1899年     卢瑟福发现α射线和β射线

节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

图1. 卢瑟福

1896年贝克勒尔发现天然放射性之后，居里夫妇从沥青中提取出了天然放射性单质元素钋和镭，用信服的实验结果证实了自然界中确实存在放射性元素，从此拉开了放射性研究的序幕。为了进一步了解所谓的“放射性”究竟是什么物质，英国的物理学家卢瑟福开展了几个关键性物理实验，并由此建立起了物理学的一个新的分支——原子物理学。

图2. 三种放射线的偏转

1897到1899年间，剑桥大学的卢瑟福在贝克勒尔的发现基础上，针对放射元素铀的发出的射线做了深入的研究。我们知道天然射线穿透能力很强，可以使厚纸包裹的底片感光。为了研究天然射线究竟能穿透什么材料，卢瑟福试着用层层铝箔把铀盐包裹起来。他发现天然射线实际上存在两种，一种可以很轻易地用纸或单层铝箔就可以挡住，而另一种需要多层铝箔才能包住。于是卢瑟福用希腊字母把前者命名为α（阿尔法）射线，后者命名为β（贝塔）射线。不久，法国物理学家维拉尔从铀盐中又发现了一种穿透力更强的射线，称为γ（伽马）射线。三种射线如何区别呢？物理学家们发现三种放射线其实带电特征不同，α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。根据电磁学的基本原理，带电粒子在磁场中会发生偏转，因此辨认三种射线可以简单用磁铁来做到。把放射物质放在带小孔的铅盒中，射线路径上加上磁场，不带电的γ射线将保持直线传播，而带正电的α射线和带负电的β射线则偏转方向相反并和磁场方向有关。如今，物理学家已经清楚三种射线的本质，α射线是失去两个电子的氦原子，即氦原子核，含有两个质子，所以带正电，具有较大的质量；β射线实际上就是电子流，所以带负电，质量较轻；γ射线属于电磁波，是光子束，其静止质量为零。从质量上也可以看出，三种射线穿透能力属γ射线最强。一般来说，人的皮肤或者一张纸就可以挡住α射线，一块厘米厚度的木板或者毫米厚度的铝箔就可以阻挡β射线，而能量很高的γ射线能够轻易穿透人体组织，只有采用厚厚的混凝土或者达几个厘米厚的铅板才能阻挡它！除此之外，核反应中释放的中子也会造成核辐射，四种射线都属于电离辐射。

图3. 常见电离辐射的防护方法

天然放射性在自然界普遍存在，地表的土壤和岩石和建筑用的花岗岩等都含有一定量的天然放射性元素，我们所饮用的水和食用的食物都可能含有少量的放射性物质，而在医疗检查或者放射性治疗中用到的X射线和γ射线都是人工辐射源。稀有气体氡气是天然放射的主要来源之一，过量的辐射会引起人体的不适甚至病变，积累过多的辐射会导致死亡。许多所谓的“鬼屋”其实是因为含有大量的氡气和其他惰性气体，容易使人产生幻觉并且对身体造成伤害，以至于某些抵抗力差的人会离奇地死亡。

图4. 生活中的辐射来源及比例

发现天然放射性的类别之后，卢瑟福进一步思考这些放射性的物理本质，他认为放射性其实来自原子内部，由于放射性的存在，原子内部状态发生变化，可能转化为另一种原子，有别于原子都不发生变化的化学反应。为了验证他的想法，卢瑟福用α粒子轰击了氮原子，通过分析α粒子散射后的偏转路径，他发现其实原子内部是有结构的。真正和α粒子发生对撞的仅仅只有原子中心的一小部分——原子核，而原子核外部都是带负电的电子。更深入的研究让卢瑟福于1919年发现了原子核内部存在带正电的粒子——质子。卢瑟福以无可辩驳的实验证明了原子具有内部结构，它并不是我们世界最小单元！正是如此，后人才依据他的实验基础提出了各种原子模型，并最终催产了量子力学！这些人群中，诸多是卢瑟福的学生或者助手。卢瑟福可谓是世界上“桃李满天下”中的佼佼者，他的学生和助手中有近10位鼎鼎大名的诺贝尔奖获得者。为了纪念卢瑟福的科学贡献，英国特地成立了卢瑟福实验室，之后和阿普尔顿合并，称为卢瑟福.阿尔普顿实验室，是目前世界上几个著名的科学实验室之一。

图5. 英国卢瑟福-阿普尔顿实验室(实地拍摄)

1911年     卢瑟福提出原子结构的有核模型

20世纪初，原子论的已经被广泛接受，然而原子内部有什么？仍然是一个待解决的问题。为了探测原子内部结构，最简单直接的办法就是找到一个合适的“子弹”去“射击”原子，看“子弹”是如何偏转的。英国物理学家卢瑟福利用他在天然放射性方面研究得天独厚的优势，很快找到了这个合适的“子弹”——α粒子。因为在天然放射线中，α粒子（本质是氦原子核）带正电，具有较大的质量和较低的速度，最容易探测其运动轨迹。

图1. 阿尔法粒子轰击原子的轨迹

1911年，卢瑟福用α粒子轰击金箔并追踪其轨迹，他发现大部分α粒子都“如入无人之境”穿透过去，只有一部分轨迹发生了偏转，说明它们受到了正电的排斥作用，其中还有万分之一的粒子是“如撞墙后原路弹回”的。这说明在金原子内部存在一个比α粒子质量大得多且带正电的“核心”，其直径仅仅是原子直径的万分之一左右，卢瑟福把它叫做“原子核”。由于原子本身是电中性的，所以为了平衡，原子核外就是一堆带负电的电子“紧密团结”在原子核外围。原子内部结构的发现开启了原子物理学这一新的学科，卢瑟福也成为了探索原子内部奥秘的第一人，为此他获得了1908年的诺贝尔化学奖。

图2. 原子的有核轨道模型

关于原子内部结构的探索还远没有停止，为了理解电子在原子内部是如何运行的，物理学家先后提出了“葡萄干蛋糕模型”、“行星轨道模型”、“量子化原子模型”等一系列模型，最终促使了量子力学的建立。而量子力学最成功的案例之一就是氢原子模型，在这个模型中，电子不再是以“轨道”形式在原子内部运动，而是以“电子云”形式，氢原子的电子云是各向同性的球形，在某些特定直径处电子出现概率较大，对应于之前“轨道”的概念。不同原子里的电子云形状多种多样，它们有“哑铃型”、“十字梅花型”、“纺锤型”等等，这才是电子在原子内部的真实情况。

图3. 电子云的形状

卢瑟福的实验同样创造了粒子物理学的基本研究方法——撞击或者对撞。现今粒子物理学家仍采用对撞的方法来研究粒子的内部结构和粒子间的相互作用。北京的正负电子对撞机、美国费米实验室的粒子对撞机、欧洲大型强子对撞机等都是目前科学家们斥巨资寻找新粒子的庞大“武器”。虽然对生物学家来说，将两只青蛙对撞，然后研究其碎片，从而得出青蛙的内部结构，这种研究是最为糟糕也是最不可信的。但是对物理学家来说，粒子内部作用能量太大，人类无法找到合适的“手术刀”来解剖，对撞，或许是目前唯一且最好的办法。

图4. 原子战争之膝盖中弹

图5. 粒子物理学家研究粒子结构的方法

【丛书简介】

“改变世界的科学”丛书是针对青少年编著的一套大型科普图书，含数学、物理学、化学、天文学、地学、生物学、医学、农学、计算机科学等9个分册，以编年体的形式呈现，图文并茂地叙说人类历史上20 000年来最重大的科学发现。本丛书为上海市“十二五”重点图书。

丛书各分册均按照时间顺序来回顾、概括人类的科学活动，以科学发现的历史为主，兼及科学机构的兴衰、科学教育的发展、科学社团的变迁等。丛书通俗易懂，对于青少年了解科学知识、领悟科学方法、弘扬科学精神，乃至对于提高国民的整体科学文化素养，都将起到积极的促进作用。

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