人的智慧，并且每人做他的部分工作，添加到正在建立起來(lái)的偉大知識(shí)的大廈之中”——?dú)W內(nèi)斯特·盧瑟福.