茫茫太陽(yáng)系皆是小原子 小小原子內(nèi)卻有太陽(yáng)系

梁衡

上回說(shuō)到物理學(xué)家盧瑟福，卻收到了一張要他去領(lǐng)諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的通知。但是盧瑟福還是關(guān)心物理本身的問(wèn)題，領(lǐng)獎(jiǎng)回來(lái)之后便將助手們召集在一起說(shuō)：“過(guò)去我們只是捕捉到了放射性元素自己衰變時(shí)放出的粒子，除了這些粒子，到底原子內(nèi)還有什么東西就不得而知。還有那些不會(huì)天然放射的元素我們就更難知其家底。不入虎穴焉得虎子?，F(xiàn)在唯一的辦法就是要將原子砸碎，看看里面到底還有什么東西？”

盧瑟福天生一個(gè)帥才，他來(lái)曼徹斯特還沒(méi)有幾天，身邊早已聚集了蓋革、莫利斯、玻爾、查德威克、安德雷德等一批年輕人，他們來(lái)自德、英、法、丹麥等國(guó)，盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室簡(jiǎn)直是一個(gè)“科學(xué)國(guó)際”，而這些人以后也都成為一個(gè)個(gè)很有建樹的物理學(xué)家。當(dāng)時(shí)他們一聽盧瑟福的戰(zhàn)斗動(dòng)員令，就摩拳擦掌，立即開始一個(gè)新實(shí)驗(yàn)。

新實(shí)驗(yàn)是這樣設(shè)計(jì)的：要打碎原子就得找一種炮彈，當(dāng)時(shí)看來(lái)最理想的就是α粒子，它速度快，質(zhì)量重。原子結(jié)構(gòu)如果真的是湯姆生所說(shuō)的西瓜瓤型，α粒子就會(huì)順利地穿過(guò)松軟的瓜瓤而筆直地前進(jìn)。而這時(shí)蓋革已經(jīng)幫盧瑟福設(shè)計(jì)好了一個(gè)能計(jì)算出鐳放射出α粒子的儀器。這是以后所有向原子核進(jìn)攻的科學(xué)家都離不開的武器，它就以蓋革的名字命名，叫蓋革計(jì)數(shù)器?？可w革計(jì)數(shù)器他們已能準(zhǔn)確地算出在千分之一克鐳里，每秒鐘能發(fā)射出136000個(gè)α粒子?，F(xiàn)在他們準(zhǔn)備好了放射源，又以金箔為靶子，靶子一邊放兩個(gè)熒光屏，通過(guò)顯微鏡觀察穿過(guò)金箔的α粒子是否都落在屏上。

這是一種很費(fèi)力又很枯燥的工作，助手們常常坐一天也看不出什么情況。一天，盧瑟福推門走進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，湊到顯微鏡前看了一會(huì)兒熒光屏上那一點(diǎn)點(diǎn)的閃光。蓋革說(shuō)：“也許湯姆生的模型是對(duì)的，你看α粒子全都順利通過(guò)了。”

“果真是全部嗎？要多看，細(xì)看，實(shí)驗(yàn)要重復(fù)幾次、幾十次、上百次，只有重復(fù)才能發(fā)現(xiàn)偶然的現(xiàn)象，而必然的規(guī)律又常常寓于這偶然之中，居里夫人不是重復(fù)測(cè)試了幾乎能找到的所有元素，才找到有放射性的鐳嗎？”

盧瑟福說(shuō)著將熒光屏和顯微鏡從金箔后面移到側(cè)面，他吩咐蓋革多換幾個(gè)角度，多看一會(huì)兒。又過(guò)了一天，他正在辦公室里備課，蓋革急慌慌地跑進(jìn)來(lái)，拉著老師就往實(shí)驗(yàn)室里走。原來(lái)他發(fā)現(xiàn)了一個(gè)偶然的現(xiàn)象，就是雖然絕大部分α粒子都沿直線穿過(guò)了金箔，但是也有極少數(shù)的α粒子卻出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)，有的大于九十度，還有的甚至出現(xiàn)一百八十度的偏轉(zhuǎn)，竟直直地反彈回來(lái)。盧瑟福從此就鉆進(jìn)實(shí)驗(yàn)室里，一連幾天沒(méi)有出來(lái)。他對(duì)學(xué)生們說(shuō)：“我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)多么奇怪的現(xiàn)象，就好像是一群炮兵對(duì)著一張薄紙片開炮，而炮彈反而又被彈回炮筒里。雖然彈回來(lái)的極少，但這里面必定有一個(gè)我們還未發(fā)現(xiàn)的秘密?！彼麄兘?jīng)過(guò)大量的數(shù)據(jù)記錄分析，知道了射出去的每八千個(gè)α粒子就有一個(gè)被彈回來(lái)或者偏到一旁。

卻說(shuō)盧瑟福和他的學(xué)生們將反彈回來(lái)的α粒子仔細(xì)一數(shù)，立即悟出一個(gè)道理。α粒子帶正電，比電子大七千倍，電子沒(méi)有什么大的力氣使它偏轉(zhuǎn)。那么除帶電子外原子內(nèi)一定有一個(gè)集中了全部正電荷而且質(zhì)量很大的核。它對(duì)α粒子有一個(gè)很強(qiáng)的電荷排斥力，α粒子一碰到它就被一把推了回來(lái)。但是這個(gè)核很小，它在整個(gè)原子中的位置猶如太陽(yáng)在整個(gè)太陽(yáng)系里的位置，四周是大大的宇宙空間，難怪發(fā)射八千個(gè)粒子才有一個(gè)可能撞上它。于是盧瑟福立即抓過(guò)一支鉛筆在紙上隨手畫了一個(gè)圖說(shuō)：“你們看，我認(rèn)為原子模型可能不是湯姆生先生描繪的那個(gè)西瓜，倒是哥白尼描繪的太陽(yáng)系。原子的中心有一個(gè)帶正電、體積小、質(zhì)量大的核，核外空蕩蕩的天空里有一些質(zhì)量很小帶負(fù)電的電子在繞它運(yùn)動(dòng)。”

助手們聞聽此言一齊歡呼起來(lái)：“您是說(shuō)我們?cè)谛⌒〉脑觾?nèi)部又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)太陽(yáng)系？”

“是的，正像伽利略、牛頓發(fā)現(xiàn)天上地下一個(gè)樣，我們又發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)系和原子內(nèi)部一個(gè)樣。不過(guò)這微觀世界會(huì)另有一套規(guī)律，還需要我們仔細(xì)去摸索呢。”

1911年盧瑟福提出了原子的“太陽(yáng)系模型”，是科學(xué)史上的一項(xiàng)偉大成就。原子和原子核物理學(xué)從此發(fā)展起來(lái)。后來(lái)他的學(xué)生玻爾又把量子論引到原子結(jié)構(gòu)中來(lái)，使之更加完善，人們就把這個(gè)模型稱為盧瑟福-玻爾原子。這個(gè)模型成功地解釋了許多物理、化學(xué)現(xiàn)象，促進(jìn)了以后的原子能研究。我們現(xiàn)在已經(jīng)知道核的體積還不到原子體積的一萬(wàn)億分之一，但它卻占據(jù)整個(gè)原子質(zhì)量的百分之九十九點(diǎn)五以上。就是說(shuō)它本身的密度實(shí)在是大。如果設(shè)想一枚蠶豆全部以原子核組成，那么它的質(zhì)量就會(huì)達(dá)到一億噸！你絕不要想用手去拈得動(dòng)這粒豆子，因?yàn)橥ǔ＿\(yùn)輸一億噸的物資，就需要用能繞赤道一周的列車來(lái)裝呢。

再說(shuō)1919年第一次世界大戰(zhàn)剛結(jié)束不久，英國(guó)教育界正百?gòu)U待興。戰(zhàn)爭(zhēng)期間盧瑟福也被征入海軍，研究了幾年怎樣打潛艇。

之后，科學(xué)家們又都漸漸回到了自己的實(shí)驗(yàn)室，而湯姆生現(xiàn)在已是63歲的老人，還身兼三一學(xué)院的院長(zhǎng)，再領(lǐng)導(dǎo)卡文迪許這個(gè)處于物理世界最前沿的實(shí)驗(yàn)室已力不從心。他想起了自己的得意學(xué)生，便四次寫信誠(chéng)懇地請(qǐng)盧瑟福來(lái)接此重任。

1919年4月2日，盧瑟福正式到卡文迪許上任。這是他一生中的第三個(gè)階段，也是最后一個(gè)階段。他自任教授以后三易其地，但是由于他的刻苦、謙虛，每到一地都干出了驚人的成果，而且每到一地在他的周圍就立即團(tuán)結(jié)了一批有為的年輕人。這次他到卡文迪許一上任就宣布了一個(gè)新課題——研究原子核的構(gòu)成。在曼徹斯特時(shí)，他打碎了原子，現(xiàn)在他又要打碎原子核了。

在一間專用實(shí)驗(yàn)室里，窗簾拉得很嚴(yán)，屋角點(diǎn)著一盞光線微弱的煤氣燈。助手們已經(jīng)提前來(lái)到，他們必須先適應(yīng)一會(huì)兒屋內(nèi)暗淡的光線。對(duì)面是一架很簡(jiǎn)單的儀器，使α粒子穿過(guò)氮?dú)獯虻桨凶由希偻ㄟ^(guò)顯微鏡觀察熒光屏上的閃光點(diǎn)。走廊上響起盧瑟福咚咚的腳步聲，他連走路也像個(gè)結(jié)實(shí)的農(nóng)民。接著助手們聽見了他哼的小調(diào)“前進(jìn)，基督的士兵”。大家相視一笑，這是教授的習(xí)慣，每當(dāng)哼這支歌時(shí)實(shí)驗(yàn)就接近成功了，如果哼起“大干一場(chǎng)”，不用問(wèn)，是實(shí)驗(yàn)遇到了麻煩。門開了，背后響起盧瑟福洪亮又親切的聲音：“孩子們，準(zhǔn)備好了沒(méi)有？”

“準(zhǔn)備好了?！?/p>

“開始?！?/p>

大家各就各位，而盧瑟福坐在一邊喝茶，有時(shí)還講一個(gè)幽默的小故事?？ㄎ牡显S實(shí)驗(yàn)室有著最優(yōu)秀的人才，最嚴(yán)格的科學(xué)精神，卻有一種最和諧的氣氛。人們把這里稱為“科學(xué)天才的幼兒園”，研究生們都尊稱盧瑟福為“父親”，而盧瑟福也常常高興地喊他們“孩子們”。這群“孩子”來(lái)自世界上不同的地區(qū)，不同制度的國(guó)家，他們離開家尋找自己事業(yè)上的父親，都有一些曲折的經(jīng)歷。查德威克在曼徹斯特時(shí)期就曾追隨他，戰(zhàn)爭(zhēng)中曾被德軍俘虜，但是戰(zhàn)爭(zhēng)一結(jié)束便又回到他的身邊。從蘇聯(lián)來(lái)的青年彼·卡皮查，初登卡文迪許的門時(shí)，盧瑟福并不準(zhǔn)備收他，因?yàn)檫@里幾乎每天都有人想躋身其中，能當(dāng)盧瑟福的一名研究生是青年人的最高榮譽(yù)。卡皮查問(wèn)：“盧瑟福先生，我能來(lái)卡文迪許做一名研究生嗎？”

“對(duì)不起，我這里的名額已經(jīng)滿員。”

“實(shí)驗(yàn)室里的名額允許不允許有一點(diǎn)誤差??？”

“一般不得超過(guò)百分之十。”

“那就好辦，你們一共三十人，加我一個(gè)還在允許范圍之內(nèi)?！?/p>

盧瑟福笑了，他一看這就是個(gè)十分聰明的青年，便高興地說(shuō)：“好，收下你?！?/p>

盧瑟福對(duì)這些“孩子們”真是傾注了父親般的愛。戰(zhàn)爭(zhēng)期間，助手莫利斯上了前線，這是一個(gè)極有才華的青年，人們都推測(cè)他可能是第二代的盧瑟福。人才難得，盧瑟福通過(guò)有關(guān)方面采取措施要調(diào)他回來(lái)。但是調(diào)令還未發(fā)出，一顆子彈已打中了他的頭顱，他死時(shí)才27歲。盧瑟福大哭一場(chǎng)，痛呼這是英國(guó)在戰(zhàn)爭(zhēng)中最大的損失。蘇聯(lián)青年卡皮查在他的精心培養(yǎng)下已經(jīng)成為一名有成就的物理學(xué)家，但是1934年當(dāng)卡皮查回蘇聯(lián)開會(huì)時(shí)卻被扣留下來(lái)，再不許返回。盧瑟福立即寫信向蘇聯(lián)政府交涉，還是沒(méi)有結(jié)果。他嘆息道：“卡皮查的研究剛剛起步，他離開這里的實(shí)驗(yàn)室將一事無(wú)成。既然他們不讓人回來(lái)，我就將儀器送去吧。”他真的派了一個(gè)代表團(tuán)將卡皮查工作急需的儀器送到了莫斯科。平時(shí)，每星期五下午盧瑟福都要讓妻子準(zhǔn)備一個(gè)茶會(huì)，來(lái)招待他的學(xué)生。大家邊喝茶，邊討論問(wèn)題，許多新思想，新的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方案就在這時(shí)誕生。助手們后來(lái)回憶說(shuō)：“他傾聽一個(gè)學(xué)生發(fā)言時(shí)，就好像在恭聽一個(gè)公認(rèn)的科學(xué)權(quán)威的意見?！边@樣一個(gè)嚴(yán)格而又民主的科研集體，怎能不成果累累呢？閑話少敘，我們看現(xiàn)在盧瑟福和他的這群“孩子們”又創(chuàng)造出了什么奇跡。

盧瑟福小心地把熒光屏調(diào)離發(fā)射源，相距已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)40厘米，可是熒光屏上仍可看到閃光點(diǎn)。這還是α粒子嗎？不可能，α粒子射程極短，根本達(dá)不到玻璃管的這一端?？磥?lái)這是在α粒子沖撞下氮原子的碎片。他們一測(cè)，果然這時(shí)的氮已經(jīng)轉(zhuǎn)變成另一種元素——氧，并放出了一個(gè)質(zhì)子（氫核）。這樣，盧瑟福就以人為的方法在世界上第一次分裂了原子。1926年他和查德威克用α粒子成功地轟擊了鎂和鋁等輕金屬原子。接著在他的指導(dǎo)下瓦耳頓和科克拉夫特又制成了一架巨型的原子搗碎機(jī)。這架機(jī)器就以盧瑟福的一本書的名字《當(dāng)代煉金士》來(lái)命名。這架機(jī)器能使原子量為7的鋰被氫所滲透，最后形成一個(gè)原子量為8的不穩(wěn)定原子。它很快又分裂成兩個(gè)原子量各為4的氦原子。

這件事情一傳出來(lái)，報(bào)界又是一場(chǎng)大轟動(dòng)。許多報(bào)紙都以特大標(biāo)題報(bào)道：“原子分裂了”、“現(xiàn)代煉金術(shù)出現(xiàn)了”。正像當(dāng)年X射線一發(fā)現(xiàn)就有投機(jī)商推銷防X射線的衣服一樣，社會(huì)上一些角落里不知怎么一下冒出那么多騙子，他們到處宣傳自己已經(jīng)能用普通的鋼鐵制造金子。而一些神經(jīng)質(zhì)的老婦人不斷寫信到報(bào)社，詢問(wèn)世界末日是否真的就要來(lái)到。達(dá)爾文的進(jìn)化論推翻了上帝造的物種，而盧瑟福的原子理論將上帝造物用的最小零件都打得粉碎。難怪那些唯心論的遺老們這樣害怕，而那些投機(jī)商們則乘機(jī)大肆行騙、撈錢。以每一次科學(xué)發(fā)現(xiàn)為觸媒，社會(huì)總要掀起一場(chǎng)不大不小的騷動(dòng)。

現(xiàn)在連科學(xué)圣地卡文迪許實(shí)驗(yàn)室也不得安靜了，關(guān)于煉金方面的報(bào)告不斷送來(lái)，許多自命不凡的發(fā)明家常常上門自薦，一些商人也來(lái)打聽有無(wú)合作的可能。為此盧瑟福只好出面舉行一次記者招待會(huì)。

“請(qǐng)問(wèn)，您關(guān)于原子分裂的研究會(huì)不會(huì)使賤金屬變成黃金？”

“我們對(duì)自己從事的科學(xué)工作的商業(yè)利益毫無(wú)興趣，所以從未考慮過(guò)什么煉金發(fā)財(cái)，我們的目的只在于探索元素之間相互轉(zhuǎn)變的可能，只在于擴(kuò)大知識(shí)領(lǐng)域。”

“現(xiàn)在常有人聲明他們已能煉金，您怎么看這樣的事？”

“把一種金屬變成另一種金屬，并不是不可能的。不過(guò)，至少在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，要使之商品化是不可能的?！?/p>

“關(guān)于原子的研究會(huì)給將來(lái)帶來(lái)什么影響？”

“這個(gè)問(wèn)題我很難回答。我們卡文迪許的人一向注意挖掘自然界里真正牢靠的事實(shí)，決不靠一些數(shù)字和符號(hào)來(lái)編織什么理論。隨著時(shí)間的推移，原子內(nèi)部的秘密一定會(huì)更多地被挖掘出來(lái)，可以肯定，到那時(shí)：一是那些煉金的騙子們絕不敢再這樣騙人；二是世界將因新技術(shù)的使用而更文明?！?/p>

“過(guò)去的許多理論已不能解釋現(xiàn)在的現(xiàn)象，物理學(xué)是不是正處在危機(jī)時(shí)期？”

“相反，我認(rèn)為近三十年來(lái)倒是物理學(xué)史上無(wú)與倫比的，最活躍的時(shí)期，足可以和當(dāng)年達(dá)爾文在生物學(xué)方面的開拓相媲美?！?/p>

（摘自《數(shù)理化通俗演義》 同心出版社 圖/黃煜博）

本欄編輯：姜煒