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揭开原子结构秘密

1871年8月30 日,恩内斯特·卢瑟福出生在新西兰的纳尔逊市附近的一个小村子里.父亲是个小农场主,是英国移民的后裔,家里有12 个孩子.父母亲省吃俭用送他上学,由于卢瑟福学习刻苦,成绩优秀,总是名列前茅,因此他一直获得了奖学金.1892年他从新西兰大学毕业.这段艰苦求学的经历培养了卢瑟福一种认准了目标就百折不挠勇往直前的精神!

由于他对磁学方面出色的研究,得到一笔奖金,这才使他于1895年秋天能前往英国,在剑桥大学卡文迪许实验室任主任、著名的物理学家约瑟夫·约翰·汤姆生教授门下当一名研究生.汤姆生非常欣赏卢瑟福的才能,1898年加拿大麦克吉尔大学物理学教授空缺,学校派专人前往英国物理学人才很集中的卡文迪许实验室来聘请教授.汤姆生虽然不愿放走崭露头角的卢瑟福,但他还是向加拿大方面热情地推荐了自己的得力助手.汤姆生在推荐信中写道: “在独创性的科学研究中,我从未见过有比卢瑟福先生更加热情和干炼有为的学生.我认为,不论哪所大学若请到卢瑟福先生去担任物理学教授,将是十分幸运的.”就这样,27 岁的卢瑟福前往加拿大担任物理学教授,他在麦克吉尔大学工作了9年,把原来无足轻重的物理系建成了驰名世界的物理实验室,在他精心的指导下,一群学生各自探索科学中的许多领域,发表了具有世界水平的论文达50 多篇。

在加拿大工作期间,卢瑟福研究了天然放射性现象,并取得了巨大成就.1899年,他发现铀放射出来的射线是多种多样的.他让这些射线垂直于磁感应强度的方向通过磁场,根据射线被磁场偏折的程度,他判断出有一种射线是带正电荷的,另一种射线是带负电荷的,第三种射线根本不带电.卢瑟福用希腊文的头三个字母给这三种射线命名,分别称为α射线、β射线和γ射线.后来,他进一步研究提出,带正电的α射线就是氦原子核,带负电的β射线就是高速电子流。

在麦克吉尔大学工作期间,卢瑟福还发现了新的放射性元素钍.1902年,他发现放射性元素在放出射线以后,其放射性强度会逐渐减弱,很后变成另一种元素.在实验的基础上,他提出了放射性元素的衰变理论.因此,在1908年,卢瑟福获得了诺贝尔化学奖.他对自己不是获得物理奖而是获得化学奖而感到意外,他在得奖演说中风趣地说: “我竟摇身一变,变成一位化学家了.”并幽默地说: “我现在从一个物理学家向一个化学家的变化是我到目前为止所见到的很快的变化.”

1907年,卢瑟福回到英国,应聘担任了曼彻斯特大学的物理学教授.他以赶超剑桥大学卡文迪许实验室为自己的奋斗目标,以充沛的精力和惊动全世界的科学成就,使曼彻斯特大学第一次成为全世界的科学中心之一。

在曼彻斯特大学工作期间,卢瑟福很大的科学成就之一是提出了原子的核式结构学说.事情是这样的,汤姆生发现电子的事实,使人们打破了原子是不可分割的物质很小单位的概念.既然电子是从原子里出来的,那么除电子之外,原子里还有什么东西呢? 电子在原子里又是怎样分布的呢? 为了说明原子的结构,汤姆生提出了一个原子模型.他认为,既然原子从整体上看是中性的,而电子是带负电荷的,所以原子里必定有等量的正电荷存在.为了说明原子的稳定性,他假设电子均匀地分布在原子内的正电荷中,并在平衡位置附近振动.人们俗称汤姆生的原子模型为“葡萄干蛋糕模型”.当时,许多人认为汤姆生的模型已经成功地解决了原子结构的问题.而卢瑟福则认为,要了解原子里面有什么东西,很好是用“炮弹”打到原子里面去试探一下.他所选用的“炮弹”就是α粒子.1909年,卢瑟福的助手盖革和马斯顿进行了著名的“α粒子散射实验”.他们用α粒子去轰击很薄的金箔做的靶子,并通过荧光屏记数来观测穿过金箔的α粒子被金原子散射的情况.实验表明,绝大多数α粒子笔直地穿过金箔,有少数α粒子发生了偏折,只有极少数α粒子发生了大角度的偏折,甚至被反弹回来.如果根据汤姆生的模型来计算,根本不可能出现向后反弹的α粒子.事后卢瑟福回忆道: “在我的一生中,那是一件很难以置信的事.这就像你发射了一颗38 厘米口径的炮弹射向一张薄薄的卫生纸时,却被那张纸弹回来而打在你身上一样不可置信.”但是,实验事实是毋容置疑的.始终把实验看得高于一切的卢瑟福认为,汤姆生的模型与实验事实不相符.于是,在1911年,他提出了“小太阳系”的原子模型: “原子的中心有一个核心,叫做原子核.电子围绕原子核在不停地旋转,原子质量的绝大部分以及原子内的全部正电荷都集中在原子核上.”卢瑟福根据“α粒子散射实验”发现了原子核,这件事具有重大科学意义.他因为开创了原子核物理学这一新领域,被人们尊称为原子核物理学之父。

1919年,汤姆生因身兼两职而辞去了剑桥大学卡文迪许实验室主任职务,让贤推荐卢瑟福担任这个现代物理研究中心的主任职务.就在这一年,他用α粒子轰击氮的原子核,成功地实现了原子核的人工转变,并发现了质子。

从1925年到1930年,卢瑟福担任了伦敦皇家学会主席.1931年,由于他在科学发展上所建立的功绩,受封骑士称号,并享有纳尔逊勋爵的爵位.他于1937年10月19 日卒于剑桥,并葬于牛顿和法拉第的墓地之侧。

卢瑟福不仅在科学研究方面取得了巨大的成就,而且在培养人才方面也作出了卓越的贡献.他培养的科研集体被人们亲切地称为“科学家的幼儿园”.在这个幼儿园里,他培养了两代世界上第一流的物理学家.在他的助手和学生中有14 人获得了诺贝尔奖,其中玻尔、威尔逊、里查逊、查德威克、阿普顿、布莱克特、鲍威尔、卡皮查、科克罗夫特和瓦尔顿共10 人获得诺贝尔物理学奖;索迪、阿斯顿、亥维赛和哈恩共4 人获得诺贝尔化学奖.这在科学发展史上和教育学史上是空前的,一个人能培养出这么多的世界科学冠军,使全世界的人们都感到惊讶和敬佩! 那么,卢瑟福是怎样培养和教育学生的呢? 下面就请看一看卢瑟福培养人才的故事。

1919年4月2 日,卢瑟福担任了剑桥大学卡文迪许实验室主任的职务.当时,他已经是一个赫赫有名的科学家了,但他仍然是那样和蔼可亲、平易近人.晚上,学生们常常到他家去,听他夫人弹钢琴,或听他活泼愉快的谈话.他坐在圆椅上,一边喝茶,一边给学生们讲自己的在科研活动中的经验教训,启发学生独立思考,鼓励学生走自己的道路。

一天深夜,卢瑟福看到实验室里灯火通明,就信步走了进去.一个学生正俯身在实验台上干着什么.他走上前去,问道: “这么晚了,你还在做什么? ”

“我在工作.”学生回答。

“那你白天做什么? ”

“我也在工作.”

“你早晨也工作吗? ”

“是的,教授.”学生谦恭地回答,满以为会得到教授的表扬.然而,教授沉吟了一下,批评道: “可是,这么一来,你还有时间去思考吗? ”学生心里感到很委屈。

后来,这个学生通过仔细观察发现,每天傍晚,不管实验工作进行得顺利还是不顺利,卢瑟福总是在走廊里散步,那种神情表明他正在思考。

他经常对学生说: “不要死记硬背,也不要满足于实验,而要学会思考.只有勤于和善于思考的人,才能获得知识,取得成就.”

1911年,卢瑟福提出原子的核式结构学说,像一把金钥匙打开了原子秘宫的大门.第二年,丹麦青年物理学家玻尔来到英国学习.在卢瑟福的指导下,玻尔如饥似渴地汲取着新知识,通过学习和研究,他发现卢瑟福的“小太阳系”的原子模型还有缺陷.可是,玻尔不敢向卢瑟福提出自己的见解,怕老师生气。

时间过了半年多,玻尔通过观察,看到老师平常很乐意听取学生的不同意见,对青年科学家的意见和对老一辈科学家的意见同样的尊重.玻尔打消了顾虑,认真地把自己的意见进行了整理,准备向老师提出来。

有一天,卢瑟福正在做实验,玻尔找到了他,直截了当地说: “教授,我想跟您谈谈.对您的原子模型,我有不同看法.”

“什么? ”卢瑟福既像恼又像喜的反映,使得玻尔不敢说下去.教授放下手中的实验,急切地等待玻尔说下去,看着玻尔吱吱吾吾的样子,就笑着说: “这几天我预感到会有人向我"开炮",小伙子,说吧! ”

玻尔听了老师热情鼓励的话语,惶惶然的心情才平静下来,他把自己的见解一古脑儿地全部说了出来: “我认为电子可能处在原子核外几种稳定的轨道当中,每种轨道相当于一定的能级.当电子运动状态发生变化时,它从一个轨道跳跃到另一个轨道,这个能级的变化就表现为辐射或吸收一定能量的光……”

卢瑟福听完玻尔的意见,他耸了耸肩膀,高兴地说: “你对原子结构模型作了重大发展,立了一功.”接着,他热情地指导玻尔进行深入的研究,并嘱咐玻尔赶快把研究成果写成论文交给他。

1913年,玻尔回到祖国丹麦,担任哥本哈根大学物理学教授.三月,他把论文寄给卢瑟福,经过多次修改,经卢瑟福推荐,玻尔的论文在《哲学杂志》上发表了.玻尔的这一研究成果,震动了学术界.人们把这种原子模型称为“卢瑟福——玻尔模型”.玻尔因此于1922年获得诺贝尔物理学奖。

1931年9月,玻尔已经是哥本哈根大学理论物理研究所所长,他邀请老师卢瑟福到丹麦讲学.在丹麦科学家欢迎卢瑟福的晚宴上,玻尔致了热情洋溢的欢迎词,他说: “卢瑟福教授无视一切清规戒律,没有媚上欺下的势力眼.他很乐于关心年轻学生,他倾听年轻学生的意见,就像倾听一个公认的科学权威意见一样.”

1933年,英国皇家学会的一个新实验室——蒙德实验室落成了,物理学家卡皮查请来英国艺术家,让他雕塑三个像: 一个是出资兴建实验室的蒙德先生的像,另一个是卢瑟福的像,还有一个是一条鳄鱼的像。

有人好奇地问: “为什么要雕一条鳄鱼的像呢? ”

卡皮查解释说: “鳄鱼象征着科学.鳄鱼是一种从不向后看的动物,像科学一样,它张开吞食一切的大口,不断前进.”接着补充道: “鳄鱼代表一家之父,极为关心后代……”他请艺术家雕塑鳄鱼的像,是为了充分体现卢瑟福在科学研究上勇往直前的坚强性格和呕心沥血关心后辈的精神。

1937年10月17 日,卢瑟福逝世的噩耗传到丹麦,玻尔悲痛欲绝地说: “欧内斯特·卢瑟福对我来说,几乎是我的第二个父亲.”为了纪念这位伟大的老师,玻尔给自己很小的儿子起名为“欧内斯特”。
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