七、打开原子世界的大门

卢瑟福在即将离开曼彻斯特的一段时间里，主要是进行用α粒子来轰击氮的研究工作，结果从氮原子核中轰击出氢原子。到剑桥后，他继续进行这些嬗变实验，并把它运用到其他气体中去，以便探究这种原子的破碎是否具有广泛的意义。

当时是卢瑟福助手之一的埃利斯曾经叙述过这一使用极原始的仪器所进行的实验工作。被击出的粒子可以在灵敏度很高的荧光屏上产生闪光点，利

用显微镜就能观察到这些闪光点。但要把闪光点准确数出来。总有一些学生被派去数闪光点。“放在实验室尽头的一盏煤气喷灯发出微弱暗淡的亮光，我们坐在那里，一面喝茶，一边听着欧内斯特·卢瑟福讲述人世间的种种趣闻。”要不断改变放射源和荧光屏之间的距离，并在荧光屏前插入云母片。这样就可能发现正在发射的是什么粒子以及它们的射程。他们证实，只有一部分元素是能够成功地用α粒子来进行轰击转化的。

卢瑟福猜想，其中的一个问题很可能与电有关。他在 1920 年所作的一次演讲中，预言在原子的某个地方，可能存在着一种尚未被察觉到的中性粒子，这种中性粒子如果真的被发现，那么，它一定是一种异乎寻常的，同时又是极难对付的东西。卢瑟福说道：“它能自由地穿过物体，但却不能把它控制在一个密封的容器中。”

卢瑟福预言并作了描述的这种粒子就是后来所说的中子，它是 12 年后，查德威克在卡文迪许实验室里发现的。

1920 年夏季，在不列颠学会会议上，卢瑟福提议应当把在原子研究人员中使用的古怪离奇的用语统一起来。汤姆生曾主张带有负电荷的微小粒子应当称作电子。卢瑟福曾证明氢核是其他元素原子核的组成部分，他建议称这种氢核为“质子”。这个名称就这样固定下来并沿用至今。

卢瑟福大约 50 岁就进入了科学界“老前辈”的行列。他应邀参与各种各样的事务，世界各国很多大学授予他荣誉学位。为了把更多的时间用在科学研究上，他不得不拒绝世界各国聘请他去讲学的大部分邀请。

卢瑟福实验中最优秀的助手之一阿斯顿在从事同位素研究中发现，氯气存在着两种不同的类型，两种类型的氯是以大约 2∶1 的比例混杂在一起的。这引起了卢瑟福的注意。他不断地思考着关于原子分裂的各种问题，以及与此有关的同位素问题。卢瑟福向自己提出了一个问题——氢本身有没有同位素？如果有的话，那么其中一个的原子量应当是另一个的二倍。卢瑟福预料到氢有一种比平常的氢重一倍的形式。重氢与氧构成了一种叫做重水的化合物。12 年后，美国科学家尤里发现了氢的这种同位素，并给它取名氘（dāo）。

卢瑟福还在煞费苦心地思索着一个问题——正电子的存在。当时很多物理学家都认为一定存在着正电子。有些人企图把氢核称作“正电子”，卢瑟福则坚持用“质子”这个名称。他说：“质量比氢核小得多的带正电单位的粒子将来可能被发现。”他这番话几乎是在美国物理学家安德生发现正电子前 10 年说的。卢瑟福的创造性想象力，使他能够敏锐地预见未来的中子和正电子。

对科学事业的满腔热情和辛勤劳动，使卢瑟福和他的助手、学生们获得了崇高的荣誉和奖赏。在 1922 年的一年中，卢瑟福获得皇家学会授予的科普利奖章；索迪获得诺贝尔物理奖金，阿斯顿获得诺贝尔化学奖金，玻尔获得诺贝尔物理奖金。作为卡文迪许实验室主任卢瑟福始终满怀热情地去扩展他的那些发现，并把这些发现运用到更广泛的领域里去。他继续用α粒子轰击各种元素的原子，以便弄清原子结构的一些问题。他与助手查德威克用α粒子轰击某些元素时，发现了一些事先完全没有预料到的情况。对某些元素来说，入射α粒子的射程要比射出的粒子的射程短得多。进一步实验表明，原子核正在发生一次真正破裂。这种破裂是极为罕见的现象，铝便是产生如此惊人的结果的元素之一，但它的一再发生却足以说明，这决不是纯属偶然的现象，而是某种相当有规则地发生着的现象。

新闻记者们当时正谈论原子分裂，卢瑟福等人的这一实验没有取得新闻轰动效应。尽管如此，他一有机会仍然非常乐意向某些对科学感到兴趣的非科学的朋友们做些解释工作。1923 年，卢瑟福在皇家学会连续六次作了关于“原子射线和性质”、“α粒子的生命史”的演讲。他用通俗易懂的语言讲述了前 60 年左右的时间里所取得的科学发现。同年秋天，他又在大不列颠学会利物浦聚会上发表演说。不久，卢瑟福参加了皇家学会在伦敦召开的一次原子核结构的讨论会。另外，他还做了许多科学普及工作，并吸收了两名得力助手威尔逊和卡皮查。

1924 年 12 月，卢瑟福正式接到通知，他将要被授予 1925 年的新年荣誉勋位。当时在英国，只有最伟大的人物才能获得勋位，科学家中能够得到这种荣誉的寥寥无几。但是卢瑟福是非常谦虚的，他把个人的贡献归功于国王对科学的重视与提倡。

他的社会活动更加频繁，但无论如何他不容许这些事妨碍他在剑桥所进行的主要研究任务。他正在和查德威克计划着使用一种改进的计数显微镜，对元素作一次系统的检查。

1925 年，卢瑟福当选为英国皇家学会的主席，这是英国科学家们所能获得的最高的职位。从此，他的礼节性的社交活动更加频繁起来。在此期间，主任助理卡皮查定期向他汇报实验室的工作，并希望他能回到实验室中来，以解决实验中的一些疑难问题。但是卢瑟福因多年劳碌，身体和精力已远远不及过去了，加上社会活动较多，在一段时间里无法回到实验室。

1926 年在不列颠学会牛津会议上，卢瑟福报告了他和查德威克最近用α 粒子轰击像镁、铝等轻金属的原子核的实验。

1927 年，卢瑟福在帝国科学学院向物理学会发表演讲。他指出：“看来很清楚，在如此之小的距离内，适用于带电粒子间的普通的力学定律显然已经破产了。”他认为，过去那种把原子核看成是坚硬球体的看法，肯定是错误的，人们必须对某些复杂的问题，作深入细致的研究。

1929 年 10 月，当卢瑟福从外地返回卡文迪许实验室的时候，碰到了一个非常奇特的问题。当时，科学家们发现了一种镭的衍生物，它放射出一个在空气中射程达 3 英寸的α粒子，而从铀原子核中射出来的α粒子则只有 1 英寸的射程。这一重要发现对卢瑟福启发很大。他提出，既然这种粒子具有如此强的穿透力。为什么不能用镭的衍生物的α粒子来射击铀原子呢？

这一新的课题提出后，他们多次进行了实验，结果都未能达到预想的效果，不过，从这些实验中，我们可以看出卢瑟福的惊人的想象力和勇于创新的精神。

正当卢瑟福把自己的全部精力倾注在事业上时候，1930 年 12 月 30 日，他的独生女儿爱琳·玛丽不幸去世。这突然的打击，使卢瑟福悲痛万分。在很长的一段时间内，他沉浸在无法克制的悲哀之中。人们发现他变老了，高大挺直的身躯也变得弯曲了，他明亮的眼睛有时笼罩着一层忧伤。但是，卢瑟福以顽强的毅力克制自己，继续从事他的科学研究事业。在此不久实验室取得的又一辉煌成就，使他从家庭的不幸中摆脱出来。

在卢瑟福的全面指导下，卡文迪许的查德威克做了多年耐心的研究后，于 1932 年发现了原子核中的中性粒子（即中子），从而证实了卢瑟福的预见。

查德威克认为如果他们在 1920 年听了卢瑟福的报告，他们会更早地发现中

子。虽然在 1932 年大家都认为这一发现很重要，但是当时没有一个人意识到

它对人类的巨大意义。这一意义在 10 多年后才以震撼世界之势表现出来—— 用于制造原子弹和氢弹。但卢瑟福和查德威克当时显然没有意识到中子将会多么重要！

同年，卡文迪许实验室的科克罗夫特和瓦尔顿这两位才能卓越的年轻人，设计出一台 60 万伏的高压倍加器，成功地完成了人类历史上第一次原子

核人工裂变：用约 12.5 万电子伏的能量使锂嬗变为氦。其效果比过去人们所知的任何一次原子转变都更为惊人。这台仪器以卢瑟福的一本书名《当代炼金术》来命名，在科学界震动很大，许多报纸都在头版位置刊登了这条新闻。1932 年 4 月 20 日，卢瑟福向皇家协会介绍了这台仪器。他虽然用十分平静和不加渲染的语调来叙述这件事，但与会者都有一个共同的感觉：一个新时代——原子时代即将到来。

接着，卢瑟福指导他的学生在实验室里进行了元素的人工嬗变。经过一系列的实验，一种元素锂被另一种元素氢所渗透，分裂成两个氦原子。善于猎奇的报纸抓住了这一重要消息。并以显著位置刊登了这条新闻——“原子分裂了！”在一片吵嚷声中，有些神经质的老太婆忙着给报社写信，焦虑地询问世界是否已经到了末日。新闻记者也竭力为卢瑟福及其助手们正在剑桥进行的原子转变工作欢呼喝彩，天真地提出现代的炼金术士是否会很快地“制造出金子”来。卢瑟福为此发表了公开声明，对那些天真的臆测驳斥说：“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，企图使之商品化的可能性是不存在的。”

1933 年 9 月，卢瑟福在不列颠学会发表了演说，针对报纸上的一种意见

——将来总有一天，原子能要成为工业的一个动力，他发表了自己的看法： “通过这些方法，我们可能获得比目前提供的质子高得多的能量，但一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量。这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已。”

在上述演讲之后 20 年内，英国建成了一座原子能发电站，在核能源被广泛利用的今天，我们看这段话更会感到不值一驳。卢瑟福曾作出过很多预测，虽然历来都是正确的，但这一次，与会者大多数人都感到他对将来利用原子能的可能性，未免过于悲观了。卢瑟福为什么如此低估他和他的助手们的研究成果呢？为什么连普遍老太婆都看到的原子前景，而在实验中证实了这种前景确实存在的科学家反而讳莫如深呢？

这是个谜，有些人企图揭示这个谜。有的说，这是卢瑟福在他一帆风顺的科学生涯中走错了几乎是仅有的一步。他对于将来利用原子能的可能性如此悲观，是因为当时人们尚不知道存在铀的同位素——铀-235，也没有掌握利用中子的方法，建造原子能发电站所要依据的原子反应堆原理，当时也还没有形成。又有的说，卢瑟福作为一个实验物理学家无疑是杰出的，但他对待理论的物理学，特别是对当时取得了重大成就的量子力学是没有好感的。还有一种说法：由于卢瑟福和他的助手们在实验中亲眼看到了原子能的巨大威力，当社会上吵吵嚷嚷的时候，为了避免更大的混乱和恐惧，于是把一般人都能看得出的利用原子能的前景，用秘而不宣的办法回避过去。但是，不管怎么说，卢瑟福为原子时代的到来奠定了基础，在打开原子世界的大门这一划时代的行动中，他和他的学生、助手起了最重要的、决定性的作用。