今年七月的時候，有一條新聞刷爆了人們的眼球，一位考生在拿到北大錄取通知書的時候，正在工地上拌砂漿。這是多么勵志的一件事情，這是讀書可以改變一個人的命運的最真實的寫照。但是，這樣的事情其實在100多年前就曾經(jīng)發(fā)生過，而且是在遙遠的新西蘭，他就是本文的主角--英國物理學家--盧瑟福。

歐內(nèi)斯特·盧瑟福

歐內(nèi)斯特·盧瑟福于1871年出生在新西蘭納爾遜的一個手工業(yè)工人家庭。盧瑟福家境貧寒，所以他從小就知道只有通過自己的努力才能有所收獲。盧瑟福在學校的時候刻苦學習，有一種認準目標絕不回頭的精神，后來他的同學就給他取了一個外號：鱷魚。因為鱷魚從不回頭，只會張開大口，不斷前進，吞食一切。盧瑟福中學畢業(yè)時，有5門功課都得了獎，是班上的佼佼者。他先是在坎特伯雷大學學習，在他23歲的時候，他就已經(jīng)拿到了3個學位（文學學士、文學碩士、理學學士）。1895年，盧瑟福從新西蘭大學畢業(yè)，獲得了劍橋大學的獎學金，從而進入到卡文迪許實驗室開始他一生的科研生涯。當時，盧瑟福正在菜園子里挖土豆，當他聽到自己拿到了劍橋大學的獎學金的時候，高興得把手里的鐵鍬猛地甩掉了，然后大聲的喊：這是我挖的最后一顆土豆了。

坎特伯雷大學

盧瑟福進入卡文迪許實驗室后，師從湯姆遜（開爾文勛爵）。3年后，在湯姆遜的推薦下，盧瑟福擔任加拿大麥吉爾大學的物理學教授，并在9年后返回了英國，出任曼徹斯特大學的物理系主任。到1919年的時候（他挖完最后一顆土豆后的第24年），盧瑟福接替退休的湯姆遜擔任卡文迪許實驗室的主任，并于1925年當選為英國皇家學會會長。1931年，盧瑟福受封為納爾遜男爵。

卡文迪許實驗室

1895年，盧瑟福進入卡文迪許實驗室，跟隨湯姆遜學習。他也是湯姆遜第一個來自海外的研究生。盧瑟福學習十分勤奮，這點非常符合湯姆遜的胃口，因為湯姆遜自己就是一個勤奮的人。在湯姆遜的指導下，盧瑟福在卡文迪許實驗室做的第一個實驗是放射性吸收試驗。當時盧瑟福設計了一個非常巧妙的方法，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個小孔。由于鉛能擋住放射線，所以只有一小部分射線從小孔中射出來，形成一束很窄的放射線。盧瑟福在放射線束附近放了一塊很強的磁鐵，結(jié)果發(fā)現(xiàn)有一種射線不受磁鐵的影響，保持直線行進。第二種射線受磁鐵的影響，偏向一邊，但偏轉(zhuǎn)得不厲害。第三種射線偏轉(zhuǎn)得很厲害。這就說明在這些放射線中至少有三種不同的放射線。于是，盧瑟福繼續(xù)做實驗。他在放射線的前進方向上放置不同厚度的材料，觀察射線被吸收的情況。第一種射線不受磁場的影響，說明它是不帶電的，而且有很強的穿透力，一般的材料如紙、木片之類的東西都擋不住射線的前進，只有比較厚的鉛板才可以把它完全擋住，他稱之為γ射線。第二種射線會受到磁場的影響而偏向一邊，從磁場的方向可判斷出這種射線是帶正電的，這種射線的穿透力很弱，只要用一張紙就可以完全擋住它。這就是盧瑟福發(fā)現(xiàn)的α射線。第三種射線由偏轉(zhuǎn)方向斷定是帶負電的，性質(zhì)同快速運動的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對他自己發(fā)現(xiàn)的α射線特別感興趣。他經(jīng)過深入細致的研究后指出，α射線是帶正電的粒子流，這些粒子是氦原子的離子，即少掉兩個電子的氦原子。盧瑟福關于放射性的研究確立了放射性是發(fā)自原子內(nèi)部的變化。放射性能使一種原子改變成另一種原子，而這是一般物理和化學變化所做不到的。這一發(fā)現(xiàn)打破了元素不會變化的傳統(tǒng)觀念，使人們對物質(zhì)結(jié)構的研究進入到原子內(nèi)部這一新的層次，為開辟一個新的科學領域--原子物理學，做了開創(chuàng)性的工作。盧瑟福本人也因此而獲得了1908年度的諾貝爾化學獎。不過盧瑟福對自己獲得的不是物理學獎而是化學獎感到有些意外，他風趣地說："我一個搞物理的怎么就得了個化學獎呢？"，"這是我一生中絕妙的一次玩笑！"。因為盧瑟福還有一句名言："科學研究，除了物理就是集郵。"而他卻偏偏獲得的是化學獎，在他看來，化學跟集郵沒什么兩樣。后來這句話也成了美劇《生活大爆炸》中的那個理論物理學家sheldon的一句口頭禪，用來諷刺那些不是搞理論物理的人。

盧瑟福在實驗中

1910年，盧瑟福開始將目光轉(zhuǎn)向了一個全新的領域--原子構造。當時物理學界對原子的構造有一個普遍的看法就是所謂的棗糕模型，這也是盧瑟福的老師湯姆遜提出的。即原子是球體，帶正電的物質(zhì)均勻地分布于球體內(nèi)，帶負電的電子一顆一顆地鑲嵌在球內(nèi)各處的一個個同心環(huán)上，第一個環(huán)上可放5個電子，第二個環(huán)上可放10個，……原子中正負電荷總量相等。有一次，盧瑟福問他的老師：如果用比原子更小的微粒去轟擊它，會不會一定像炮彈一樣穿透過去呢？湯姆遜微笑地說：你的想法不錯，你可以去試試證實一下。湯姆遜總是喜歡用這種鼓勵的方式來教育自己的學生。當時盧瑟福的助手德國人蓋革發(fā)明了一種用來測量帶電微粒的儀器--"計數(shù)管"，它可以在帶電微粒穿過時，發(fā)出"咔嚓"的響聲，從而將看不見摸不著的射線記錄測量出來。盧瑟福讓自己的學生馬斯登用α粒子去轟擊金箔，按照湯姆遜的棗糕模型，質(zhì)量微小的電子分布在均勻的帶正電的物質(zhì)中。而α粒子是失去兩個電子的氦原子，它的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍。當這樣一顆重型炮彈轟擊原子時，小小的電子是抵擋不住的。而金原子中的正物質(zhì)均勻分布在整個原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說，α粒子將很容易地穿過金箔，即使受到一點阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過金箔后稍微改變一下前進的方向而已。當時盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過多次這樣的實驗了，α粒子受金原子的影響稍微改變了方向，它的散射角度極小?？磥頊愤d的原子棗糕模型是正確的。但是，馬斯登和蓋革又重復著這個已經(jīng)做過多次的實驗，奇跡出現(xiàn)了!他們不僅觀察到了散射的α粒子，而且觀察到了被金箔反射回來的α粒子。這就有問題了，難道是老師的棗糕模型不對？盧瑟福整整思考了將近2年的時間，在做了大量的實驗和理論計算和深思熟慮后，他才大膽地提出了有核原子模型，推翻了他的老師湯姆遜的實心帶電球原子模型。盧瑟福檢驗了實驗中反射回來的確是α粒子，又仔細地測量了反射回來的α粒子的總數(shù)。測量表明，在實驗中，每入射約八千個α粒子就有一個α粒子被反射回來。盧瑟福經(jīng)過仔細的計算和比較，發(fā)現(xiàn)只有假設正電荷都集中在一個很小的區(qū)域內(nèi)，α粒子穿過單個原子時，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個很小的核內(nèi)。在這個假設的基礎上，盧瑟福進一步計算了α散射時的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論后來很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實驗所證實。盧瑟福提出的原子模型像一個太陽系，帶正電的原子核像太陽，帶負電的電子像繞著太陽轉(zhuǎn)的行星。在這個"太陽系"，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說，原子中帶正電的物質(zhì)集中在一個很小的核心上，而且原子質(zhì)量的絕大部分也集中在這個很小的核心上。當α粒子正對著原子核心射來時，就有可能被反彈回去。這就圓滿地解釋了α粒子的大角度散射。盧瑟福發(fā)表了一篇著名的論文《物質(zhì)對α和β粒子的散射及原理結(jié)構》。原子結(jié)構理論在物理學史上具有劃時代的意義，因為原子和原子核物理學由此誕生并發(fā)展起來。盧瑟福也因此被譽為原子物理學之父。也正是由于電子軌道也就是原子結(jié)構的穩(wěn)定性和經(jīng)典電動力學的矛盾，才導致玻爾提出背離經(jīng)典物理學的革命性的量子假設，成為量子力學的先驅(qū)。當然了，盧瑟福的原子行星模型的提出還有一個最直接的作用，那就是如果沒有這套理論，現(xiàn)在中學和大學的物理學教材上，就沒有《原子、中子和離子》等章節(jié)的內(nèi)容（冤有頭，債有主，知道找誰去算賬了吧）。

盧瑟福和他老師的原子模型的比較

盧瑟福不但是一個好的物理學家，更是一個好老師。在他的培養(yǎng)下，他的學生和助手有很多人都獲得了諾貝爾獎。1921年，盧瑟福的助手索迪獲諾貝爾化學獎；1922年，盧瑟福的學生阿斯頓獲諾貝爾化學獎；同年，盧瑟福的學生玻爾獲諾貝爾物理獎1927年，盧瑟福的助手威爾遜獲諾貝爾物理獎；1935年，盧瑟福的學生查德威克獲諾貝爾物理獎；1948年，盧瑟福的助手布萊克特獲諾貝爾物理獎；1951，盧瑟福的學生科克拉夫特和瓦爾頓，共同獲得諾貝爾物理獎；1978年，盧瑟福的學生卡皮茨獲諾貝爾物理獎。玻爾就曾經(jīng)深情地稱盧瑟福是"我的第二個父親"。有人曾經(jīng)問盧瑟福：你為什么總是能站在科學的浪尖上呢？盧瑟福不無得意地說：難道你沒有發(fā)現(xiàn)，這個科學的波浪是我制造出來的嗎？

1937年，盧瑟福因病在劍橋去世，享年66歲。他也被葬在了威斯敏斯特教堂墓地，與牛頓和法拉第并排。

預告一下，下期人物：朗之萬