今年七月的時(shí)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(shū)的時(shí)候，正在工地上拌砂漿。這是多么勵(lì)志的一件事情，這是讀書(shū)可以改變一個(gè)人的命運(yùn)的最真實(shí)的寫(xiě)照。但是，這樣的事情其實(shí)在100多年前就曾經(jīng)發(fā)生過(guò)，而且是在遙遠(yuǎn)的新西蘭，他就是本文的主角--英國(guó)物理學(xué)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(gè)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(guò)自己的努力才能有所收獲。盧瑟福在學(xué)校的時(shí)候刻苦學(xué)習(xí)，有一種認(rèn)準(zhǔn)目標(biāo)絕不回頭的精神，后來(lái)他的同學(xué)就給他取了一個(gè)外號(hào)：鱷魚(yú)。因?yàn)轺{魚(yú)從不回頭，只會(huì)張開(kāi)大口，不斷前進(jìn)，吞食一切。盧瑟福中學(xué)畢業(yè)時(shí)，有5門(mén)功課都得了獎(jiǎng)，是班上的佼佼者。他先是在坎特伯雷大學(xué)學(xué)習(xí)，在他23歲的時(shí)候，他就已經(jīng)拿到了3個(gè)學(xué)位（文學(xué)學(xué)士、文學(xué)碩士、理學(xué)學(xué)士）。1895年，盧瑟福從新西蘭大學(xué)畢業(yè)，獲得了劍橋大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金，從而進(jìn)入到卡文迪許實(shí)驗(yàn)室開(kāi)始他一生的科研生涯。當(dāng)時(shí)，盧瑟福正在菜園子里挖土豆，當(dāng)他聽(tīng)到自己拿到了劍橋大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金的時(shí)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(xué)

盧瑟福進(jìn)入卡文迪許實(shí)驗(yàn)室后，師從湯姆遜（開(kāi)爾文勛爵）。3年后，在湯姆遜的推薦下，盧瑟福擔(dān)任加拿大麥吉爾大學(xué)的物理學(xué)教授，并在9年后返回了英國(guó)，出任曼徹斯特大學(xué)的物理系主任。到1919年的時(shí)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(dān)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的主任，并于1925年當(dāng)選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1931年，盧瑟福受封為納爾遜男爵。

卡文迪許實(shí)驗(yàn)室

1895年，盧瑟福進(jìn)入卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，跟隨湯姆遜學(xué)習(xí)。他也是湯姆遜第一個(gè)來(lái)自海外的研究生。盧瑟福學(xué)習(xí)十分勤奮，這點(diǎn)非常符合湯姆遜的胃口，因?yàn)闇愤d自己就是一個(gè)勤奮的人。在湯姆遜的指導(dǎo)下，盧瑟福在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室做的第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是放射性吸收試驗(yàn)。當(dāng)時(shí)盧瑟福設(shè)計(jì)了一個(gè)非常巧妙的方法，他把鈾、鐳等放射性元素放在一個(gè)鉛制的容器里，在鉛容器上只留一個(gè)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(lái)，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(qiáng)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(jìn)。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(shuō)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(shí)驗(yàn)。他在放射線的前進(jìn)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(chǎng)的影響，說(shuō)明它是不帶電的，而且有很強(qiáng)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(jìn)，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(huì)受到磁場(chǎng)的影響而偏向一邊，從磁場(chǎng)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(fù)電的，性質(zhì)同快速運(yùn)動(dòng)的電子一樣，稱為β射線。盧瑟福對(duì)他自己發(fā)現(xiàn)的α射線特別感興趣。他經(jīng)過(guò)深入細(xì)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(gè)電子的氦原子。盧瑟福關(guān)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(xué)變化所做不到的。這一發(fā)現(xiàn)打破了元素不會(huì)變化的傳統(tǒng)觀念，使人們對(duì)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究進(jìn)入到原子內(nèi)部這一新的層次，為開(kāi)辟一個(gè)新的科學(xué)領(lǐng)域--原子物理學(xué)，做了開(kāi)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(xué)獎(jiǎng)。不過(guò)盧瑟福對(duì)自己獲得的不是物理學(xué)獎(jiǎng)而是化學(xué)獎(jiǎng)感到有些意外，他風(fēng)趣地說(shuō)："我一個(gè)搞物理的怎么就得了個(gè)化學(xué)獎(jiǎng)呢？"，"這是我一生中絕妙的一次玩笑！"。因?yàn)楸R瑟福還有一句名言："科學(xué)研究，除了物理就是集郵。"而他卻偏偏獲得的是化學(xué)獎(jiǎng)，在他看來(lái)，化學(xué)跟集郵沒(méi)什么兩樣。后來(lái)這句話也成了美劇《生活大爆炸》中的那個(gè)理論物理學(xué)家sheldon的一句口頭禪，用來(lái)諷刺那些不是搞理論物理的人。

盧瑟福在實(shí)驗(yàn)中

1910年，盧瑟福開(kāi)始將目光轉(zhuǎn)向了一個(gè)全新的領(lǐng)域--原子構(gòu)造。當(dāng)時(shí)物理學(xué)界對(duì)原子的構(gòu)造有一個(gè)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(fù)電的電子一顆一顆地鑲嵌在球內(nèi)各處的一個(gè)個(gè)同心環(huán)上，第一個(gè)環(huán)上可放5個(gè)電子，第二個(gè)環(huán)上可放10個(gè)，……原子中正負(fù)電荷總量相等。有一次，盧瑟福問(wèn)他的老師：如果用比原子更小的微粒去轟擊它，會(huì)不會(huì)一定像炮彈一樣穿透過(guò)去呢？湯姆遜微笑地說(shuō)：你的想法不錯(cuò)，你可以去試試證實(shí)一下。湯姆遜總是喜歡用這種鼓勵(lì)的方式來(lái)教育自己的學(xué)生。當(dāng)時(shí)盧瑟福的助手德國(guó)人蓋革發(fā)明了一種用來(lái)測(cè)量帶電微粒的儀器--"計(jì)數(shù)管"，它可以在帶電微粒穿過(guò)時(shí)，發(fā)出"咔嚓"的響聲，從而將看不見(jiàn)摸不著的射線記錄測(cè)量出來(lái)。盧瑟福讓自己的學(xué)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(gè)電子的氦原子，它的質(zhì)量約為電子質(zhì)量的7300倍。當(dāng)這樣一顆重型炮彈轟擊原子時(shí)，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(gè)原子體積中，也不可能抵擋住α粒子的轟擊。也就是說(shuō)，α粒子將很容易地穿過(guò)金箔，即使受到一點(diǎn)阻擋的話，也僅僅是α粒子穿過(guò)金箔后稍微改變一下前進(jìn)的方向而已。當(dāng)時(shí)盧瑟福和蓋革已經(jīng)做過(guò)多次這樣的實(shí)驗(yàn)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?lái)湯姆遜的原子棗糕模型是正確的。但是，馬斯登和蓋革又重復(fù)著這個(gè)已經(jīng)做過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，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(lái)的α粒子。這就有問(wèn)題了，難道是老師的棗糕模型不對(duì)？盧瑟福整整思考了將近2年的時(shí)間，在做了大量的實(shí)驗(yàn)和理論計(jì)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(shí)心帶電球原子模型。盧瑟福檢驗(yàn)了實(shí)驗(yàn)中反射回來(lái)的確是α粒子，又仔細(xì)地測(cè)量了反射回來(lái)的α粒子的總數(shù)。測(cè)量表明，在實(shí)驗(yàn)中，每入射約八千個(gè)α粒子就有一個(gè)α粒子被反射回來(lái)。盧瑟福經(jīng)過(guò)仔細(xì)的計(jì)算和比較，發(fā)現(xiàn)只有假設(shè)正電荷都集中在一個(gè)很小的區(qū)域內(nèi)，α粒子穿過(guò)單個(gè)原子時(shí)，才有可能發(fā)生大角度的散射。也就是說(shuō)，原子的正電荷必須集中在原子中心的一個(gè)很小的核內(nèi)。在這個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上，盧瑟福進(jìn)一步計(jì)算了α散射時(shí)的一些規(guī)律，并且作了一些推論。這些推論后來(lái)很快就被蓋革和馬斯登的一系列漂亮的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。盧瑟福提出的原子模型像一個(gè)太陽(yáng)系，帶正電的原子核像太陽(yáng)，帶負(fù)電的電子像繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)的行星。在這個(gè)"太陽(yáng)系"，支配它們之間的作用力是電磁相互作用力。他解釋說(shuō)，原子中帶正電的物質(zhì)集中在一個(gè)很小的核心上，而且原子質(zhì)量的絕大部分也集中在這個(gè)很小的核心上。當(dāng)α粒子正對(duì)著原子核心射來(lái)時(shí)，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(duì)α和β粒子的散射及原理結(jié)構(gòu)》。原子結(jié)構(gòu)理論在物理學(xué)史上具有劃時(shí)代的意義，因?yàn)樵雍驮雍宋锢韺W(xué)由此誕生并發(fā)展起來(lái)。盧瑟福也因此被譽(yù)為原子物理學(xué)之父。也正是由于電子軌道也就是原子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)的矛盾，才導(dǎo)致玻爾提出背離經(jīng)典物理學(xué)的革命性的量子假設(shè)，成為量子力學(xué)的先驅(qū)。當(dāng)然了，盧瑟福的原子行星模型的提出還有一個(gè)最直接的作用，那就是如果沒(méi)有這套理論，現(xiàn)在中學(xué)和大學(xué)的物理學(xué)教材上，就沒(méi)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(shuí)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(gè)好的物理學(xué)家，更是一個(gè)好老師。在他的培養(yǎng)下，他的學(xué)生和助手有很多人都獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。1921年，盧瑟福的助手索迪獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；1922年，盧瑟福的學(xué)生阿斯頓獲諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)；同年，盧瑟福的學(xué)生玻爾獲諾貝爾物理獎(jiǎng)1927年，盧瑟福的助手威爾遜獲諾貝爾物理獎(jiǎng)；1935年，盧瑟福的學(xué)生查德威克獲諾貝爾物理獎(jiǎng)；1948年，盧瑟福的助手布萊克特獲諾貝爾物理獎(jiǎng)；1951，盧瑟福的學(xué)生科克拉夫特和瓦爾頓，共同獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)；1978年，盧瑟福的學(xué)生卡皮茨獲諾貝爾物理獎(jiǎng)。玻爾就曾經(jīng)深情地稱盧瑟福是"我的第二個(gè)父親"。有人曾經(jīng)問(wèn)盧瑟福：你為什么總是能站在科學(xué)的浪尖上呢？盧瑟福不無(wú)得意地說(shuō)：難道你沒(méi)有發(fā)現(xiàn)，這個(gè)科學(xué)的波浪是我制造出來(lái)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(yù)告一下，下期人物：朗之萬(wàn)