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1919年，英國著名物理學家歐內斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford)發現了質子。在質子發現100周年之際，CERN COURIER雜志在2019年5月刊登了來自新西蘭坎特伯雷大學的約翰·坎貝爾(John Campbell)教授的特輯文章①，詳細地講述了盧瑟福發現質子的來龍去脈。我們將其編譯成文，以饗讀者，同時以此表達對這位被譽為“原子核物理學之父”的科學巨擘的崇高敬意。 早年的歐內斯特·盧瑟福正是那個在正確的時間、正確的地點出現的正確的人。在獲得新西蘭大學的三個學位②和兩年在前沿電子技術方面進行原始研究的經驗之后, 他于1895年榮獲“1851年博覽會”科學獎學金③，而這個獎學金使得他成功地進入英國劍橋大學的卡文迪什實驗室。就在他到達后不久，X射線和天然放射性被發現，而且約瑟夫·約翰·湯姆孫(Joseph John Thomson)還發現了電子。盧瑟福立即相信存在比原子還小的微觀客體。他畢生的工作轉向對放射性的理解，并且命名了α射線和β射線。 1898年，盧瑟福在加拿大麥吉爾大學擔任物理學教授，并在那里取得眾多開創性的成果。這些重大的成就包括發現放射性化學元素氡，證明放射性只是某些元素的自然嬗變，展示α粒子在電磁場中運動軌跡的偏轉(因此它很可能是失去兩個電子的氦原子)，鑒定礦物的年代并確定地球的年齡。 1901年，麥吉爾物理學會召開了一次名為“亞原子物體的存在性”的學術會議，其主要目的是挑戰化學家們對存在亞原子物體的質疑。盧瑟福參加了會議并作報告，但遭到了當時碰巧在麥吉爾的牛津大學年輕化學家弗雷德里克·索迪(FredrickSoddy)的反對。索迪用題為《原子不可分割性的化學證據》的演講抨擊了當時的物理學家，尤其是湯姆孫和盧瑟福，因為他們“……以不吝表達其對整個化學和原子理論的看法而聞名，特別是后者已遭到強烈的抗議”。盧瑟福邀請專門從事氣體分析的索迪加入他的行列。這是一次短暫而富有成果的合作，他們兩人很快就確定了重元素自然嬗變的最初幾個關鍵步驟。 曼徹斯特的日子 多年以來，盧瑟福一直希望能夠到歐洲工作，因為那里是當時科學研究的中心。1907年，他遷往英國的曼徹斯特大學。在這里，他開始跟進之前在麥吉爾大學開展的實驗，其間他注意到一束α粒子穿過空氣或薄薄的云母片之后就會變得模糊不清。它們因散射而以大約兩度的角度散開，表明原子中存在每厘米100兆伏的電場，這促使他發表聲明：“物質中的原子一定是極強電場的根源”。 在曼徹斯特大學，他遇到一名得力的助手——漢斯·蓋革(Hans Geiger)。蓋革很快就進入了工作狀態，他能夠精確地測量被金箔散射而發生小角度偏轉的α粒子的數量。當時，蓋革為高年級本科生提供放射性技術方面的培訓，并于1909年告訴盧瑟福，歐內斯特·馬斯登(Ernest Marsden)已經準備好從事相關課題的研究。雖然每個人都確信β粒子可以被金屬塊散射，但沒人知道α粒子穿過金屬塊會怎么樣。因此，盧瑟福讓馬斯登研究一下這個問題。馬斯登立即就發現α粒子確實可以被散射，即使用蓋革的金箔來代替金屬塊，情況也是一樣。這個結果完全出乎意料。正如盧瑟福后來宣稱的那樣，這就像你對著一張薄紙片發射一枚15英寸的海軍炮彈，而炮彈竟然被反彈回來并且擊中你自己一樣。 幾年后的一天，盧瑟福激動地告訴蓋革，他終于知道原子長什么樣子：它具有一種核心結構，即原子的大部分質量和所有的同種電荷都集中在一個只有原子尺寸的千分之一大小的原子核上。在盧瑟福去世80年后的今天，這仍然被公認為是他最著名的工作。
1914年中期，盧瑟福和馬斯登的合作接近尾聲。在去新西蘭履職之前，馬斯登將他的工作全部記錄下來。與此同時，盧瑟福已經到加拿大和美國進行系列演講，返回曼徹斯特僅僅一個月后，他又前往澳大利亞參加英國科學促進會的年會。在他抵達澳大利亞的前三天，歐洲宣戰了。 撕裂原子 1915年1月，盧瑟福穿過被德國U型潛艇封鎖的北大西洋返回曼徹斯特。那是一個已經發生天翻地覆變化的世界，年輕人都去打仗了。受英國海軍部所托，盧瑟福將注意力轉向戰爭中最緊迫的問題之一：如何探測水中的潛艇。最終他發明的定向水聽器(布拉格④和盧瑟福擁有其專利)被用于裝備艦隊船只。直到1917年，盧瑟福才重新開始他的科學研究，特別是α粒子與輕原子的散射問題。這一年的12月份，他向玻爾(Niels Bohr)報告說：“我也在嘗試用這種方法來分解原子——請將此當作我們之間的小秘密吧。” 他研究了在不同的介質(氫氣、富含氫元素的固體材料和諸如二氧化碳、氧氣之類的氣體)中運動距離長的氫粒子的反沖，并驚訝地發現當空氣或氮氣存在時，這些“反沖”粒子的數量會增加。他由此推斷α粒子攻入氮原子核，并導致其發射出一個氫原子核。這意味著一個重大的發現，即氫原子核——或者質子，這是盧瑟福在1920年給其正式的命名——是更大的原子核的基本組成部分。 自1919年1月份起，馬斯登又有幾個月的時間幫助進行實驗，因為他同時等待著戰后返回新西蘭。正好那一年，盧瑟福接受了卡文迪什實驗室主任的職位。由于1917年已經得到的結果推遲到戰后才能發表，盧瑟福在1919年完成了四篇關于輕原子的論文。在題為“氮元素的反常效應”的第四篇論文中，他寫道“我們必須得出這樣的結論：氮原子解體了……釋放出的氫原子是氮原子核的基本組成部分”。他還表示: “考慮到在這個過程中起決定性作用的力的極大強度，氮原子被分解而α粒子逃脫瓦解的命運都不是很令人驚訝的事情。” 1920年，盧瑟福首次建議利用穩定的α粒子和氫原子核來產生其他原子。他還提出，只有存在質量數為1但電荷數為0的粒子(也就是中子)，才能很好地解釋同位素。在威爾遜的云室里，他觀察到α粒子在其運動路徑的末端有分叉的軌跡。后來，來自日本的訪問學者清水武夫(Takeo Shimizu)建造了一個自動化的威爾遜云室，它能夠每秒鐘多次拍照，而且由兩臺相機垂直拍攝粒子的徑跡。1921年，剛畢業的帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett)在清水武夫返回日本后接手了這個項目。經過改進，到1924年的時候，他拍攝了大約兩萬三千張照片，展示了約四十萬條粒子的軌跡。這其中有八條是有分叉的，證實了盧瑟福之前的發現。布萊克特之后寫道：“由這些照片可以推斷出一個新奇的結果，那就是α粒子被氮原子核俘獲并放射出一個氫原子的同時,產生了一個全新的、從未發現過的氧同位素,也就是17O。” 正如布萊克特的工作所證實的那樣，盧瑟福已經分解了原子，并因此成為世界上第一個成功的“煉金術士”，盡管他不太喜歡這個頭銜。事實上，他也更喜歡用“離解”這個詞，而不是“嬗變”。當盧瑟福和索迪意識到放射性其實是一種元素自然地轉變成另一種元素時，索迪后來寫道他自己大聲喊：“盧瑟福，這就是嬗變：釷正在離解并將自己嬗變成氬氣體⑤(原話如此)。”盧瑟福回答說: “看在上帝的份上，索迪，別把這叫做嬗變。他們一定會砍掉我們這些煉金術士的腦袋!” 1908年，盧瑟福因“對元素的離解和放射性物質的化學研究”而被授予諾貝爾化學獎。雖然他從未因對α粒子的實驗探測，對原子核結構的發掘和對質子的發現而獲得第二次諾貝爾獎，但沒有人會質疑這位偉人對物理學的巨大貢獻。 (譯自CERN COURIER，59卷，第3期，2019年5/6月刊; 原文鏈接：https:///rutherford-transmutation-and-the-proton/) 注： |
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