盧瑟福：原子核內部有什麼？打開看看_風聞

作者：姬揚

在道爾頓、布朗、愛因斯坦、佩蘭的共同努力下，人類已經達成了共識：原子是切實存在的。

但道爾頓的現代原子論裏提到“原子是不可再分的”。那原子真的就是構成物質的最小單元嗎？原子裏面還能不能繼續拆分？

解決這一問題的，是三代師生，約瑟夫·湯姆森、歐內斯特·盧瑟福、詹姆斯·查德威克。

葡萄乾布丁模型——撥開原子的第一層面紗

最早打開原子內部結構的科學家，是湯姆森。

湯姆森在研究β射線的時候，發現β射線是由一種帶負電粒子構成的，這種粒子被稱作電子。

湯姆森認為，在每個原子裏面應該都有這樣的電子。而且，湯姆森還提出了他的葡萄乾布丁原子模型：每個原子就像是一個葡萄乾布丁，正電荷和布丁一樣，均勻分佈在整個原子裏，帶負電荷的電子，和葡萄乾一樣，撒在布丁上。

雖然在教科書上對這個模型的評價並不高，只是一帶而過，但這個模型自有它的重要意義，它説明了一點，原子是可以繼續拆分的。而繼續拆分的任務，就交給了他的學生——盧瑟福。

“鍊金術士”盧瑟福的原子模型

1901年，盧瑟福在研究放射性元素“釷”的時候，發現釷元素能夠向外釋放出α射線，更另人驚訝的是，在衰變之後，釷元素變成了另一種元素。

一種元素能夠轉變成另一種元素，過去這件事只存在於鍊金術士的幻想中，現在盧瑟福竟然證實了，這一重大的發現，讓盧瑟福獲得了1908年的諾貝爾化學獎。

順便提一下，盧瑟福拿到諾貝爾化學獎之後並不高興。他覺得自己明明是個物理學家，怎麼都應該拿諾貝爾物理學獎。

但諾獎對盧瑟福來説並不重要，他通過對放射性元素的研究，認定了一件事：放射性元素釋放出來的能量，來自於原子內部。當時，包括居里夫人在內的很多人都認為，放射性物質的能量是從外部吸收來的。所以，盧瑟福認為居里夫人對放射性還不夠了解。

如果原子內部能夠放出各種各樣的射線，這又指向了一件事情：原子還可以繼續往下拆。

那原子裏面到底有什麼呢？於是，盧瑟福開始用α粒子，對原子發動了轟擊。這就是著名的“金箔實驗”。

1908年，盧瑟福在助手蓋革的幫助下，一起用α粒子繼續轟擊金箔。他們發現，α粒子在透過金箔的時候，大部分粒子都是直直地穿過，而很少一部分粒子發生了偏移，盧瑟福稱之為散射，而還有極少數粒子，發生了非常大的偏移。

異常現象背後一定有原因，盧瑟福就把研究重點放在這些偏轉很大的粒子身上，他甚至讓助手去找，有沒有被反彈回來的α粒子。雖然盧瑟福本人沒抱什麼希望，可助手竟然真的發現了，有非常非常少的粒子，被直直地反彈回來了。

用盧瑟福自己的話來説，這就像你拿一門炮去轟一片紙巾，結果炮彈竟然被紙巾彈回來了。這些被彈回的粒子，就猶如一發炮彈，擊中了盧瑟福的想象力。

當時，盧瑟福已經知道了，α粒子是帶有正電荷的，如果發生了這麼大幅度的偏轉，一種可能是，它們受到了非常大大的電磁力作用。被彈回的粒子，應該是直直撞上了這個電荷集中的地方，這個地方就是原子核。

根據推算，原子核應該非常非常小，就像鳥巢體育館當中放了一個網球。

可是按照他老師湯姆森的葡萄乾布丁模型，原子裏的正電荷應該是均勻分佈的，不應該有哪個地方存在這麼集中的正電荷。難道老師之前説的一直是錯的？

盧瑟福是一個極其嚴謹的人，他並沒有急着公開自己的發現。他花了將近4年時間，確認了大量的數據，再確認萬無一失之後，在1911年，盧瑟福模型首次公佈了。

盧瑟福認為：原子不是堅不可摧的，原子中間是一個極小的帶正電的原子核，外面是繞着它高速旋轉的電子。

眼下，盧瑟福還有更重要的事情要做，他需要搞清楚原子核裏頭到底是什麼。

盧瑟福繼續用他鐘愛的α粒子轟擊其他原子。在轟擊氮原子的時候，盧瑟福發現了一個現象，α粒子和氮原子碰撞的時候，會出現氫原子核，也就是後來的質子。

能撞出氫原子核，這説明了一個問題，氫原子核可能是氮原子核的組成成分。而且，氫原子核的質量非常輕，其他原子核的質量都是它的整數倍，有沒有可能，氫原子核是所有原子核的組成成分？

如果是這樣，這又會是一個重大的發現。

1920年，盧瑟福公佈了他的發現：氫原子核是構成所有原子核的基本單元。他給這個基本單元起了一個名字，質子[1]。

但盧瑟福依然保持了自己的謹慎態度，在公佈這個發現之後，他到找另一位物理學家帕特里克·布萊克特利一起做更多的研究，驗證自己的猜想。

在觀察了23000張照片上的40多萬條軌跡之後，他們在其中找到了8條特殊的軌跡。再一次，從異常情況中，盧瑟福做出了重大發現，這8條軌跡能夠説明，氫原子核確實是構成其他元素原子核的成分（這8條軌跡表示，氮原子核α粒子碰撞後形成了極其不穩定的氟原子，之後，衰變成了一個氧原子核一個氫原子核）。

由此，原子核裏最重要的一種粒子被發現了。

小居里夫婦與中子擦肩而過

盧瑟福發現質子之後，跟他的助手查德威克又發現了一個神奇的現象。

氮原子的原子核重量是大致是氫原子核的14倍（大約跟14個質子重量相當），而電子只有7個，如果原子核裏只有質子，那氮原子應該帶電才對，這不太可能。於是，盧瑟福推測，原子核內應該還有一種不帶電的中性粒子，重量跟質子差不多。

這個中性粒子，就是中子。但到目前為止，這只是一個推測，盧瑟福並沒有直接證據證明中子存在。

最先發現這個證據的，是德國兩位科學家Walther Bothe和Herbert Becker。

1930年，他們用α粒子轟擊鋰、鈹、硼等元素，轟擊完之後，發現了一種奇怪的射線。這種射線能量很高，而且不帶電，他們認為，這應該是γ射線（一種電磁波輻射）[2]。

有些材料上説，最早發現中子證據的，是居里夫人的女兒和女婿，即小居里夫婦，但並不是。不過，小居里夫婦確實很快就投入到了對這種射線的研究中，他們利用這種輻射轟擊其他物質，得到了非常高能的質子[3]。

可惜的是，他們並沒有懷疑這種射線本身到底是不是γ射線。所以，他們確實和中子，以及一塊諾貝爾獎獎牌擦肩而過。

盧瑟福的助手查德威克倒是敏鋭的意識到了，這種射線根本就不是什麼γ射線，應該就是盧瑟福預言的中子。於是，查德威克趕緊重複了實驗，並且證明了，射線是由一種不帶電，而且質量和質子非常接近的小粒子構成，證實了中子的存在。因為這個發現，查德威克獲得了1935年的諾貝爾物理學獎。

順便提一句，另一位叫勞倫斯的科學家，也發現Walther Bothe和小居里夫婦的解釋有問題，同樣投入研究，但還是慢了查德威克一步，但勞倫斯後面在後面因為另一項研究，對人類開發核能做出了極其重大的貢獻，也拿回了屬於自己的諾貝爾獎。在後面我們還會提到他。

至此，人們不光發現原子核內的質子、中子，而且，也知道了通過改變原子核的組成，一種物質能夠轉變為另一種物質。

接下來，人們要開始將手伸進原子核內部了，摘取原子核內的能量果實。

參考文獻：

[1] Romer A (1997). “Proton or prouton? Rutherford and the depths of the atom”. American Journal of Physics. 65 (8): 707.

[2] Bothe, W.; Becker, H. (1930). “Künstliche Erregung von Kern-γ-Strahlen” [Artificial excitation of nuclear γ-radiation]. Zeitschrift für Physik. 66 (5–6): 289–306.

[3] Joliot-Curie, Irène & Joliot, Frédéric (1932). “mission de protons de grande vitesse par les substances hydrogénées sous l’influence des rayons γ très pénétrants” [Emission of high-speed protons by hydrogenated substances under the influence of very penetrating γ-rays]. Comptes Rendus. 194: 273.

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