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盧瑟福的一生，創(chuàng)建了原子物理學(xué)，啟動(dòng)了放射性科學(xué)研究，并開(kāi)創(chuàng)了使用人工加速粒子轟擊進(jìn)行核裂變實(shí)驗(yàn)的先河。他不僅自己榮膺諾貝爾獎(jiǎng)，還讓他實(shí)驗(yàn)室里的學(xué)生和助手都先后獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

撰文 | 陳關(guān)榮（香港城市大學(xué)）

歷史上有許多出色的科學(xué)家，按媒體喜歡的說(shuō)法，都不幸地“與諾貝爾獎(jiǎng)擦肩而過(guò)”。但歷史上也有這樣的偉大科學(xué)家，不僅自己榮膺諾貝爾獎(jiǎng)，還讓他實(shí)驗(yàn)室里的學(xué)生和助手都先后獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

當(dāng)然，這個(gè)人是歷史上的唯一：歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871年8月30日－1937年10月19日）。

1908年，他本人因“對(duì)元素蛻變和放射性物質(zhì)的化學(xué)研究”獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
1921年，他的助手Frederick Soddy（1877-1956）獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
1922年，他的博士后Niels Bohr（1885-1962）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1927年，他的助手Charles Wilson（1869-1959）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1935年，他的學(xué)生James Chadwick（1891-1974）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1943年，他的學(xué)生George de Hevesy（1885-1966）獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
1944年，他的博士后Otto Hahn（1879-1968）獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)
1948年，他的學(xué)生Patrick Blackett（1897-1974）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1950年，他的學(xué)生Cecil Powell（1903-1969）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1951年，他的學(xué)生John Cockcroft（1897-1967）和Ernest Walton（1903-1995）分享諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)
1978年，他的學(xué)生Pyotr Kapitsa（1894-1984）獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

此外，和盧瑟福有過(guò)重要合作的諾貝爾獎(jiǎng)得主還有幾位同事：Francis Aston (1922年化學(xué)獎(jiǎng))，George Thomson (1937年物理學(xué)獎(jiǎng))，Edward Appleton (1947年物理學(xué)獎(jiǎng))。

Ernest Rutherford（1871.8.30－1937.10.19)

盧瑟福出生在新西蘭一個(gè)叫做Nelson的小地方。1842年，他父親James隨家人從蘇格蘭移民到新西蘭定居，后來(lái)的職業(yè)是修車(chē)輪的工匠。他母親Martha Thompson是個(gè)初等學(xué)校的英語(yǔ)教師。家中有十二個(gè)孩子，他排行第四，因而童年并沒(méi)有獲得父母特別的眷顧。

盧瑟福小時(shí)候在家鄉(xiāng)的公立學(xué)校上學(xué)，1890年獲得獎(jiǎng)學(xué)金到了新西蘭大學(xué)讀數(shù)學(xué)和物理。1893年本科畢業(yè)后，1894年又完成了碩士和另一個(gè)科學(xué)學(xué)士學(xué)位。其間沒(méi)有記錄表明他有特別過(guò)人之處。1895年，他獲獎(jiǎng)學(xué)金到了英國(guó)劍橋大學(xué)的Trinity學(xué)院物理系，在卡文迪許（Cavendish）實(shí)驗(yàn)室當(dāng)研究生，師從“電子”的發(fā)現(xiàn)人、1906年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主Joseph John Thomson（1856-1940）教授。

盧瑟福的頭像印在新西蘭發(fā)行的100元紙幣上

在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室里，盧瑟福和導(dǎo)師一起研究X射線(xiàn)如何改變氣體的導(dǎo)電性能。他發(fā)明了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)用的電磁波檢測(cè)器。更有意義的是，他創(chuàng)造了一種用粒子的散射來(lái)研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新實(shí)驗(yàn)方法，即盧瑟福散射。值此，他發(fā)現(xiàn)了天然放射性有好幾種，然后把帶正電的命名為α射線(xiàn)，帶負(fù)電的命名為β射線(xiàn)，后來(lái)的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了α粒子就是氦原子核。同時(shí)，他還基于實(shí)驗(yàn)作出預(yù)言，存在一種在磁場(chǎng)中不會(huì)偏轉(zhuǎn)而且穿透能力極強(qiáng)的射線(xiàn)。這種射線(xiàn)于1900年由法國(guó)物理學(xué)家Paul Villard在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，并按盧瑟福排序命名為γ射線(xiàn)。

盧瑟福在研究導(dǎo)師Thomson的電子分布模型時(shí)遇到了極大的困惑。該模型認(rèn)為正電荷均勻地分布在整個(gè)原子球內(nèi)。為了驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)，盧瑟福使用高能α粒子去轟擊金屬薄膜。由于入射粒子能量很高，如果原子中電荷是均勻分布的話(huà)，他預(yù)期幾乎所有入射粒子都將不受影響地穿過(guò)金屬薄膜。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻大相徑庭，有約1/8000的入射粒子被散射了回來(lái)，而且散射角大于90度。他感到十分驚訝和迷惑，說(shuō)：“這是我一生中碰到的最不可思議的事情，就像你用一座15英寸大炮去轟擊一張紙而你竟會(huì)被反彈回來(lái)的炮彈擊中一樣?！币簿褪钦f(shuō)，原子不可能是一個(gè)質(zhì)量均勻分布的球體。這啟發(fā)了他去構(gòu)思新的原子模型。

Thomson提出的原子模型（藍(lán)色大球代表原子，黃色小球代表電子）

1897年盧瑟福畢業(yè)，次年到了加拿大McGill大學(xué)的物理系，獲得Macdonald Chair的教職。1902年，他和青年助手Frederick Soddy以及德國(guó)來(lái)的博士后Otto Hahn一起，提出了放射性半衰期的概念，并證實(shí)放射性導(dǎo)致從一種元素到另一種元素的嬗變。Soddy和Hahn后來(lái)在1921年和1944年分別獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1905年，盧瑟福應(yīng)用放射性元素的含量及其半衰期，計(jì)算出太陽(yáng)的壽命約為50億年。這一創(chuàng)舉開(kāi)辟了用放射性元素半衰期去估算礦石古物和天體年齡的有效途徑，被沿用至今。

當(dāng)年，現(xiàn)代物理學(xué)的中心仍然在歐洲。于是，1907年盧瑟福決定返回英國(guó)。他在曼徹斯特大學(xué)物理系任職Langworthy Professor。1908年，他因?yàn)椤皩?duì)元素蛻變和放射性物質(zhì)的化學(xué)研究”榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1910年，George de Hevesy從匈牙利來(lái)到了曼徹斯特，成為盧瑟福的學(xué)生。他在那里順利地進(jìn)行了第一次放射性示蹤劑實(shí)驗(yàn)，后來(lái)在1943年榮獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。1911年，盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)成功地用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了在原子中心有個(gè)原子核，從而創(chuàng)建了原子的行星模型，即盧瑟福模型。該模型很好地解釋了盧瑟福散射。1913年，Niels Bohr從丹麥來(lái)到了盧瑟福的實(shí)驗(yàn)室做博士后研究，隨后兩年在那里任職，與盧瑟福密切合作研究原子結(jié)構(gòu)并引進(jìn)了量子相關(guān)概念。這兩項(xiàng)研究及后續(xù)工作讓他于1922年榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盧瑟福提出的原子模型

1919年，盧瑟?；氐絼蛭锢硐担犹鎸?dǎo)師Thomson退休后的Cavendish Professor教職。盧瑟福同時(shí)把曼徹斯特大學(xué)的學(xué)生James Chadwick帶到了劍橋。這一年，他倆進(jìn)行了歷史上第一次核反應(yīng)實(shí)驗(yàn)，用α粒子轟擊氮核，從核中打出了一種基本粒子即氫原子核。盧瑟福把它命名為質(zhì)子。1920年，盧瑟福預(yù)言原子核里有不帶電荷的中性粒子。這個(gè)猜測(cè)后來(lái)在1932年由Chadwick在實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，稱(chēng)之為中子，因而在1935年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。盧瑟福的助手Charles Wilson利用他發(fā)明的“云霧室”（Cloud Chamber）清楚地觀察到微粒運(yùn)動(dòng)的足跡，讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了其他一些新粒子，隨后榮獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1924年，盧瑟福的學(xué)生Patrick Blackett改進(jìn)了云霧室，同時(shí)觀測(cè)了400000個(gè)α粒子的碰撞。他發(fā)現(xiàn)原子核分裂之前會(huì)吸收α粒子，后來(lái)獲1948年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1932年，盧瑟福的兩位學(xué)生John Cockcroft和Ernest Walton一起，第一次用高能加速器實(shí)現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變，例如用質(zhì)子轟擊鋰可分裂出兩個(gè)α粒子。兩人在1951年分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

盧瑟福還有一個(gè)學(xué)生Pyotr Kapitsa，出生于圣彼得堡，大學(xué)畢業(yè)后到了劍橋留學(xué)。他在盧瑟福指導(dǎo)下利用云霧室做電磁場(chǎng)方面的實(shí)驗(yàn)。后來(lái)他轉(zhuǎn)向低溫物理的研究，發(fā)現(xiàn)了液氦超流體性態(tài)。他在多年以后即1978年84歲時(shí)，以此過(guò)往的成就榮膺姍姍遲來(lái)的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

紀(jì)念盧瑟福的郵票

盧瑟福的一生，創(chuàng)建了原子物理學(xué)，啟動(dòng)了放射性科學(xué)研究，并開(kāi)創(chuàng)了使用人工加速粒子轟擊進(jìn)行核裂變實(shí)驗(yàn)的先河。為了紀(jì)念盧瑟福，國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)于1977年8月宣布，把周期表的104號(hào)元素命名為“??”（Rf, Rutherfordium）。

盧瑟福1903年被遴選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)院士，后來(lái)于1925-1930年出任該學(xué)會(huì)院長(zhǎng)。盧瑟福獲得的其他榮譽(yù)包括英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的Rumford Medal（1905）和Copley Medal（1922），Turin 科學(xué)院的Bressa Prize（1910），英女王冊(cè)封的爵士（1914），英國(guó)皇家藝術(shù)會(huì)的Albert Medal（1928），英國(guó)IEE的Faraday Medal（1930），以及新西蘭大學(xué)的博士學(xué)位和Pennsylvania、Wisconsin、McGill、Birmingham、Edinburgh、Leeds等著名大學(xué)的榮譽(yù)博士學(xué)位。1931年，他被新西蘭授予Nelson Baron（男爵）稱(chēng)號(hào)，所以他的全名后來(lái)寫(xiě)為Ernest Baron Rutherford of Nelson。

1937年10月19日，盧瑟福因腸阻塞并發(fā)癥在劍橋逝世，享年66歲。他被安葬在倫敦西敏寺（Westminster Abbey），長(zhǎng)眠在兩位偉大物理學(xué)家牛頓和Lord Kelvin的墓旁。

對(duì)于這位偉大科學(xué)家盧瑟福的人品，后人有一句簡(jiǎn)短的評(píng)語(yǔ)：“他從來(lái)沒(méi)有樹(shù)立過(guò)一個(gè)敵人，也從來(lái)沒(méi)有失去過(guò)一個(gè)朋友”。

盧瑟福在Westminster Abbey的墓碑

我國(guó)高能物理學(xué)家張文裕（1910年1月9日-1992年11月5日），1931年畢業(yè)于燕京大學(xué)物理系，1934 年作為第三屆英國(guó)庚子賠款公費(fèi)赴英留學(xué)，在劍橋大學(xué)師從盧瑟福，1938年獲博士學(xué)位，回國(guó)后于1957年被遴選為中國(guó)科學(xué)院學(xué)部委員即院士。他的夫人王承書(shū)院士（1912年6月26日-1994年6月18日）也為國(guó)人熟識(shí)。她1934年畢業(yè)于燕京大學(xué)物理系，1944年獲美國(guó)密歇根大學(xué)博士學(xué)位，1956年回國(guó)，后來(lái)為祖國(guó)研制原子彈隱姓埋名三十年。

張文裕、王承書(shū)夫婦在福建泉州的故居博物館

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