第 5 节
作者:
小秋 更新:2022-08-16 19:45 字数:5179
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。
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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
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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。
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八、最后的岁月
1932年,科克罗夫特和瓦耳顿在卡文迪许实验室成功进行原子分裂实
验,他们的主任卢瑟福已经年满60岁。这时的卢瑟福并没有意识到,在他的
生命历程中,只剩下屈指可数的6个年头了。然而,卢瑟福直到生命的最后
一刻,也还保持着旺盛的斗志和充满着热情。
尽管他有许多社会活动,尽管他多才多艺,兴趣广泛,几乎涉及人类活
动的各个领域,但他对自己主要的兴趣所在是从来没有任何怀疑的。他曾经
说过:“我认为,再没有比在几乎是未经勘探的原子核世界里的漫游更令人
神往的了。”
1933年,美国化学家尤雷和一批美国科学研究工作者发现了氢的同位
素,即重氢 (氘)。某些含有重氢的重水混合物,寄到了卡文迪许实验室,
以供卢瑟福实验使用。他在原子分裂实验中,用氘来代替质子,结果证明,
它们的确是一种相当令人满意的代用品。从而验证了这一新的发现。
但是,正当科学研究获到丰硕成果的年月,国际局势却越来越笼罩上浓
的阴云。德意法西斯势力日趋猖狂,像大多数有深谋远虑的观察家一样,卢
瑟福看到了第二次世界大战的最初征兆。一方面他为科学界的成果感到高
兴,他在多次演讲中赞颂这些成就;一方面为国际形势的恶化忧心忡忡。他
越来越严重地陷于繁忙的公务之中。为了向那些由于无法忍受希特勒的迫害
而被