主题:《量子》重启贴 -- 奔波儿

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2018-09-26 09:23:10
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奔波儿
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【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(2) 17

第三章·金子般的丹麦人(1)

1895年10月,卢瑟福来到卡文迪许实验室,在汤姆森的指导下学习,当时的他可不是几年以后那位生机勃勃、信心满满的卢瑟福。在新西兰的时候,卢瑟福曾致力于探测“无线(wireless)”波,也就是后来大家所说的无线电波(Radio Waves),来到剑桥以后,他继续进行这项研究工作,从那一刻起,他开始了自身的转变。短短几个月之间,卢瑟福就开发出一种非常先进的探测装置,并准备靠这项发明赚些外快。也就是在那时,他意识到当时的科学界对申请专利并不热衷,很少有人会为了金钱目的而进行学术研究,在这种文化氛围下,如果他这样做,则可能会给自己带来负面效应。不多久,意大利工程师古列尔莫·马可尼(Guglielmo Marconi:1874~1937)因为在同一领域斩获颇丰,声名鹊起,而这些荣誉本来应该是属于卢瑟福的。卢瑟福放弃了在无线电探测方面的工作,而专注研究一项当时成为世界各大报纸头版头条的重要发现,对此,他从不后悔。

1895年11月8日,威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Rontgen:1845~1923)发现每次当有高压电流通过一个真空玻璃管时,某些未知的辐射会导致一张涂满氰亚铂酸钡(barium platinocyanide)的纸片发光。伦琴当时是维尔茨堡大学的物理学教授,时年50岁,当有人问他对这种神秘莫测的新射线有什么看法时,他回答说:“我没有看法;我只调查。”整整六周,伦琴“重复这一实验若干次,直至确信这种射线确实存在”,他因此判断真空管是引起这一荧光的辐射源。

伦琴让自己的妻子贝塔(Bertha)将手放在照相底片上方,然后用这种被他命名为“X射线(X-rays)”的辐射进行照射。15分钟以后,伦琴洗出了照片。贝塔一看那张照片,顿时吓坏了,照片上面显现出她的骨骼结构,还有两只戒指,而暗色部分则对应着手掌上的肉。1896年1月1日,伦琴给德国以及海外的所有顶尖的物理学家们寄出一个邮包,里面装着他的论文《一种新的射线(A New Kind of Rays)》的副本,以及显现出贝塔的手掌骨骼的照片。数天之内,关于伦琴的新发现和他那些摄人魂魄的照片的消息,像野火一样,让整个世界都燃烧起来,就连出版界都被那张鬼魅般的骨骼照片牢牢地吸引住眼球。一年之内,有49本书,以及超过1000篇关于X射线的科学论文和科普文章探讨了X射线。

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伦琴的这篇文章的英译版在1896年的1月23日的《自然(Nature)》周刊上发表,而在这之前,汤姆森就已经开始着手研究这种奇妙的X射线。他一直在研究电子在气体中的传导特性,而在他读到这些文章时,他发现很多作者陷入一个误区——他们简单地把气体看做是一种导体了。在得到确认以后,他马上就让卢瑟福观测一下当X射线穿过气体时会有什么现象。而这项工作帮助卢瑟福在随后的两年间发表了四篇相关论文,并使他得到了国际学术界的认可。汤姆森为第一篇论文写了一个简短的评述,建议说X射线有可能像光一样,也是一种电磁辐射现象,这一论断后来被人们证实。

卢瑟福正忙着做实验的时候,一位叫亨利·贝可勒尔(Henri Becquerel:1852~1908)法国人在巴黎也正进行着自己的实验,他想确认一种在黑暗中能发光的荧光物质能否释放X射线。虽然他得到了否定的答案,但是他却因此发现含铀化合物能够释放辐射,而且与该化合物是否能够发出荧光无关。贝可勒尔所发现的这种“铀射线(Uranic Rays)”在当时反响寥寥,并没有引起科学界的重视,而新闻报导对此更是只字未提。不过,还是有一小拨儿物理学家对贝克勒尔的新发现很感兴趣,他们以及该射线的发现者自己都认为只有含铀化合物才能释放出这种射线。但是,卢瑟福却决定着手调查一下“铀射线”对气体的导电性有什么影响,这个决定在后来被他称作是其一生中最重要的一个决定。

卢瑟福使用一种名为“荷兰金属”(即一种铜锌合金)的薄层来研究铀辐射的穿透效应,他发现辐射量取决于这种薄层的数量,而当薄层数量增加到一定值时,薄层的增加对辐射强度的影响微乎其微;而随着薄层的继续增加,辐射强度突然开始再一次下降。卢瑟福重复进行这一实验,并在其它材料上也反复实验,他得到了相似的结果,对此卢瑟福只能给出一个解释,即存在两种辐射,也就是他所命名的“α射线”和“β射线”。

德国物理学家格哈德·施密特(Gerhard Schmidt:1865~1949)发现钍(Thorium)及其化合物也能释放出辐射,卢瑟福将其辐射与α射线和β射线进行比较后,他发现钍辐射的能量更强一些,因而判断“这是一种穿透力更强的射线”,该射线后来被命名为“γ射线”。“放射性(Radioactivity)”是玛丽亚·居里(Marie Curie:1867~1934)创造的一个词汇,用来描述释放辐射的现象,而且她将能够释放“贝可勒尔射线”的物质标定为“有放射性的(Radioactive)”。她认为放射性并不仅仅限于铀这一元素,而应该是一种原子现象。在这一思想的指导下,她和自己的丈夫皮埃尔(Pierre Curie:1859~1906)先后发现了镭(Radium)和钋(Polonium)这两种放射性元素。

1898年4月,居里夫妇的第一篇相关论文在巴黎发表。这时候,卢瑟福听说位于加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学(McGill University)有一个教授职位的空缺。尽管当时卢瑟福在放射性研究这一新领域已经被公认为是弄潮儿之一,而且汤姆森还为他写了一封充满溢美之辞的推荐信,但他对自己能否被聘用并不抱太多的希望。“我的学生里面从未有像卢瑟福先生这样对创新性研究抱有如此的热情和干劲,”汤姆森在信中写道,“而且我坚信一旦他有幸获得这一教职,他将会在蒙特利尔创建一所卓越的物理学院。”最后,他总结说:“如果卢瑟福先生能成为一名物理学教授,在我看来他将会为你们带来一笔宝贵的学术财富。”在经历了一场雷雨交加的航海旅行之后,年仅27岁的卢瑟福在九月底的时候来到了蒙特利尔,在这儿他将渡过随后的九年时光。

在他离开英格兰之前,他就明白“人们期望他能做出大量的开创性工作,并最终建成一所研究院,击败那些傲慢自大的美国佬儿!”他的确做到了这一点,而他的第一个成就就是发现钍的放射强度一分钟之后会减半,在接下来的下一分钟之后再次减半。三分钟之后,钍的放射强度只有其初始值的八分之一。卢瑟福将放射性的这种指数衰减称之为“半衰期(Half Life)”,即放射强度衰减一半时所需的时间。接下来的发现将为他赢得曼彻斯特大学的教授一职以及一份诺贝尔奖。

1901年10月,卢瑟福和同在蒙特利尔的弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy:1877~1956),这位时年25岁的英国化学家,一起对钍和其放射性开展合作研究,他们很快就发现钍有可能会变成另外一种元素。索迪回忆说,当这个念头爬上心头时,他呆住了,不由自主地嗫嚅“这是核嬗变(Nuclear Transmutation)”。“老天爷,索迪,千万别叫它什么嬗变”,卢瑟福警告说,“咱们可不是炼金术士。”

这对伙伴迅速意识到放射现象实质就是一种元素通过释放辐射转化成另外一种元素。他们这种离经叛道的理论起初被大家挖苦嘲笑,但实验结果很快就证明他们的理论是正确的,那些批评家们不得不放弃他们长久以来所珍视并信奉的物质不变性理论。从此以后,这不再是一个炼金术士的幻想,而是成为了科学事实:所有的放射性元素都会自发地从转化为其它元素,在其半衰期内,一半的原子将完成这一转化。

“他年纪轻轻,精力旺盛,喜欢热闹,但看上怎么都不像是一位科学家”,这就是曼彻斯特大学的化学家及后来的以色列第一任总统哈伊姆·魏茨曼(Chaim Weizmann:1874~1952)对卢瑟福的印象,“他可以在光天化日之下兴致勃勃地谈论任何话题,哪怕他经常对所谈的东西一无所知。每次去食堂的路上,我总能听到他的大嗓门在走廊上轰鸣。”魏茨曼发现卢瑟福“缺乏政治常识或意识,全部身心都扑在他那些划时代的科学研究上”。而这些研究中的核心工作就是利用α粒子探测原子。

但是,到底什么是α粒子?这个问题一直困扰着卢瑟福,特别是在他发现α粒子实质是一种阳性电荷,在强磁场中会发生偏转以后。他坚信α粒子就是氦离子,即一个失去两个电子的氦原子,但他却很少在公开场合宣扬自己的观点,因为他还只有间接的证据。在发现α射线十年之后,卢瑟福觉得现在已经到了揭示其真正的特性的时候了。当时,β射线已经被证实为是一束高速运动的电子。25岁的德国小伙儿汉斯·盖革(Hans Geiger:1882~1945)当时是卢瑟福的一位助手,在他的帮助下,卢瑟福在1908年的夏天证实了他长期以来坚信不移的观点:α粒子的的确确是一个失去两个电子的氦原子。

当卢瑟福和盖革忙着揭示α粒子的奥秘时,他经常抱怨说:“散射就是魔鬼”。其实早在两年前,当他还在蒙特利尔的时候就注意到这一效应:α粒子的运行轨迹本应该是一条直线,但是一些粒子穿过云母片以后会发生轻微的偏离现象,并导致显像相纸上面一片模糊。卢瑟福对此印象颇深,在他抵达曼彻斯特不久,他就列出一个包含各种潜在研究课题的项目表。现在,卢瑟福要求盖革着手其中的一个项目,即调查一下α粒子的散射效应。

俩人一起设计了一个简单的实验:让α粒子穿过一张薄薄的金箔,击中一张涂满硫化锌的纸屏,则这些α粒子会在纸屏上打出一些细小的光点,他们要做的就是统计一下这些闪光点的数目。这项计数工作枯燥乏味,要求他们得长时间呆在黑暗的环境下。但让卢瑟福感到欣慰的是,盖革是“一个工作狂,他能够通宵在那儿统计光点,而且还乐在其中”。他发现,α粒子或者是直线通过金箔,或者是偏离一、两度。这种结果在卢瑟福意料之中,但真正让他比较吃惊的是盖革向他汇报的一种现象——有一部分α粒子“偏离角度比较大”。

卢瑟福对盖革的实验结果迷惑不解,但这个时候传来一则好消息。由于卢瑟福发现放射性反映出一种元素向另一种元素转化,他被授予了诺贝尔化学奖。对这位一向认为“科学,除了物理学之外,就是收集邮票”的人而言,他自己明明是个物理学家,却被当成是化学家,这简直有点滑稽搞笑。在卢瑟福从斯德哥尔摩带着诺贝尔奖返回以后,他开始学着利用概率方法来研究α粒子的散射角度问题。他的计算结果显示α粒子穿过金箔以后出现大角度偏离的概率非常小,几近于零。

还在卢瑟福忙着对实验结果做计算的时候,盖革建议他给一位叫欧内斯特·马斯登(Ernest Marsden:1889~1970)的出色的本科生分派一点工作。“好啊,”卢瑟福说,“干嘛不让他看看α粒子是否能够以大角度散射?”没想到马斯登很快观察到了这种现象,这使卢瑟福倍感惊讶。但随着搜索范围的加大,预计中将以更大角度散射且会在硫化锌纸屏上击出一个个光点的α粒子并没有出现。

卢瑟福苦苦思索着这个问题,试图弄清楚“到底是什么样强大的电力或磁力让一束α粒子发生偏转或者散射”,同时他让马斯登检查一下是否还存在一些被反弹回来的粒子。其实,卢瑟福并不指望马斯登能发现啥东西,但当马斯登告诉他说确实有一些α粒子从金箔上反弹回来时,卢瑟福被吓了一跳。卢瑟福说:“这简直是太不可思议了!你能想象得出一枚15英寸的炮弹击中一张薄如蝉翼的纸片,然后再被弹回来打中你自己吗?”

盖革和马斯登开始利用不同的金属做对比实验,他们发现金所能弹回来的α粒子的数量比银高两倍,且比铝要高二十倍以上。当α粒子束击中铂以后,每8000个粒子中仅有一个被弹回来。1909年6月,他们将这些观测结果发表出来,但只仅仅做了简单的现象描述,而没有做进一步的评述。卢瑟福对这些结果也百思不得其解,在其后的十八个月中,他一直苦苦思索这个问题,试图找到一个合理的解释。

在整个19世纪,关于原子是否存在是一个广受争议的科学和哲学问题,但到了1909年,原子的存在已经得到广泛而理性的认同。那些对原子理论持批判态度的人士在越来越多的证据面前闭上了嘴巴,而这些证据中有两个是最为关键的,其中一个是爱因斯坦关于布朗运动的理论解释被证实,而另一个就是卢瑟福所发现的不同元素之间可以通过放射现象实现转化。在以前的几十年中,很多杰出的物理学家和化学家都否认原子的存在,而同时大家最为认同的有关原子的描述是汤姆森所提出的梅子布丁模型(Plum-pudding Model)。

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1903年,汤姆森提出了一种原子模型,即原子应该是一个质量为零的带正电荷的球体,被带负电荷的电子(汤姆森在六年前发现了电子)所包围着,就像是浸在布丁里的梅子一样。由于正电荷的存在,电子之间的排斥力彼此抵消掉,因而不会将原子撕裂。汤姆森认为,对于任何元素而言,其原子所拥有的电子是以一系列同心环状进行分布的,且该分布模式是独一无二的。他提出正是由于其电子的数目及分布模式的差异能让金和铅这样的金属之间相互区分。但是,在汤姆森所提出的原子模型中,只有电子是有质量的,因此哪怕是最轻的原子也必须包含成千上万个电子。

恰好在100年前的1803年,英国化学家约翰·道尔顿(John Dolton:1766~1844)首先提出了任何元素的原子都具有自己独特的重量,从而能藉此与其它原子相区分。由于无法直接观测原子的重量,道尔顿只能通过分析化合物中不同元素所占的比例来估算其相对重量。首先,他需要一个参考点。氢是已知的最轻的元素,道尔顿因此设定其原子重量为1,则其它各种元素的原子重量都可以依据氢原子相应地固定下来。

汤姆森在研究了包括X射线和β粒子在内的很多原子实验结果后,意识到自己的原子模型是错误的,他高估了电子的数目。根据他的最新计算结果,原子拥有的电子数目不能超过由其原子重量所决定的一个定值。不同元素所拥有的电子数目还只是一个未知数,但第一步可以先确定一个最高值,至少这是一个正确的方向。原子重量为1的氢原子可能仅仅拥有一个电子,但是,原子重量为4的氦原子则有可能有二、三甚至是四个电子,对于其它元素也存在类似的推断。

(相对于汤姆森以前所提出的旧模型,)电子的数量大幅度下降,这就说明原子的大部分质量应该是来自于那个带有正电荷的球体。汤姆森当初提出原子模型时,主要是为了保证原子的稳定性和中性,但在这电光火石的一刹那间,他头脑中的这个模型终于接近了它的真实面目。然而,这个改进的新模型既无法解释α粒子的散射效应,也无法给出任一原子中的电子的准确数目。

【原创翻译】第三章·金子般的丹麦人(3)


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通宝推:桥上,青颍路,逍遥清风,
最后于2018-09-28 06:41:08改,共1次;
2018-09-26 09:23:10

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