《数理化通俗演义》第五十七回
悄然无声 张原子变成李原子,喜报忽至 化学奖却送物理人
——原子蜕变的发现

  上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部,发现了电子并提出一个原子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢?“不对!”汤姆生万没有想到说这个话的正是他的从大西洋那边归来的一个学生卢瑟福(1871-1937)。

  卢瑟福1871年出生于新西兰一个偏僻的小村庄,家里有兄弟姐妹共十二人,这样的家庭自然不能对他娇生惯养,因此小卢瑟福倒尽得自然的优惠。他和伙伴们或山上放牛,或海边捕鱼,风风雨雨练出好一副强健的身骨,到后来他处于文弱的科学家堆中,无人不羡慕他的体格;另一方面潮涨潮落,那大自然的奥妙又启发了他的智慧,他从小就不满足于只学点能糊口的手艺,而向往解释宇宙,向往发明,向往创造。1889年,当他十八岁的时候便勇敢地去报考新西兰大学的奖学金,无疑这将决定一个农家孩子的命运。这天他正在菜地里挖土豆,他母亲突然气喘吁吁地跑来,还不到地头便兴奋地喊道:“孩子,你得到了!得到了!”

  “得到甚么了?”卢瑟福还不知是什么事。

  “奖学金,考上了!”

  卢瑟福闻言将手中的铁揪用力摔在地上,他让自己激跳的心稍稍平静下来,然后说:“这是我挖的最后一颗土豆了。”

  他大学毕业后先当了一段时间的中学教师,这时英国剑桥大学又给了新西兰一个享受奖学金留学的名额,而卢瑟福在大学时就自己动手制成一种灵敏的检波器,试验了在新西兰大地上的第一次电报,并且还发表了电磁学方面的论文。商人的资本是钱,学者的资本是论文,卢瑟福就靠这几篇论文来敲剑桥的大门,果然很灵。他的老师克顿教授为他为了一封很不平常的推荐信:“卢瑟福先生才华横溢,通晓数学的分析法和图解法,对于电学及其绝对测定法之最新成就具有极为广博的知识。卢瑟福先生为人诚恳,和蔼可亲,乐于帮助他人克服困难,凡与他有过交往的人莫不竭诚赞许,尊为良师益友。我们衷心地祝愿他在英国的科学研究同他在新西兰一样,取得非凡的成就。”

  卢瑟福从大洋彼岸的乡村来到剑桥的卡文迪许实验室这个物理精英荟萃的地方,他一身土气还没有退去。大都市里来的同学都有点瞧他不起,见他每天只知道埋头读书,便悄悄给他起了一个绰号——从安梯普斯山上抓来的一只光会挖土的野兔子。一天这些同学从外面归来,卢瑟福正在屋里看书,便请他们进屋,顺便请教几个问题。他们自然答不上卢瑟福提的问题,而且发现他桌上有二个从未见的检波器,那手工之精令他们叹为观止。这是由一根全长仅六英寸的金属线缠绕八十匝而成的线圈,中心一根钢针,长不过一厘米,直径只有一毫米的百分之七。过了几天卢瑟福就用这个检波器在半英里外检测电波,并且证明电波可以穿过闹市区、穿过人体和厚墙。而这时马可尼还没有试验成功他的检波器呢。这件事使汤姆生对卢瑟福刮目相看。他说:“在卡文迪许的所有学生中还没一人对研究所的热情能比过卢瑟福的。”那些原来瞧不起卢瑟福的学生自然也就十分敬重“这只光会挖土的野兔子”了。

  如果卢瑟福果真沿着研究电磁波的路子走下去,也许物理史就要重写。是他的老师把他领到了另一个路口上。从这里眺望开去,似乎前景更加美好。因为这时汤姆生正在研究阴极射线,并且已经找到了电子。居里夫妇在很困难的情况发现了镭,并且正在全力以赴地提炼它。镭的放射性已引起科学界的大轰动。电子也好,放射性也好,X光也好,这些发现都将人们的视线引向一点——原子内部到底还有什么未知的秘密。汤姆生建议卢瑟福就来研究这个课题。而卢瑟福生来是个探险家的性格,他也觉得检波器方面已无甚么可再搞的了,便欣然开始了对原子的探试。

  探试的第一步就是抓住镭放射出的射线,若它到底是些什么东西,然后就可以顺藤摸瓜追踪原子内的秘密。卢瑟福天生是个实验好手,他立即设计了一个实验,用一个铅块,钻上小孔,孔内放一点镭。这样射线只能从这个小孔里发出,然后将射线放在一个磁场里。奇怪的现象出现了,一束射线立即分成三股,有一股靠近N极偏转,有一股靠近S极偏转,还有一股不偏不倚一直向前。卢瑟福一一给它们取了名字,分别叫α、β和γ射钱。又经过测定,发现β射线原来和阴极射线一样,就是汤姆生证明的电子流。不过阴极射线是在真空放电时从阴极表面发射出来的,电子速度小,只有光速的百分之几,β射线是原子内部发出的,速度可达光速均百分之三十至百分之九十九,就是说每秒最少九万公里。它速度快,穿透力就强,在空气中可走几十米远,碰到几毫米厚的铝片也能穿过,难怪当年贝克勒尔把底片无论藏在何处都要漏光,正是它在作怪。

  α射线和β射线相反,粒子带的是正电荷,质量大,为4个原子质量单位,速度小,只有光速的十分之一,又慢又笨,穿透能力弱。一张薄薄的铝箔、一层裹底片的黑纸,甚至人体皮肤的角质层,都能将它挡住。

  γ射线不带电荷,非正非负,处于正中,不受磁场的影响而偏转,它是X射线,不过比X射线的波长还要短,还不到一百亿分之一厘米。

  好个卢瑟福,真是出手不凡。十九世纪最后十年的二大发现在他这一个实验里全部得到解释。老师汤姆生发现的电子流就是他左手中的β射线,伦琴的X光就是他右手中的γ射线,而贝克勒尔、居里夫妇千辛万苦发现的放射性却不过是α、β、γ这三个希腊字母。镭为甚么会发光发热,原来它在自己放出能量做功呢。当然这里还有许多问题有待探寻,但这些发现足可以教他和他的同事们高兴一番了。

  却说卢瑟福将这些新发现兴冲冲地去向汤姆生汇报,汤姆生自然高兴。但是他听完汇报后却露出一种怅惘之情,卢瑟福似有所觉便恭敬地问道:“老师有什么重要吩咐吗?”

  “是的,正有一件大事要与你商量。最近加拿大麦克吉耳大学物理系教授应聘到伦敦担任教职。为了挑选下个他的继任者加拿大方面特意派了代表来剑桥商谈此事。我考虑再三,恐怕你是一个最适合的人选。”

  “老师,我是远涉重洋来向您学习的,现在还没有学到多少东西怎能离去?”

  “不,你现在已完全能独立开展研究了。像你这样的人才总给我作助手反而压抑了你的才华,你应该有自己的学生,自己的助手,自己的实验室,放开手脚大干一番了。再者你离开了新西兰时就已订婚,也早该成家了,经济收入也不能不考虑,那边年薪500英镑,是一笔可观的收入。上任之后你就可以接来家眷,一心研究了。”

  “不过,我今年才29岁,我怕自己太年轻,做一个高等学府的教授,人家不一定看得起。"

  “不,年龄是次要的,主要是你有没有挑重担的勇气。我接替瑞利先生任这个卡文迪许实验室主任时,比你现在的年龄还小一岁呢。这正是干事业、闯禁区的最好年龄,你决不可随俗沉浮而作贱了自己的才华。机遇本就不可多得,得到机遇而又失去更会终生遗憾。况且你现在的名声已足可以和那些四、五十岁的教授相匹敌了,希望你勇敢地去上任吧。我这里已写好一封推荐信,他们会尊重你的。”

  卢瑟福接过信一看,上面写道:“在独创性的科学研究中,我从未见过有比卢瑟福先生更热情和干练有为的学生。我认为,不论那个大学,若能请到卢瑟福先生去担任物理教授,将是十分幸运的。”

  卢瑟福听了老师这番话,又看了这封信,十分激动。他感谢汤姆生的知遇之恩,便问临行前老师还有什么指点。

  汤姆生说:“你这一去要当老师了,但要注意向学生学习,敢向自己的学生学习的人永不会骄傲。你要主持一个实验室了,要选好助手,红花要绿叶不只为了陪衬,还要向他们吸取养分。要能在自己周围团结起一批人。”

  1898年9月卢瑟福牢记师嘱,横渡大西洋到加拿大走马上任。

  他到加拿大之后讲了半年课,利用假期回新西兰结了婚。当他带着妻子返回学校时,高兴地发现蒙特利尔实验室来了一个新工作人员,叫索迪。他是这里唯一年龄比卢瑟福小的助手,化学知识却极为丰富,这正弥补了作为物理学家的卢瑟福在化学知识方面均不足。教授和学生,一个30岁,一个23岁,但是卢瑟福谨记汤姆生的教诲,与索迪密切合作,他们在一起只有两年时间,但成果为人,这种师生的亲密关系和工作效率在科学史上是极少见的。

  索迪还是从研究物质的放射性入手,他很快从钍中分离出一种神秘物质,它与钍只有原子量不同,其他方面都相同。聪明的索迪立即把这种除重量不同,其他方面都相同,在元素周期表中占同一位置的元素叫了一个新名字——同位素。比如钍,便有钍232、钍228,而碳的同位素就更多,从碳10一直到碳14。同位素不同在放射性方面也有差异,如铀的同位素,有的放出α粒子,有的放出β粒子。这样对原子内部的秘密探讨得就更细一步了。原来这些肉眼看不到的原子就是在悄悄地放出不同的粒子而起变化的啊。

  这时卢瑟福又想起在剑桥时就遇到的一个老问题,α粒子从所具有的电量和质量来看很像一种已知元素——氦。现在有索迪帮忙,他们立即来验证这件事。他们将少量的镭盐放进一个小玻璃管内,外面再套上一个大玻璃管,两层管壁间密封并抽成真空。几天之后他们将内外管之间的气体抽出来用光谱分析法一化验,果然干真万确,就是氦。这只能有一种解释,是镭放射出的。粒子穿过内管的薄壁进入两层管子之间,看来α射线就是氦流。那么镭放出α射线后剩下的又是什么物质呢,再一细查,又是一种已知元素——氡。难怪当时居里夫人在寻找镭时总发现它和氡在一起,其实是镭在不断地生成着氡。它们的变化用一个简单的式子来表示就是:

  22688Ra = 22286Rn + 42He + γ

  原子序数为88、质量为226的镭经过自发放射变成了原子序数为86、质量为222的氡和原子序数为2质量为4的氦,还伴有电荷数和静止质量都为0的γ射线。

  以往的化学都是讨论酸呀、碱呀、盐呀等物质之间的化分、化合,而卢瑟福和索迪现在一下就钻入原子壳内去写他们的反应式了。卢瑟福宣布“放射性既是原子现象又是生成新物质的化学变化的伴随物。”化学与物理殊途同归了。

  一种元素转变成另一种元素的放射性现象叫做“衰变”或“蜕变”。当物质的放射性减少到一半时所用的时间叫“半衰期”。半衰期有长有短,铀的半衰期是45亿年,镭的半衰期是1,560年。而有的物质半衰期还不到一秒钟。你看,原子就是这样以无法控制的力量进行衰变,它不断地“爆炸”,飞出自己的碎片——α、β粒子,还释放出以γ射线出现的其他能量。只β粒子的速度就可达光速的一半,一个小小的原子里含有多大的能量啊。卢瑟福立即发现了一个新的世界,其意义就如哥伦布发现新大陆,牛顿发现了宇宙。一时卢瑟福成了人们议论的中心,连居里夫人也呼吁物理界的同行仍要注意卢瑟福的研究。

  1907年10月卢瑟福又重返英国到曼彻斯特大学任教,他的学生们又从世界各地追随而来,他荣誉越多却越谦虚谨慎。卢瑟福本来就身体魁梧,又从小在农村长大,所以做除了紧张的科学实验外还自己收拾了一个大花园,种草植树,常亲自挖土施肥。他也常在广场上的小咖啡馆里和进城的农民边喝咖啡边聊起今年的收成,讲得非常内行。可是有时他碰到合适的对手又会突然谈起高深的原子物理。一次一个记者向咖啡馆的老板打听道:“这个农民是谁?”老板告他:“这就是卢瑟福。”那个记者惊得伸出舌头竟半天收不回去。

  再说那个刚来英国时被人称为“野兔”,现在又被人当成“农民”的卢瑟福,这天正在实验室里安心工作,他的学生罗兹突然跑进来喊道:“快看,瑞典寄来的邮件!”

  卢瑟福接过一看,是颁发诺贝尔奖的通知书。实验室立即沸腾起来,学生们都围上来激动地祝贺、欢呼。

  可是当卢瑟福打开信细读时不由的大笑起来:“你们看,他们给我发的是化学奖,这真是太妙了。我这一生研究了许多变化,但是最大的变化是这一次,我从一个物理学家变成了一个化学家。”

  正是:

  海军也有陆战队,空军不能无伞兵,
  科学本是总体战,物理化学不可分。

  却说卢瑟福收到颁发诺贝尔奖金的通知,大家正闹哄哄地议论如何去领奖,卢瑟福却说:“这奖金放在那里总是跑不掉的。现在要紧的是要抓紧实验,我们已经发现了原子内的这许多小东西,它们在原子内到底怎样摆布呢?”

  毕竟卢瑟福说出一个什么样的原子结构,且听下回分解。