卢瑟福--α射线和β射线
卢瑟福：α射线和β射线
剑桥大学的一个委员会在1869年4月27日提交的一份报告中建议道：“应当在学校里建立一种可称之为实验物理教授的职位„„实验物理教授的主要任务是传授和演示热力学、电学和磁学定律。”1871年3月8日，麦克斯韦被选为第一任实验物理教授，这就是日后广为人知的卡文迪什教授。1871年10月25日，即卢瑟福出生还不到两个月时，麦克斯韦发表了他的就职演说。“有一种观点似乎已经广为人知”，麦克斯韦优美流畅地说道，“所有重要的物理常数都将在几年之内被估算出来。到那时留给科学工作者的唯一任务就是对这些常数进行测定，将其测定结果精确地从一个小数位提高到另一个小数位„„但我们无权认为创造的宝库已经枯竭，也无权认为不断涌现新思想的富沃之地不能再开垦”。他鼓励他的听众要献身于他们的事业：“一个将精力集中在他的工作上的人，总比工作与工作目的无直接关系的人更能取得进步。” 麦克斯韦还成为了卡文迪什实验室的第一任负责人，这个实验室是在麦克斯韦的监督下花费了8450英镑，于1874年6月16日正式移交给剑桥大学的。这件事在《自然》杂志的头版作了报导：“具有科研天赋的麦克斯韦教授将把这个实验室对剑桥大学所有进行研究的学生们开放。如果没有弄错的话，不久他就会使这个实验室在英国科学界变得非常引人注目。”实验室陈列的仪器包括：一个电动机、一个象限静电计、三个反射电流计、一台玻璃壳电学仪器和一台硬橡胶壳电学仪器。”
1879年麦克斯韦不幸过早去世以后，瑞利勋爵接替他成为第二任卡文迪什实验室的负责人，1884年J．J．汤姆逊又接替了瑞利。J．J．汤姆逊任实验室负责人的时期正是下面我们要讨论的时期。
那时，J．J．汤姆逊埋头于气体导电问题的研究。他已经初步形成了X射线感应导电机理的观点：“在射线穿过物质的地方„„似乎伴随着这种物质的分子的分裂，从而使电能通过这种物质，这个过程与电流穿过电解质的过程很相似„„（我们或许可以）认为这种电的传导过程和电解质导电一样，气体被他琴射线电离了。”然而在理论和实验上还有许多工作要做，以便将这个观点建立在一个更加定量的基础上。正是在这一阶段，他求助于半年之前就来到卡文迪什实验室工作的卢瑟福，邀请他对这些难题进行研究。他们的合作开始于1896年复活节。
卢瑟福出生于新西兰南岛上的纳尔逊城附近的一个农场里。他在新西兰接受了早期教育。1893年他获得基督城的坎特伯里学院 的硕士学位。在那里他受到赫兹根据麦克斯韦理论于1888年发现的电磁波的鼓舞，开始从事科学研究。他致力于研制一种电磁装置，并成功地使这种装置探测到电磁波。他的头两篇论文分别于1894年和 1895年发表于《新西兰科学学报》（Transactions of the New Zealand Institue）上。 1895年，他获得1851年博览会赠给新西兰政府的一笔优胜奖金。之后，他便带着他的探测装置到了卡文迪什实验室。到达剑桥大学后，他继续从事无线电波的探测研究，并且不久以后就能够从1公里远的距离收到信号。正是由于这项研究，他立刻给人留下深刻印象，那时有一位年轻的剑桥学生这样描述他：“从安提玻斯（Αntipodes）来了一只兔子，他在挖很深的洞。”
卢瑟福到达卡文迪什实验室的时间真是再幸运不过了：刚好在伦琴射线发现之前的一个月，而这时该大学的一项管理制度刚刚生效，根据这个制度其他大学的毕业生可作为研究生被剑桥大学接纳。这是一个新规定，卢瑟福是这些学生中的第一人。
1896年，汤姆逊和卢瑟福共同对X射线使气体电离进行研究，后来汤姆逊说：“为了测量和这个主题有关的各种各样的基本的（物理或化学）量，卢瑟福设计了非常巧妙的方法，并获得了非常珍贵的结果，这些结果有助于丰富这一主题的实质内容。而在此之前它只是描述性的。”这项有关电离和再复合的工作成为一项经典的工作，因此后来卢瑟福被吸引到贝克勒尔射线的研究上来并不奇怪。他第一次提到“铀射线”的电离特性是在他于1898年2月完成的一篇论文中。
卢瑟福关于这个主题（即贝克勒尔射线——译注）的早期研究是在卡文迪什实验室进行的，但其研究成果是在1898年9月去了加拿大后才发表。这时他被聘为位于蒙特利尔的麦克吉尔大学的教授，有500英镑的年薪。本来他并不想离开剑桥，但他自从离开新西兰时就有结婚的打算，因此，希望有更好的收人。到了麦克吉尔后，他给未婚妻写信说；“他们期望我做更多的创造性工作，并创立一个研究所，让美国伦不再神气。”1900年他回新西兰结了婚。1901年，这对夫妇唯一的孩子玛丽（Eileen Mαry）出生了；她后来嫁给了物理学家否勒（R．Fowler）。玛丽后来的早逝对卢瑟福是一个沉重的打击，也使他和他所深爱
的4个外孙的关系更加亲密。
现在我们把注意力转向卢瑟福关于贝克勒尔射线的第一篇论文，它标志着他一生的研究工作的真正开始。论文中他证实了三个重要事实：
α）贝克勒尔曾经深信其存在的折射和偏振实际并不存在（有一些散射、反射，但证明是较次要的效应）。不久之后，贝克勒尔也赞成这条结论。”
b）气体放电（的过程）是由于有带电离子形成。
C）贝克勒尔射线不只一种。他的吸收实验表明：铀辐射是复杂的，目前至少有两种不同类型的辐射：一种是易被吸收的，可以简单地称之为α辐射；另一种更具穿透性，称之为β辐射。
根据α射线和β射线的吸收特性，现在我们知道了当初在贝克勒尔实验中黑色封皮太厚，以致于将所有的α射线都吸收掉，这样，贝克勒尔原来看到的只是卢射线的效应，而产生这些在射线的不是铀，而多半是它的第一个裂变产物针一234。
牢固地建立起下面的概念花了十年时间，即α射线是由4倍于氢原子重量，且带有两个单位正电荷的粒子所构成，即由两次氦电离而形成。要知道人类直到1895年才弄清楚地球上存在氦元素。那是在α射线发现前不久，拉姆西（Sir W．Rαmsαy）惊讶地发现，氦存在于含铀的矿物中。“当 Sir W．拉姆西和索迪检测到镭释放出的气体，并且发现氦是镭转变中的一种产物时，有关氦的物理和化学特性的测试„„才完成了。”因为氦存在于几种含铀和针的矿物中，所以α射线和氦之间的某些联系看起来是合理的，但还不能就此确定。
有一段时间人们认为α射线是中性的，因为它们在电磁场中看上去不发生弯曲，但卢瑟福于1903年最终发现，α射线在强磁场中发生弯曲并带有一个正电荷。他随后对由针发出的α粒子和镭发出的α粒子的e/m是否相同产生了疑问。“在这一关键问题上需要进一步的实验证据”，卢瑟福在1905年这样评论道。还有人提出，也许α粒子开始是中性的，但在后来的碰撞中“因为抛出了电子”而获得一个正电荷。“不久人们就明白了e/m是唯一的，并在 1905年明确地确定α粒子是“在从镭原子中分裂出的那一刻获得电荷的”。
确定α粒子的实际带电量仍花费了很长时间。1905年的情况如下：“假设α粒子所带电荷和氢原子所带电荷相同，则α粒子的质量大约就是氢原子质量的两倍。”这个假设接近正确的e/m。
卢瑟福一直致力于α射线的研究。我将绕开他的各种各样的试验，直接转到“α粒子的本质”上来。这个结论是在他与盖革（ n．Geiger）于1908年联合发表的一篇论文中提到的：“从一般的观点看，一个氢原子（即一个质子）所携带的电量是电学的基本单位„„这个证据有力地支持了这样一种观点：α粒子所带的电量等于2e。”经过将近十年的实验，卢瑟福终于说明了α粒子到底是什么：“我们可以下这样的结论：一个α粒子就是一个氦原子，或者更精确地说，失去正电荷的α粒子就是一个氦原子。”在和罗伊兹（T．Royds）于1908年11月合作完成的一篇论文中，他进一步强调说：“我们能够明确地得出结论„„α粒子是一个氦原子。”他们已经证实，当放电穿过装有镭辐射出的α粒子的容器时，出现了典型的氦光谱。
－ 在前面提到的卢瑟福一盖革论文里，发现α粒子电荷值为2e，即 是 9．3 ×1010esu，因此e＝4．65
－－×1010esu，这是相当精确的结果（现在e＝4．803×1010esu）。伊夫（Α．S．Eve）记录了他和卢瑟福就这个结论的一次重要的讨论：“他（指卢瑟福）所发现的单位电荷值是非常令人惊讶的，因为它比早期有关α粒子电量试验中获得的有意义的数据提高了36％。当我坚持卢瑟福的结果肯定是错误时，他指出8年前普朗克就得出了和他相似的数据。的确，不可思议的普朗克早在研究发热物体的辐射分布结果时„„就获得了这个非凡的电荷值！”“我从其他地方了解到“，普朗克从他的辐射定律出发，最终在1901年得到e
－＝4．69×1010esu（可参见第4章）。爱因斯坦在提到卢瑟福一盖革结果时，曾经称这个结果是普朗克所得
e值的“杰出证明”。
“α粒子是„„卢瑟福的宠物„„并且他使它们发挥了多么大的作用！”他的一个同辈人后来这样回忆道。下面我们要转向其他研究项目了。
关于在射线本质的讨论将留到下一章。在此我简短地总结一下γ幅射，以此结束本章。1900年维拉尔（P．Villαrd）在巴黎师范学校化学实验室工作。他用照相法观察到；镭是“使辐射具有穿透性”的源泉。这个结果很快被贝克勒尔所证实。维拉尔发现了γ幅射，并立即发现这些射线不会被磁场弯曲。两年后，
卢瑟福猜测γ射线或许是一种硬的β射线。这个观点随着帕邢（F．Pαschen）在超强磁场中对它们运动行为的研究，变得越来越站不住脚了。帕邢的结论是：如果这些粒子带有电荷，那么它们的质量至少应是氢原子的45倍以上。γ射线和X射线相似的证据在不断地增多，但直到1912年卢瑟福仍谨慎地写道：“到目前为止还没有明确的证据使人相信：X射线和γ射线是两种根本不同的辐射。”在首次观测到7射线以 后的第14年，当卢瑟福和安得雷得（E．Αndrαde）观察到从晶体表面反射的γ射线时，这一争论才最终得以解决。
卢瑟福一直都和他母亲保持着亲密关系（她在1935年去世时已92岁高龄，只比卢瑟福早去世两年）。1902年卢瑟福写信给他母亲时说：“我必须不断努力，因为在我所从事的领域中总有许多人在研究探索，我必须尽可能迅速地发表目前的研究成果。这一领域中最优秀的研究人员是巴黎的贝克勒尔和居里夫妇。在最近几年中他们已经就放射性这一课题做了大量而且重要的工作。”
我们在本章和前一章里已经看到，这4位优秀科研人员怎样为放射性研究打下了基础。贝克勒尔发现了从铀中释放出的一种新射线；居里夫妇在钦中发现了相似的效应，分离出了针元素和镭元素，更概括地说，他们开创了一个新领域——放射化学，而且认识到放射性是一种原子特性；卢瑟福是第一个通过区分α射线和β射线来观察新射线结构的人。
上面所谈到的研究工作，是其他3个人的主要研究成果，但对于卢瑟福，却只是他大量发现中的一小部分。在以后各章中，其他3人只会偶而论及，而卢瑟福却会一再出现，直到1909年。
卢瑟福在麦克吉尔大学中的重要角色已有几位作者详细地讨论过了。他对牡放射线的发现，导致他得到了半衰期这一新的重要概念（参见第6章）。1902年以前有关放射性元素的数据资料足以使他和索迪推导出辐射过程转换理论的公式。1903年，他被选进皇家学会（从1925年到1930年他是该协会的主席），1905年获得Rumford奖章。耶鲁、哥伦比亚和斯坦福大学先后都想聘他为教授，但都被拒绝了。他想返回英国。“我很高兴将在紧靠科学中心的地方工作，而我总是感觉美国和加拿大只是这个中心的外围地带”。”1907年秋季，他接受了新的任命：曼彻斯特大学教授和物理实验室的负责人。
1908年，卢瑟福被授予诺贝尔化学奖，“以表彰他对放射性元素的蜕变，以及放射性化学所做的研究”。他的推荐人这样评价他的工作：“在某种程度上可以说，这种研究过程将我们再次带回了由古代炼金术士提出并坚持的转换理论上了。”当选择“从放射性物质中辐射出的α粒子的化学本质”作为他正式的诺贝尔演讲题目时，物理 学家卢瑟福作了明显的让步。在诺贝尔宴会后的演讲上，他说：“我研究过许多不同周期的不同转变，但是我遇到的最快的转变是我自己：从一个物理学家一下子就转变为一个化学家。”这些庆祝活动的一个亲历者后来说：卢瑟福那天看上去令人不可思议的年轻。
据说公众对这项耀眼的国际奖项的关注，对领奖者的创造性所造成的损害远大于对他们的鼓励。这种说法在某种程度上说是正确的。但另一方面，它并不能阻止费舍（E．H．Fischer）、瓦尔堡（O．H．Wαrburg）和欧立希（P．Ehrlich）这些人在获奖后仍然作出重要的贡献。但没有一个人能和卢瑟福相比。他在1908年以后获得的成就才真正使他达到事业的顶峰，其中最引人注目的发现就是原子核。
这一点我们将在第9章中讨论。