物理群星
欧内斯特·卢瑟福 肖像

欧内斯特·卢瑟福

Ernest Rutherford

1871–1937 · 生于新西兰纳尔逊附近 · 新西兰 → 英国

原子与核物理

第一个看见原子核、也第一个改造原子的人

诺贝尔化学奖 1908 对元素蜕变以及放射性物质化学的研究

「这是我一生中遇到的最不可思议的事件。它几乎就像你朝一张薄纸发射一枚 15 英寸炮弹,炮弹却弹了回来,击中了你自己。」

—— 1936 年剑桥演讲,收录于《Background to Modern Science》(1938)

人生时间线

  1. 1871

    生于新西兰纳尔逊附近的一个农场家庭,在十二个孩子中排行第四

  2. 1895

    获「1851 年世界博览会奖学金」,远渡重洋进入剑桥卡文迪什实验室,师从 J.J. 汤姆孙

  3. 1898

    赴加拿大麦吉尔大学任教授,次年将铀辐射中的两种成分命名为 α 射线与 β 射线

  4. 1902

    与索迪提出放射性蜕变理论,「半衰期」成为度量原子世界的时钟

  5. 1908

    因对元素蜕变与放射性物质化学的研究获诺贝尔化学奖

  6. 1911

    基于盖革与马斯登的金箔实验,提出原子的核式结构模型

  7. 1917

    用 α 粒子把氮变成氧,首次实现人工核嬗变

  8. 1919

    接替 J.J. 汤姆孙出任卡文迪什实验室主任

  9. 1937

    在剑桥逝世,安葬于西敏寺牛顿墓旁

伟大发现

代表方程

卢瑟福散射公式

dσdΩ=(Z1Z2e24E)21sin4(θ/2)\frac{d\sigma}{d\Omega} = \left(\frac{Z_1 Z_2 e^2}{4E}\right)^{2} \frac{1}{\sin^{4}(\theta/2)}

α 粒子被原子弹开的角度分布有严格规律——角度越大越罕见,恰好按这个比例递减。实验点点吻合,只能有一个解释:原子的正电荷全部挤在一个极小的核里。

如果说 J.J. 汤姆孙发现电子是给原子开了一条缝,那么卢瑟福就是把整扇门踹开的人:他证明原子几乎是空的,中心蜷缩着一个极小而致密的核;然后他又亲手把一种元素变成了另一种——炼金术士的千年梦想,在他的实验台上变成了严格的物理学。

挖土豆的少年

1871 年,卢瑟福生于新西兰纳尔逊附近的农场,从小挤牛奶、挖土豆,靠一路考来的奖学金读完大学。1895 年,一份「1851 年世界博览会奖学金」把他送到地球另一端——剑桥卡文迪什实验室,成为 J.J. 汤姆孙门下第一批外来研究生之一。流传的故事说,得知获奖时他正在田里挖土豆,当即把铁锹一扔:「这是我挖的最后一颗土豆了。」

给射线起名字的人

在剑桥以及随后任教的加拿大麦吉尔大学,卢瑟福把贝可勒尔与居里夫妇发现的神秘辐射拆解开来:穿透力弱、一张纸就能挡住的叫 α 射线,穿透力强的叫 β 射线。他与化学家索迪进一步证明,放射性是原子自身在「蜕变」——一种元素自发变成另一种,且每种放射性物质都有恒定的半衰期。这项工作为他赢得 1908 年诺贝尔奖——却是化学奖。他在颁奖晚宴上打趣说,自己研究过各种各样的蜕变,但最快的一次,是他自己在一瞬间从物理学家蜕变成了化学家。那句流传甚广的「科学要么是物理学,要么是集邮」出自后人转述(最早见于 1939 年贝尔纳的记载、1962 年《Rutherford at Manchester》定型,原话已不可考),配上这枚化学奖章,成了科学史上最著名的反差之一。

金箔上的反弹

1907 年他回到英国,任曼彻斯特大学教授。1909 年,他让助手盖革与年轻的马斯登用 α 粒子轰击极薄的金箔,顺手加了一问:有没有粒子被大角度弹回?结果约每八千个粒子中就有一个原路反弹——按当时流行的「葡萄干布丁」原子模型,这绝无可能。苦思一年多后,他在 1911 年给出答案:原子的正电荷与几乎全部质量集中在一个只有原子约十万分之一大小的核里,原子内部近乎空无一物。他推出的散射公式与实验数据严丝合缝——人类第一次「看见」了原子核。

现代炼金术

1917 年,他用 α 粒子轰击氮气,打出了氢核(质子),氮变成了氧——人类第一次人工改变元素,报纸欢呼他「分裂了原子」。1920 年他又预言核内还藏着一种不带电的中性粒子;十二年后,他的学生查德威克找到了它——中子。

鳄鱼与他的门徒

1919 年,卢瑟福接任卡文迪什实验室主任。他嗓门奇大,同事打趣说他一开口就会震得灵敏仪器失灵;学生卡皮察给他起了绰号「鳄鱼」——鳄鱼从不回头,只张着大口一路向前——后来干脆请人把一条鳄鱼刻在实验室新楼的外墙上。他门下与麾下走出了玻尔、查德威克、科克罗夫特、瓦耳顿、哈恩、卡皮察等人,拿下的诺贝尔奖足有一打。1931 年他受封男爵,把家乡纳尔逊写进了封号。1937 年卢瑟福逝世,安葬于西敏寺牛顿墓旁——一个挖土豆的新西兰农场少年,长眠在科学的万神殿里。

思想的传承

曾受影响于

J. J. 汤姆孙亨利·贝克勒尔 玛丽·居里

深刻影响了

尼尔斯·玻尔 詹姆斯·查德威克

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