第八节 原子有核及质子中子的发现

有“核子科学之父”尊称的卢瑟福，终生从事原子结构和放射性的研究。卢瑟福幼年时期是个普普通通的孩子，由于家境贫寒，他不得不和哥哥姐姐们一起，经常帮助父亲去农场干活，或到牛棚里帮母亲挤牛奶。

传记作家在描绘卢瑟福时说：“也许除了他那惊人的自制力以外，在其他任何方面，卢瑟福都谈不上还有什么特别出众之处。”

1889 年，当卢瑟福 18 岁时，他那惊人的自制力给他带来了第一次奖赏和报酬。他所在的中学校长鼓励他参加初级大学奖学金的考试，如果考上了， 他就可以进入新西兰大学的坎特伯雷学院继续深造。虽然他对考试的结果没有半点把握，但他最后还是同意去试一试。正象许多聪明的孩子一样，他总是过低地估计自己的才能。

奖学金考试结果揭晓了，当他的母亲急急忙忙地赶来告诉他时，卢瑟福正在菜园里挖马铃薯。

“卢瑟福，你考上了！”母亲兴奋地大声嚷道。 “考上了什么？”他一时弄不清母亲指的是什么。当他突然明白母亲的

话时，用力甩掉了手中的铁锹，缓慢而平静地说：“这也许就是我要挖的最后一颗马铃薯吧！”

这次奖学金的获得是卢瑟福未来登上科学高峰的起点。卢瑟福后来自己常说：要不是在乡村里获得奖学金，使我进入纳尔逊学院，我可能会成为一个农民，而我那特殊的才能也将永无用武之地了。

从此，在科学道路上，卢瑟福勇往直前，顽强进取，有人在他实验室大门的右端，雕刻着一条鳄鱼，因为鳄鱼是一种从不向后看的动物，它象征着卢瑟福在事业上执著追求的刚强性格。他取得了成功后，家乡的父老说：“乡下小孩发了迹。”

卢瑟福不是个古怪人物，他体魄健壮，很象农民，他总是谦虚地同实验室里的朋友和同事一起讨论问题，甚至做“讲夸张故事”的比赛。由于和谐相处，坦诚相见，所以卢瑟福实验室的研究工作，很有成绩。

古代哲学家认为，原子是不可分割的最小物质单元，后来人们又得悉原子内有电子存在。但是，原子学说对此始终无法解答，更不能证明是否有单个原子存在。卢瑟福迈出了决定性的一步。

1899 年，卢瑟福发现了镭的两种辐射。

第一种辐射，不能贯穿比 1/50 毫米更厚的铝片，但能产生显著的电效应。

第二种辐射，能贯穿约半米厚的铝片，然后强度减少一半，并且能穿过包装纸使照相底片感光。卢瑟福把前者命名为α（阿尔法）射线，后者命名为β（贝塔）射线。

卢瑟福的这些发现以及后来在测定α射线的性质等方面的工作，大大地推进了贝克勒耳开始的关于放射性的研究。

1911 年，卢瑟福完成了闻名的α粒子散射实验，证实了原子核的存在， 建立了原子的核模型。

人们对原子模型曾作过各种各样的猜测。卢瑟福的老师汤姆生提出：球形的原子内部均匀地分布着阳电荷，带阴电的电子夹杂其中。这个原子模型在科学史上被称为“西瓜模型”，因为它像一个西瓜：整个西瓜分布着阳电荷，而瓜籽带阴电荷，所以对整个“西瓜”——原子而言——显现中性。

按照“西瓜模型”，如果用α粒子轰击原子，α粒子会很容易地穿过这个原子，而不至于发生α粒子的散射现象。然而，卢瑟福和他的学生们做了多次的实验，表明汤姆生的结论不符合事实。

当卢瑟福以高能量的α粒子流来轰击金属箔时，发现了一种奇妙的现 象：大多数α粒子穿过金属箔后依然沿直线前进，但有少数α粒子偏离了原来的运动方向，还有个别的α粒子被弹射回来，即和原来的入射方向恰好相反。这种偏离现象称为α粒子的散射。那些少数的不依原来的入射方向前进的α粒子的行为，好比一个弹球打在一块硬石上，弹球被反射回来或被弹到别处一样。

同学们玩玻璃球时，会有这样的体验：玻璃球打到玻璃球，其中之一必定会弹射到别的方向去，而玻璃球打到小砂粒上，决不会弹射回来，因为玻璃球比砂粒大的多。同样，由于α粒子的质量要比电子的约大 7000～8000 倍，因此，电子是不可能将α粒子弹回的。

卢瑟福作了在各种金属薄膜下的α粒子流的散射实验，计数了在不同方向上散射的粒子数。通过实验、观察和计算，一副崭新的原子图就出现在他的面前：原子具有很小的、坚硬的、很重的并且带正电的中心核。卢瑟福把这个核称之为“原子核”。

卢瑟福假定，环绕着核的大量电子是在电磁引力作用下旋转的。看起来， 它多少类似于环绕着太阳运转、并以万有引力维系着运动轨道的行星系。因此，后来有人把卢瑟福的原子模型称为“小太阳系”。

原子具有核的结构这一物理学思想，对于当时的物理学家和化学家都是

一个巨大的震动。核模型的建立对原子物理学的发展起了重大作用。虽然今天对原子结构已有更精确的认识，但人们还经常用这种模型作为原子结构的直观的粗线图，也就是我们在各种杂志报纸、宣传画上常常可以看到的作为科学技术象征的原子图像。因此，科学家们称卢瑟福是“近代原子物理学的真正奠基者”。

自从发现放射性物质以后，人们总是在考虑以人工的方法使自然界中一些元素的原子核转变为另一元素的原子核。第一个实现这种思想的又正是卢瑟福。他在 1919 年用实验表明了这一点。

卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，会从它里面打出一粒碎屑，这粒碎屑在涂着硫化锌的荧光屏上发出闪光。后来，科学家们又成功地把这种“星球相撞事件”拍摄成了立体照片。

研究了碎屑之后，知道氮原子核并吞了α粒子，变成了氢原子核（质子） 和原子量不是 16 而是 17 的氧原子核，普通氧原子的原子量是 16。

于是，人们把一种元素转变成另外一种元素的研究初次成功了。

炼金家徒劳了多少世纪，妄想找到把铅和铜变成黄金的“哲人石”。要达到这个目的，那些炼金家不仅仅是知识不够，而且手里也没有这种能够打破原子的工具和能量。

在炼金家炉子的烈焰里，原子核始终没有变化。即使现代的那种温度高达几千度的电炉也未必能够破坏它。

可是现代炼金家——核科学家终于学会了转变元素。

卢瑟福以α粒子轰击氮核后，元素氮转变为氧的同位素氧-17，并放出一个质子。卢瑟福和查德威克还测量了质子的射程，他们发现从硼到钾的所有轻元素中，除碳和氧以外，都可以，用α粒子轰击使它们产生嬗变并放出质子。此外，卢瑟福还曾预言中子和正电子的存在。从卢瑟福关于原子核的种种研究和发现，实际为原子能的利用起了先导作用。

卢瑟福否定了“原子是不可再分的”，“电是一种连续的、均匀的液体”， “原子永恒不变”的学说。他正确地指出：“看来很清楚，在如此微小的距离内，带电粒子间的普通的力学定律显然已经破产了。”既认定旧定律不适用于新领域，就需要努力探索新领域的新规律。

卢瑟福坚信自己的信念“是建筑在坚固的事实的岩石之上的”。

卢瑟福在 1920 年的一次演讲中，有一个极为出色的预言，认为在原子的某个地方，可能存在着一个尚未被察觉到的中性粒子，而一经发现这种中性粒子，很可能比α粒子的用途要大得多，“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。”

卢瑟福所预言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。这是在原子能利用的历史上具有重大意义的事件。

又过了六年多，哈恩用中子使铀核发生了裂变。紧接着，玻尔、费米、

约里奥、西拉德等分别实现了由中子引起的铀裂变的链式反应，从而为原子能的释放及利用找到了实施的途径。

卢瑟福在原子科学中的贡献，总结起来有下列几个方面：

提出假设，原子内部存在着一个质量大、体积小、带正电荷的部分—— 原子核。

原子内部的结构像行星系一样，有一个处于原子中心的原子核，若干个绕核运转的电子。核带正电，电子带负电，核正电量与电子总负电量相等， 所以原子显中性。

核和电子较原子小得多，如果把原子的直径放大到北京人民大会堂一般大，那么核或者电子也不过黄豆一样大，由此可以想象到原子内部是何等的空旷啊！

核的质量较电子的大得多。核的质量可以是一个氧单位的一倍到二、三百倍，而电子的质量约是一个氧单位的 1/1840，所以可以认为，原子的质量主要集中在它的核上。（一个氧单位是氧原子质量的 1/16）

发现质子。卢瑟福考虑到电子是原子里带负电的粒子，而原子是中性的， 那么原子核必然是由带正电的粒子组成的。这粒子的特征是怎样的呢？他又想到氢原子是最轻的原子，那么氢原子核也许就是组成一切原子核的最小微粒，它带 1 个单位正电荷，质量是 1 个氧单位。卢瑟福把它叫做“质子”。这就是卢瑟福的质子假说。1919 年，卢瑟福本人用速度是 20000 公里/秒的“子弹”——α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是 1，质量是 1，这样的微粒就是质子，这就证明了卢瑟福自己的质子假说是正确的。

预言中子。卢瑟福考虑到原子核如果完全由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上一定等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是原子核决定的，核外电子的质量是微不足道的。但是事实并不是这样，元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或一倍以上，这说明原子核里除了质子之外，必然还有一种质量和质子相仿，但却不带电的粒子存在。所以在 1920 年，他提出了中子假说：原子核里存在一种“中子” 微粒，它不带电，质量是一个氧单位。

但是，直到 12 年以后的 1932 年，英国物理学家查德威克才在卡文迪许实验室里发现了中子。这时卢瑟福已接替卡文迪许实验室退休的汤姆生的职务。

这个发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。

1930 年，德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其它轻元素时，他们用尖端式盖革计数管（一种对γ即伽玛射线灵敏的探测器）探测到了有一种穿透力异常大的射线产生。法国物理学家约里奥·居里夫妇，利用一个强得多的钋源进一步研究了受到α粒子射击后的铍的辐射现象。他们把铍发射出来的射线解释为“γ射线”，把从含氧物质中打出的

质子解释成“γ射线在氢核上的”“散射”了。由于他们没有足够地重视理论，这就使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“γ射线” 的，正是人们长期寻找的中子流，并不是γ射线。他们走到了“中子”的门口，而没有发现它。

1932 年，海峡对岸的英国物理学家查德威克，对此进行了反复试验，每次他都得到了相同的结果。他进一步察觉这些射线像γ射线和 X 射线一样不会被磁偏折，可见是中性的。然而，这种射线的运动速度却与之大不相同， 只为光速的 1/10，比起几乎以光速前进的γ射线来说，简直太慢了。

查德威克继续研究这些射线，发现当这种射线被笔直地引向氮气时，偶然会有个别以极大的力量打进氮原子。如果是γ射线，则没有这种现象发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和能量测量，发现在不同情况下，新射线的能量也不同。他想，这种新射线显然与γ射线不相同，它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核所增加的质量来计算加到硼中去的这种粒子的质量，结果算出新粒子的质量与质子大致相等。查德威克在卢瑟福的领导下，长期从事寻找中子的研究，理论思维帮助了他从现象中抓到本质，终于悟出：这种新射线正是长期寻找的中子流。这样，他惊人地发现了人们预言的中子。

这是科学预言的又一个胜利。

至此，人们在探索原子秘密的道路上，又前进了一大步。所以，中子的发现被誉为原子科学发展的第二个重大发现。（第一个重大发现是放射性现象的发现）

接着，在这个发现的启示下，苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型，（质子和中子统称为核子）使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。

卢瑟福向人们报告了用α粒子轰击象镁、铝等轻金属的原子核所发生的变化。因此在新闻界曾不止一次地为卢瑟福及其助手们在进行的原子转变工作欢呼、喝彩，称他们为现代可以点铁成金的“炼金术士”。他们经常提出这样的问题——可不可以说，现代炼金术士所做的工作要比古代的炼金术士所曾梦寐以求的理想更为神奇、美妙呢？是否真能很快地“制造”出金子来呢？

卢瑟福为此发表了公开声明，严正地驳斥了这种过于天真的臆测：“把一种金属变为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。”

不论在什么情况下，卢瑟福同科学界绝大多数学者一样，对自己所从事的科学工作的商业利益毫无兴趣，他们只对扩展知识领域有兴趣，他们的目的并不在于把廉价的金属转变为昂贵的金属，而是为了探索元素之间相互转变的可能性。

这是卢瑟福他们的局限性，是一种错误的观念。

更令人感到惋惜的是，卢瑟福对原子的研究虽然得到了那么突出的成果，但他对于原子能量的开发利用却抱着一种悲观的态度，1933 年 9 月，他在不列颠协会的演说中声称：

“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。”“我们可能永远做不到这一点。”其实，通过原子核的变化取得能量不仅是可能的，而且由此取得的原子能非常巨大，应用非常广泛，我们将在第二、三篇中专门叙述。

这是卢瑟福在他一幅风顺的科学生涯中走错了几乎是仅有的一步。这次会上，与会者中的大多数人感到他对将来利用原子能的可能性，未免过于悲观了。

不仅卢瑟福在认识上有错误，当时对于原子核内蕴藏的能量能否实际应用，开始并没有引起普遍注意。甚至到了 1938 年哈恩发现铀核裂变时，核物理学家玻尔也还认为，核裂变反应的实际应用是不可能的。连哈恩自己，当他同几个要好的同事辩论他的发明的实用性问题时，对核能的应用还大叫： “无疑，这是违反上帝意志的！”

其实，科学家们不仅实现了古代炼金术士的梦想，他们用原子核轰击产生的新元素比金子更宝贵、更有价值。1942 年，当科学家们在历史上首次实现了核裂变的自持链式反应，并控制住它的时候，表明原子能不仅可以为人类所利用，而且力量惊人。