【原】【瘋狂物理學家】盧瑟福：曾經挖土豆的澳洲少年，來到英國挖開了原子核

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【瘋狂的物理學家】第 024 篇文章

湯姆遜打開了原子，發現了電子，而他的學生盧瑟福進一步打開了原子核。

歐內斯特·盧瑟福于1871年8月30日出生于新西蘭納爾遜的一個手工業工人家庭，他的父親是一名工人，家庭一般。盧瑟福順利完成了小學至高中的學業后，覺得待在新西蘭這個鳥不拉屎的地方沒出息，而且澳大利亞和新西蘭距離當時的學術中心歐洲很遙遠，屬于“山高皇帝遠”的地方。

盧瑟福非常順利，獲得了劍橋大學的獎學金。據說，當他得知這一消息的時候，還在挖土豆。他激動地說道：“這是我挖的最后一個土豆了！”

是的，盧瑟福從此不再挖土豆了，不過他將這份“挖勁”帶到了學業中，轉而挖原子。

到了劍橋大學后，24歲的盧瑟福成了湯姆遜的學生，畢業后去了加拿大任教，回來后就一直待在曼徹斯特，此后一直在英國工作中直到去世。

早在1868年，科學家在觀測太陽光譜時，發現了一種新的元素，當時人們對其一無所知，就知道來自太陽，于是用古希臘中的太陽神Helios（非阿波羅）的名字為其命名，化學符號為He。

自從倫琴發現X光后，物理學迎來了新的發展，人類進入了研究離子散射的時代。由于放射性元素的被發現，實際上挑戰了人們一直堅信的能量守恒定律，因為一個放射源元素根本不需要跟其他物質發生反應，自說自話就在那邊衰變了，輻射出了一種射線，沒有一丁點明顯的物理或化學的變化。一開始，人們將這種現象歸因于涉及的能量實在太小，也沒當回事。

但是，隨著對輻射能量更加請準的測量使得這個解釋站不住腳了，盧瑟福在1900年發現，1克氧化鈾每秒鐘放射出4.2乘以十的負十一次方焦的能量，而居里夫人發現的鐳的放射性要比鈾強十萬倍以上。

擁護能量守恒原理的人們開始尋找新的解釋，有人提出了設想，鈾和釷的化合物從周圍氣體分子中吸收了能量，并將它轉變成為輻射能。居里夫人認為，這個世界上充滿了甚至比X射線的貫穿力還要強的射線，這些射線只能被像鈾和釷那樣重原子量的物質所吸收。

有人說：“十分之幾克的鐳就破壞了化學中的原子論，革新了物理學的基礎，復活了煉金術士的觀念，給那些趾高氣揚的化學家以沉重的打擊。”

面對這種情況，盧瑟福第一次提出了“半衰期”的概念，他向來是一個實用主義者，他推斷，所謂放射性衰變，其實就是一種原子從自己的內部分裂，變成了另外一種原子。其次，他還發現，無論是哪種放射性元素，其一半衰變成其他元素的時間總是一樣的，這也就是半衰期。

在不同元素衰變所產生的新粒子中，有些是同種元素，盧瑟福將其分為兩種，帶正電的α粒子和帶負電的β粒子，他還證明了α粒子實際上就是He離子，也就是沒有電子的原子。這兩種粒子都有很強的穿透性。

有意思的是，盧瑟福因此而獲得了1908年的諾貝爾化學獎，他本人對此覺得是一種恥辱，因為他覺得自己是一個物理學家，他曾說過：“所有的科學可以分成兩類，一類是物理學，剩下的都是集郵。”

其實在科學界，也存在著鄙視鏈，學數學的瞧不上學物理的，學物理的瞧不上學化學的。很多物理學家都認為，物理是很考驗智商的，哪像化學，幾個瓶瓶罐罐弄來弄去，太低端。

最逗的是，盧瑟福總共培養了玻爾在內的十一位諾貝爾獎得主，其中八位是物理學獎，三位是化學獎，他自己倒只拿了一個化學獎。想必盧瑟福的心中一定是非常苦悶，他夢寐以求的物理學獎始終都沒有拿到。

一直以來，諾貝爾獎中的化學獎都是一個很尷尬的獎項，被稱為“諾貝爾理綜獎”，因為獲獎者有相當一部分是物理學家或生物學家，純化學獎只占2/3。截止至2017年，把其他學科的科學家瓜分化學獎的數據也統計出來，這175人獲獎名單中大約還有1/3的人不是化學家。這么說吧，一個物理學家或生物學家，他不僅可以拿物理學獎或生物學獎，沒準還能拿個化學獎，而一個化學家，他只能拿化學獎。

1904年春，盧瑟福來到了英國倫敦，給皇家科學研究所開了一個講座，他準備講的是關于他新發現的放射現象的蛻變理論，作為講課的輔助內容，他拿出了一塊瀝青鈾礦石。當時，偉大的開爾文也在場。

盧瑟福聲稱他計算出了地球的年齡，這要比開爾文最終計算出來的結果2400萬年要古老得多。

雖然開爾文對此并沒有激烈反駁，但與其他科學革命一樣，盧瑟福的新發現并沒有受到普遍的歡迎。

1911年，盧瑟福和他的學生們干了一件大事，他們用α轟擊一張極薄的金箔，想看看原子內部的結構。相信各位高中物理都畫過這樣的圖。原子是由原子核與電子構成，原子核就像太陽，電子就像行星一樣繞著原子核轉，而且，原子核與電子之間是極大的空間。

盧瑟福和學生的實驗結果讓他們大吃一驚，因為α粒子是帶正電的氦核，在撞到金箔上的時候，有少數α粒子發生了散射，而且散射角度很大，超過了90°。對于這個情況，盧瑟福描述道：“這就像你用15英寸的炮彈向一張紙轟擊，結果這炮彈卻被反彈了回來，反而擊中了你自己一樣。”

這說明，在原子的中間有一個原子核，集中了原子大部分的質量。盧瑟福還發現所有氫原子核只是帶正電的單個粒子，這個粒子的質量是電子的將近兩千倍，這就解釋了為什么氫原子的絕大部分質量都集中在原子核里，這個帶正電的粒子后來被人們稱為質子。

很快，盧瑟福就提出了自己的猜想，他推翻了老師湯姆遜的葡萄干蛋糕模型，提出了“原子行星模型”，認為原子內部是一個像太陽系一樣的行星系統。

但是，問題來了，這個行星模型遭到了眾多物理學家的質疑，因為帶負電的電子繞著帶正電的原子核旋轉，這個體系是不穩定的。為啥？根據麥克斯韋理論，原子核與電子之間會放射出強烈的電磁輻射，從而導致電子一點點地失去自己的能量，就像地球逐漸失去自身質量一樣，會逐漸“墜入”太陽內部，電子也會不斷縮小自己的旋轉半徑，從而“掉入”原子核內部。

而且，整個過程不是漸進的，而是很快的，一眨眼的功夫，電子就會掉進原子核內部。

后來，盧瑟福的學生玻爾對其進行了改進，不過這些都是后話了。

1919年，一戰結束后不久，盧瑟福接替了退休的湯姆遜老師，成了卡文迪許實驗室的第四代掌門人。隨后幾年，由于他的巨大貢獻，不僅當選為英國皇家學會會長，還受封為納爾遜男爵。

1937年10月19日，二戰前夕，盧瑟福因病去世，享年67歲。