8月30日—發現原子核的人

1897年,湯姆森(J. J. Thomson)發現電子,揭開原子內部的第一層薄紗,但他誤以為原子構造就像是鑲嵌著梅乾的布丁,電子平均散佈在帶正電的均勻物質中。結果推翻這個原子模型的人,恰恰就是他的學生,而且不像當時的重要科學家都是生長於歐美,這位學生竟是來自於世界的邊陲。

移民之子

拉塞福(Ernest Rutherford)於1871年8月30日出生於紐西蘭南島的明水鎮(Brightwater),父母是來自蘇格蘭的移民。他們搬了好幾次家,但都在附近的城鎮,因此拉塞福從小一直在小鎮讀書,直到1890年才到紐西蘭當時的第四大城——基督城,就讀坎特伯利大學(Canterbury College)。

紐西蘭的學術水準與歐洲有不小差距,又因交通阻隔,交流不易,讓熱愛科學的拉塞福十分焦慮。所幸他大學畢業那年,英國皇室首度提供獎助金,讓殖民地的學生回母國深造,拉塞福憑著自己設計的無線電檢波器入選,於1895年前往劍橋大學的卡文迪許實驗室(Cavendish Laboratory),進行為期三年的研究。

拉塞福攝於1892年, 當時21歲。圖片來源:Wikipedia

卡文迪許實驗室過去收的學生都是劍橋畢業,拉塞福是第一位非嫡系出身,又是來自偏遠的海外殖民地,便成為大家眼中的土包子,總是受到排擠。第二年,馬可尼來英國展示無線電報系統,拉塞福原本引以為傲的檢波器,相較之下簡直有如玩具,他只好黯然放棄,另尋研究題目。

放射性

在實驗室主任湯姆森的鼓勵下,拉塞福選擇了才剛發現的放射性。1896年3月初,法國物理學家貝克勒(Henri Becquerel)為了試驗燐光礦物是否也會產生X射線,意外發現鈾鹽竟讓未拆封的底片曝光,首度揭露放射性的存在。與貝克勒同在巴黎的居禮夫婦試圖找出放射性的來源,湯姆森則建議拉塞福研究放射性的本質是什麼。

貝克勒1896年3月初無意發現鈾鹽竟讓未拆封的底片曝光。圖片來源:Wikipedia

1897年,湯姆森對陰極射線施加電場與磁場,從其軌跡發現了電子,拉塞福受此啟發,決定用類似的方法來分析放射線的性質。不過他所拿的三年獎助金就要在1898年到期,剛好加拿大的麥吉爾大學(McGill University)正在物色物理系主任,在湯姆森的大力推薦下,才27歲的拉塞福竟雀屏中選。

拉塞福欣喜之餘也感到擔憂,他好不容易從紐西蘭來到英國,如今又要踏上另一個偏遠的殖民地,無法及時獲得最新資訊,又難以和科學社群密切交流(當時尚無越洋電報),深怕會落後同儕。

拉塞福一到加拿大,便加緊延續放射性的研究。他將鈾鹽置於正負電極之間,確認鈾鹽的放射線造成空氣游離,產生電流後,將一張約5微米的鋁箔蓋住鈾鹽,電流隨即下降。他再加一張鋁箔,電流又降更多,但超過四張之後,電流即不再往下降,一直到12張鋁箔紙都維持在一個固定的值。

這代表鈾鹽的放射線至少有兩種,一種很容易被擋下來,另一種卻能輕易穿透很多張鋁箔紙;拉塞福把前者稱為α射線,後者稱為β射線,於1899年發表論文。

拉塞福1899年發表的實驗數據,縱軸為電流,橫軸是覆蓋鈾的鋁箔厚度。圖片來源:Wikipedia

拉塞福雖然率先揭開放射性的一層面紗,不過貝克勒緊接著在1900年確認β射線就是電子,而在1898年發現釙和鐳兩種新元素的居禮夫婦,更是不斷有新的發現,他們兩人到1902年就發表了32篇放射性方面的論文。這讓身處邊陲的拉塞福更感焦慮,只能加倍努力。

他們會把我們當成煉金術士砍頭的

1901年的某一天,他的研究助理索迪(Frederick Soddy)發現釷元素竟然自發性地蛻變為鐳,不禁興奮地喊道:「拉塞福,這是蛻變(transmutation)!」,努力建立聲譽的拉塞福眉頭一皺,回說:「看在上帝的份上,不要叫它蛻變!他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」第二年,他們在論文中謹慎地用「裂解」(disintegration)稱之。

拉塞福繼續揭開放射性一層又一層的面紗。他先於1902年證實α射線是帶正電的粒子,1903年又發現穿透力更強的第三種放射性,把它稱為γ射線。1905年,他利用半衰期算出一塊岩石樣本已有五億年歷史,打破原本普遍認為地球年紀只有數千萬年的迷思。

1906年,拉塞福測量α粒子的電荷與質量比值,發現相當於帶兩個正電荷的氦原子,便推測α粒子就是氦離子(要等到1932年,他的學生查德威克發現中子後,才知道其實是氦原子核)。

在加拿大熬了九年,拉塞福終於等到重返英國的機會,曼徹斯特大學於1907年聘請他擔任物理系主任,他很高興從此能在歐洲學術圈內和其他同儕公平競爭。其實拉塞福在加拿大的諸多發現早已獲得肯定,1908年的諾貝爾化學獎即頒予他,以表彰他對放射性研究的貢獻。(不過他有點不開心,因為他更希望拿到物理學獎。他曾說過:「除了物理,其它科學不過是集郵。」)

金箔實驗

1909年的某一天,拉塞福的研究助理蓋格(多年後他將發明偵測輻射的蓋格計數器)向他報告奇特的實驗結果:一堆轟向金箔的α粒子中,有些竟大角度地反彈回。電子質量遠小於α粒子,不可能讓α粒子彈開,「這簡直就像是朝著一張紙巾發射15吋砲彈,結果砲彈卻彈回來打到你自己!」拉塞福如此形容。那麼那些反彈回來的α粒子到底撞到了什麼?

1911年5月,拉塞福發表論文,提出原子內部帶正電的物質全部集中在小小一處,稱為原子核;電子像行星繞著太陽般,環繞著原子核。他這個行星模型取代了恩師湯姆森的「梅乾布丁模型」,有趣的是,兩年後換他的學生波耳引入量子理論,在修正其原子模型。

1919年,拉塞福接替湯姆森掌管卡文迪許實驗室;他指導過的學生有多達十位成為諾貝爾獎得主,完全體現了科學發展中兼具的革命與傳承精神。

湯姆森與拉塞福的兩種原子模型。圖片來源:Wikipedia

1937年,拉塞福在緊急的腸阻塞手術四天後過世,享年僅66歲。他死後葬於西敏寺,與牛頓、達爾文等宗師同享最高榮耀。當然,紐西蘭人更以這位土生土長的科學巨擘為傲,紐西蘭最高面額的百元紙鈔上,便是拉塞福的肖像。

參考資料:

  1. Ernest Rutherford – Wikipedia
  2. Alpha particle – Wikipedia
  3. Ernest Rutherford’s ambitions | Physics Today | AIP Publishing

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