卢瑟福

(1871-1937)原子核物理学之父

欧内斯特·卢瑟福,第一代尼尔森的卢瑟福男爵,OM,FRS(英语:Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson,1871年8月30日—1937年10月19日),新西兰物理学家,世界知名的原子核物理学之父。学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。

卢瑟福首先提出放射性半衰期的概念,证实放射性涉及从一个元素到另一个元素的迁变。他又将放射性物质按照贯穿能力分类为α射线与β射线,并且证实前者就是氦离子。因为“对元素蜕变以及放射化学的研究”,他荣获1908年诺贝尔化学奖。

卢瑟福领导团队成功地证实在原子的中心有个原子核,创建了卢瑟福模型。他最先成功地在氮与α粒子的核反应里将原子分裂,他又在同实验里发现了质子,并且为质子命名。第104号元素为纪念他而命名为“𬬻”。

生平

1871年8月30日,卢瑟福生在新西兰尼尔森附近的斯普林格罗夫(现属布赖特沃特(英语:Brightwater)),家里有兄弟姊妹12人,他的父亲从事生产枕木及切割亚麻的工作,小时候常在家里的锯木厂及亚麻厂帮忙,因此教育孩子的责任都落于母亲身上。他国中就读海夫洛克,毕业后他决定争取尼尔森学院的奖学金,这段就学期间是他一生最难忘的回忆,在他临终前仍不忘叮咛他的太太要捐100磅给尼尔森学院,接着1890年他进入坎特伯雷大学在那里他遇见了他最敬仰的教授,在他们的引导下卢瑟福对于科学的研究更加强烈,并已经做了两年电子学的先锋研究。而后1891年他以"电磁研究"获得科展的奖学金。

1895年,卢瑟福获得奖学金,据闻这天他正在田里挖马铃薯,卢瑟福得知考上奖学金,将手中的铁锹丢掉说:“这是我挖的最后一颗马铃薯了”。到英国剑桥大学三一学院卡文迪许实验室做博士研究后,最开心的就是接受约瑟夫·汤姆孙的指导。刚从新西兰到剑桥时,整日埋头苦读,被看作“光会挖土的野兔子”。在那里他暂短地保持了发现世界最长无线电波(2英里)的纪录,后来跟随发现电子的汤姆孙做研究。在研究物质放射性期间,他创造了术语:α(阿尔法)和β(贝塔)射线,又经测定发现β射线是速度快、穿透力强的电子。

在1898年,卢瑟福被指派担任加拿大麦吉尔大学物理系主任,实验中他发现了放射性的半衰期,并将放射性物质命名为α和β射线,这项实验被授予1908年的诺贝尔化学奖,因为他调查到解体的元素、化学和放射性物质。他证明了放射性是原子的自然衰变。但他不是很高兴,因为他自认为是物理学家,而非化学家。他的一个名言是,“科学只有物理一个学科,其他不过相当于集邮活动而已”。他注意到在一个放射性物质样本里,一半的样本衰变的时间几乎是不变的, 这就是该物质的“半衰期”,并且他还就此现象建立了一个实用的方法,以物质半衰期作为时钟来检测地球的年龄,结果证明地球要比大多数科学家认为的老得多。

在1907年他搬到英国已经是诺贝尔奖得主。1908年卢瑟福在英国曼彻斯特大学同实验助手汉斯·盖革用α粒子撞击薄金属箔纸,他发现相当可观的散射。隔年,在卢瑟福的指导下,盖革和二十三岁大学生欧内斯特·马斯登于做实验用α粒子散射于薄金箔纸,这就是著名的卢瑟福散射实验,其展示出α粒子可以被大角度散射,因此彻底推翻了汤姆孙的梅子布丁模型。他知道这散射结果时惊叹,这是他一生中最难以置信的事件…如同你用15吋巨炮朝着一张卫生纸射击,而炮弹却被反弹回来而打到你自己一般地难以置信。1911年,卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现,同年,他将论文发表于当地的哲学与科学杂志。在这篇论文里,提出了卢瑟福模型,这是描述原子的一种核子模型;原子的中心有一个带正电、带质量的原子核,在原子核的四周是带负电的电子云。从卢瑟福模型,卢瑟福推导出散射公式,其预测与实验结果相符合。然而,在卢瑟福散射实验里,主角是原子核,而电子并不重要,因此卢瑟福不能空口无凭地给出电子的排列方式。

晚年和荣誉

卢瑟福在1914年被授予爵士爵位。在第一次世界大战期间,他研究潜艇探测的实际困难。1916年,他被授予海克特纪念奖章(英语:Hector Memorial Medal)。1919年,他回到卡文迪许实验室,继约瑟夫·汤姆孙之后成为实验室主任和卡文迪许教授。在他的指导下,詹姆斯·查德威克因为发现了中子于1932年获得诺贝尔奖。约翰·考克饶夫和欧内斯特·沃尔顿完成了一个利用粒子加速器分裂原子的实验并在日后获得诺贝尔奖。爱德华·阿普尔顿证明了电子层的存在,并也在日后获得诺贝尔奖。他的学生中总共有丹麦的玻尔、德国的哈恩、前苏联的卡皮察等十位诺贝尔奖得主。1925年至1930年期间,他担任了皇家学会会长以及后来的难民学者协助理事会(英语:Council for Assisting Refugee Academics)主席,帮助了来自德国的近1000名大学学者难民。1925年卢瑟福获得英国政府颁发功绩勋章,1931年被封为尼尔森的卢瑟福男爵。他只有一位女儿,故爵位在他死后断绝。

在早些时候,卢瑟福就患有轻微的疝气,但他一直不太重视,没有好好治疗它,最后发展成绞窄性肠梗阻,使得他病得很严重。1937年,尽管在伦敦做过一次紧急手术,卢瑟福还是在剑桥于4天后死于医生所说的“肠麻痹”。他的遗体在戈德斯格林火葬场(英语:Golders Green Crematorium)被火化,之后被给以很高荣誉的葬在西敏寺中,靠近牛顿和其他著名英国科学家。

科学研究

金箔实验

顶部:预期的实验结果:α粒子穿过未被扰动的梅子布丁模型式的原子。
底部:观测到的结果:少量的粒子被偏转,表明有一个电荷集中的小核。 这里的图像并不是依照比例,实际中原子核远小于电子层。

1909年,卢瑟福和汉斯·盖革以及欧内斯特·马士登(英语:Ernest Marsden)在英国曼彻斯特大学进行了盖革-马士登实验 。实验是用α粒子束轰击真空室中的金箔。实验表明了原子具有核的特征。在实验中,卢瑟福灵感所至,要求盖革和马士登寻找具有大偏转角的α粒子。在当时,没有任何一个理论预期过这类粒子。这种稀有的偏向被观测到了,并被证明是平滑的但符合高阶偏向角函数。卢瑟福解释了这些数据,并在1911年总结出原子的卢瑟福模型的公式。该模型认为,包含大部分原子质量的带正电的小核与围绕在四周的小质量电子云。

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