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茫茫太阳系皆是小原子 小小原子内却有太阳系

2016-09-26梁衡

特别文摘 2016年18期
关键词:原子粒子实验室

梁衡

上回说到物理学家卢瑟福,却收到了一张要他去领诺贝尔化学奖的通知。但是卢瑟福还是关心物理本身的问题,领奖回来之后便将助手们召集在一起说:“过去我们只是捕捉到了放射性元素自己衰变时放出的粒子,除了这些粒子,到底原子内还有什么东西就不得而知。还有那些不会天然放射的元素我们就更难知其家底。不入虎穴焉得虎子。现在唯一的办法就是要将原子砸碎,看看里面到底还有什么东西?”

卢瑟福天生一个帅才,他来曼彻斯特还没有几天,身边早已聚集了盖革、莫利斯、玻尔、查德威克、安德雷德等一批年轻人,他们来自德、英、法、丹麦等国,卢瑟福的实验室简直是一个“科学国际”,而这些人以后也都成为一个个很有建树的物理学家。当时他们一听卢瑟福的战斗动员令,就摩拳擦掌,立即开始一个新实验。

新实验是这样设计的:要打碎原子就得找一种炮弹,当时看来最理想的就是α粒子,它速度快,质量重。原子结构如果真的是汤姆生所说的西瓜瓤型,α粒子就会顺利地穿过松软的瓜瓤而笔直地前进。而这时盖革已经帮卢瑟福设计好了一个能计算出镭放射出α粒子的仪器。这是以后所有向原子核进攻的科学家都离不开的武器,它就以盖革的名字命名,叫盖革计数器。靠盖革计数器他们已能准确地算出在千分之一克镭里,每秒钟能发射出136000个α粒子。现在他们准备好了放射源,又以金箔为靶子,靶子一边放两个荧光屏,通过显微镜观察穿过金箔的α粒子是否都落在屏上。

这是一种很费力又很枯燥的工作,助手们常常坐一天也看不出什么情况。一天,卢瑟福推门走进实验室,凑到显微镜前看了一会儿荧光屏上那一点点的闪光。盖革说:“也许汤姆生的模型是对的,你看α粒子全都顺利通过了。”

“果真是全部吗?要多看,细看,实验要重复几次、几十次、上百次,只有重复才能发现偶然的现象,而必然的规律又常常寓于这偶然之中,居里夫人不是重复测试了几乎能找到的所有元素,才找到有放射性的镭吗?”

卢瑟福说着将荧光屏和显微镜从金箔后面移到侧面,他吩咐盖革多换几个角度,多看一会儿。又过了一天,他正在办公室里备课,盖革急慌慌地跑进来,拉着老师就往实验室里走。原来他发现了一个偶然的现象,就是虽然绝大部分α粒子都沿直线穿过了金箔,但是也有极少数的α粒子却出现偏转,有的大于九十度,还有的甚至出现一百八十度的偏转,竟直直地反弹回来。卢瑟福从此就钻进实验室里,一连几天没有出来。他对学生们说:“我们发现了一个多么奇怪的现象,就好像是一群炮兵对着一张薄纸片开炮,而炮弹反而又被弹回炮筒里。虽然弹回来的极少,但这里面必定有一个我们还未发现的秘密。”他们经过大量的数据记录分析,知道了射出去的每八千个α粒子就有一个被弹回来或者偏到一旁。

却说卢瑟福和他的学生们将反弹回来的α粒子仔细一数,立即悟出一个道理。α粒子带正电,比电子大七千倍,电子没有什么大的力气使它偏转。那么除带电子外原子内一定有一个集中了全部正电荷而且质量很大的核。它对α粒子有一个很强的电荷排斥力,α粒子一碰到它就被一把推了回来。但是这个核很小,它在整个原子中的位置犹如太阳在整个太阳系里的位置,四周是大大的宇宙空间,难怪发射八千个粒子才有一个可能撞上它。于是卢瑟福立即抓过一支铅笔在纸上随手画了一个图说:“你们看,我认为原子模型可能不是汤姆生先生描绘的那个西瓜,倒是哥白尼描绘的太阳系。原子的中心有一个带正电、体积小、质量大的核,核外空荡荡的天空里有一些质量很小带负电的电子在绕它运动。”

助手们闻听此言一齐欢呼起来:“您是说我们在小小的原子内部又发现了一个太阳系?”

“是的,正像伽利略、牛顿发现天上地下一个样,我们又发现太阳系和原子内部一个样。不过这微观世界会另有一套规律,还需要我们仔细去摸索呢。”

1911年卢瑟福提出了原子的“太阳系模型”,是科学史上的一项伟大成就。原子和原子核物理学从此发展起来。后来他的学生玻尔又把量子论引到原子结构中来,使之更加完善,人们就把这个模型称为卢瑟福-玻尔原子。这个模型成功地解释了许多物理、化学现象,促进了以后的原子能研究。我们现在已经知道核的体积还不到原子体积的一万亿分之一,但它却占据整个原子质量的百分之九十九点五以上。就是说它本身的密度实在是大。如果设想一枚蚕豆全部以原子核组成,那么它的质量就会达到一亿吨!你绝不要想用手去拈得动这粒豆子,因为通常运输一亿吨的物资,就需要用能绕赤道一周的列车来装呢。

再说1919年第一次世界大战刚结束不久,英国教育界正百废待兴。战争期间卢瑟福也被征入海军,研究了几年怎样打潜艇。

之后,科学家们又都渐渐回到了自己的实验室,而汤姆生现在已是63岁的老人,还身兼三一学院的院长,再领导卡文迪许这个处于物理世界最前沿的实验室已力不从心。他想起了自己的得意学生,便四次写信诚恳地请卢瑟福来接此重任。

1919年4月2日,卢瑟福正式到卡文迪许上任。这是他一生中的第三个阶段,也是最后一个阶段。他自任教授以后三易其地,但是由于他的刻苦、谦虚,每到一地都干出了惊人的成果,而且每到一地在他的周围就立即团结了一批有为的年轻人。这次他到卡文迪许一上任就宣布了一个新课题——研究原子核的构成。在曼彻斯特时,他打碎了原子,现在他又要打碎原子核了。

在一间专用实验室里,窗帘拉得很严,屋角点着一盏光线微弱的煤气灯。助手们已经提前来到,他们必须先适应一会儿屋内暗淡的光线。对面是一架很简单的仪器,使α粒子穿过氮气打到靶子上,再通过显微镜观察荧光屏上的闪光点。走廊上响起卢瑟福咚咚的脚步声,他连走路也像个结实的农民。接着助手们听见了他哼的小调“前进,基督的士兵”。大家相视一笑,这是教授的习惯,每当哼这支歌时实验就接近成功了,如果哼起“大干一场”,不用问,是实验遇到了麻烦。门开了,背后响起卢瑟福洪亮又亲切的声音:“孩子们,准备好了没有?”

“准备好了。”

“开始。”

大家各就各位,而卢瑟福坐在一边喝茶,有时还讲一个幽默的小故事。卡文迪许实验室有着最优秀的人才,最严格的科学精神,却有一种最和谐的气氛。人们把这里称为“科学天才的幼儿园”,研究生们都尊称卢瑟福为“父亲”,而卢瑟福也常常高兴地喊他们“孩子们”。这群“孩子”来自世界上不同的地区,不同制度的国家,他们离开家寻找自己事业上的父亲,都有一些曲折的经历。查德威克在曼彻斯特时期就曾追随他,战争中曾被德军俘虏,但是战争一结束便又回到他的身边。从苏联来的青年彼·卡皮查,初登卡文迪许的门时,卢瑟福并不准备收他,因为这里几乎每天都有人想跻身其中,能当卢瑟福的一名研究生是青年人的最高荣誉。卡皮查问:“卢瑟福先生,我能来卡文迪许做一名研究生吗?”

“对不起,我这里的名额已经满员。”

“实验室里的名额允许不允许有一点误差啊?”

“一般不得超过百分之十。”

“那就好办,你们一共三十人,加我一个还在允许范围之内。”

卢瑟福笑了,他一看这就是个十分聪明的青年,便高兴地说:“好,收下你。”

卢瑟福对这些“孩子们”真是倾注了父亲般的爱。战争期间,助手莫利斯上了前线,这是一个极有才华的青年,人们都推测他可能是第二代的卢瑟福。人才难得,卢瑟福通过有关方面采取措施要调他回来。但是调令还未发出,一颗子弹已打中了他的头颅,他死时才27岁。卢瑟福大哭一场,痛呼这是英国在战争中最大的损失。苏联青年卡皮查在他的精心培养下已经成为一名有成就的物理学家,但是1934年当卡皮查回苏联开会时却被扣留下来,再不许返回。卢瑟福立即写信向苏联政府交涉,还是没有结果。他叹息道:“卡皮查的研究刚刚起步,他离开这里的实验室将一事无成。既然他们不让人回来,我就将仪器送去吧。”他真的派了一个代表团将卡皮查工作急需的仪器送到了莫斯科。平时,每星期五下午卢瑟福都要让妻子准备一个茶会,来招待他的学生。大家边喝茶,边讨论问题,许多新思想,新的实验设计方案就在这时诞生。助手们后来回忆说:“他倾听一个学生发言时,就好像在恭听一个公认的科学权威的意见。”这样一个严格而又民主的科研集体,怎能不成果累累呢?闲话少叙,我们看现在卢瑟福和他的这群“孩子们”又创造出了什么奇迹。

卢瑟福小心地把荧光屏调离发射源,相距已经长达40厘米,可是荧光屏上仍可看到闪光点。这还是α粒子吗?不可能,α粒子射程极短,根本达不到玻璃管的这一端。看来这是在α粒子冲撞下氮原子的碎片。他们一测,果然这时的氮已经转变成另一种元素——氧,并放出了一个质子(氢核)。这样,卢瑟福就以人为的方法在世界上第一次分裂了原子。1926年他和查德威克用α粒子成功地轰击了镁和铝等轻金属原子。接着在他的指导下瓦耳顿和科克拉夫特又制成了一架巨型的原子捣碎机。这架机器就以卢瑟福的一本书的名字《当代炼金士》来命名。这架机器能使原子量为7的锂被氢所渗透,最后形成一个原子量为8的不稳定原子。它很快又分裂成两个原子量各为4的氦原子。

这件事情一传出来,报界又是一场大轰动。许多报纸都以特大标题报道:“原子分裂了”、“现代炼金术出现了”。正像当年X射线一发现就有投机商推销防X射线的衣服一样,社会上一些角落里不知怎么一下冒出那么多骗子,他们到处宣传自己已经能用普通的钢铁制造金子。而一些神经质的老妇人不断写信到报社,询问世界末日是否真的就要来到。达尔文的进化论推翻了上帝造的物种,而卢瑟福的原子理论将上帝造物用的最小零件都打得粉碎。难怪那些唯心论的遗老们这样害怕,而那些投机商们则乘机大肆行骗、捞钱。以每一次科学发现为触媒,社会总要掀起一场不大不小的骚动。

现在连科学圣地卡文迪许实验室也不得安静了,关于炼金方面的报告不断送来,许多自命不凡的发明家常常上门自荐,一些商人也来打听有无合作的可能。为此卢瑟福只好出面举行一次记者招待会。

“请问,您关于原子分裂的研究会不会使贱金属变成黄金?”

“我们对自己从事的科学工作的商业利益毫无兴趣,所以从未考虑过什么炼金发财,我们的目的只在于探索元素之间相互转变的可能,只在于扩大知识领域。”

“现在常有人声明他们已能炼金,您怎么看这样的事?”

“把一种金属变成另一种金属,并不是不可能的。不过,至少在相当长的一段时间里,要使之商品化是不可能的。”

“关于原子的研究会给将来带来什么影响?”

“这个问题我很难回答。我们卡文迪许的人一向注意挖掘自然界里真正牢靠的事实,决不靠一些数字和符号来编织什么理论。随着时间的推移,原子内部的秘密一定会更多地被挖掘出来,可以肯定,到那时:一是那些炼金的骗子们绝不敢再这样骗人;二是世界将因新技术的使用而更文明。”

“过去的许多理论已不能解释现在的现象,物理学是不是正处在危机时期?”

“相反,我认为近三十年来倒是物理学史上无与伦比的,最活跃的时期,足可以和当年达尔文在生物学方面的开拓相媲美。”

(摘自《数理化通俗演义》 同心出版社 图/黄煜博)

本栏编辑:姜炜

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