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二十世纪十大物理实验之八:卢瑟福ALPHA粒子散射实验暨量子力学发展史(二)

时间:2019-02-20来源:理学院点击:769

这个叫电子的小东西虽然看不见,但是你可以精确地感知它的存在,你可以测得它的质量,电荷,速度,甚至在它运动的路途上加上磁铁,你会觉察到它的偏转。

真是个幽灵。

然而学界一阵喧闹之后,就沉寂了下去。汤姆逊本人进行一段时间后,也悄悄终止了研究,毕竟还有其它太多的事情要做。

这些小玩意儿,留给后来人吧,汤姆逊呷完最后一口咖啡,合上了实验记录本。

甚至在十年之后的1907年,这片阵地还几乎还是一片静寂。

在那一年里,名躁一时的爱因斯坦发表了光量子假说开了第一炮后又匆匆转移到广义相对论中去。

36岁的新西兰人卢瑟福答应在英国领导著名的卡文迪许实验室;

22岁的哥本哈根大学学生尼尔斯•玻尔正在足球场上一边心不在焉地守着球门,一边用粉笔在门框上排演着公式;

20岁的薛定谔在维也纳大学里认真地记着笔记;

6岁的海森堡还在慕尼黑街头不知疲倦地和伙伴们玩着石子;

老师的工作注定要由学生来完成。

体魄雄壮的卢瑟福刚来到英国卡文迪许实验室的时候,他的洪亮的嗓音吓了所有的同事一跳。他一看就知道是那种体力充沛的人,但晒得红红的皮肤,粗糙有力的大手使人更觉得他适合在菜园里栽种马铃薯。

好促狭的英国人不客气地称这位外乡人是南半球的野兔,因为擅打地洞才来到了英国。卢瑟福听说了也没发火,他竭力显示自己绅士般的好脾气来和自己粗豪的外表相对照。他相信凭借自己的能力一定会在这里取得一席之地的。

不久,他的导师汤姆逊让他研究电磁波,他在几个月内就把仪器的接收范围改造到半英里以外,充分显示了他在实验上的天才,从此汤姆逊对他青眼有加,甚至在自己退休之后推荐他继承卡文迪许实验室主任的宝座。

1909年,卢瑟福拣起了老师锁在抽屉里的手稿,他开始认真考虑原子的结构问题了。

在几年前短暂而热烈的讨论中,学者们纷纷提出自己对原子结构的看法;而其中以汤姆逊的建议最为出名。他幽默地称电子就像面包里的葡萄干,而带正电的物质像面包一样均匀地分布于整个空间。但是有人更带有哲学意味地提出行星模型,带正电的物质在中心,而电子在周围飞速的旋转,他们认为宏观的宇宙和微观的原子的组成应有暗合之处。

鉴于发现者汤姆逊的威名,学界勉强接受了他的解释,可是明显几种解释都有漏洞,在汤姆逊的面包中,带负电的葡萄干似乎在电磁引力的作用下很难静止不动,而行星模型中飞速旋转的电子按迈克斯韦的理论没有理由不向外辐射能量,最终也像陨石一样坠落到中心去的。

在此之前,卢瑟福已经从铀的辐射中分离出两种射线,一种是贝塔射线,也就是老师发现的电子,一种是阿尔法射线,这种射线比最轻的氢原子重四倍,带的电则是正电,而且电量是电子电荷的两倍。

这种更重的射线有个神奇的性质,就像传说中的点石为金一般,它可以将一种元素转为另一种元素。实验成功的消息刚传出去,立刻导致了欧洲黄金市场上的金价狂贬。报纸上带有问号的巨大标题是,原子已经分裂,人类末日是否来到?而一些投机商的眼睛放出了光芒,在他们眼里卢瑟福那群人是二十世纪的炼金士,于是实验室里经常接到豪门巨富的大额捐款。

金钱在任何时代,任何地方都不是坏事,卢瑟福添购了更新的仪器,卖力十倍地干起来。他卢瑟福办事的精力和效率是有目共睹的,但糟糕的是他喜欢以自己的体力为标准来要求其他人,经常导致实验室的人陪他一起饿肚子。慢慢他的外号不再是“新西兰的野兔”,人们敬畏地称他为“鳄鱼”,也许他对未知世界的渴求只有饥饿的鳄鱼对食物的贪婪才能一比。没想到卢瑟福对这个外号很满意,后来居然经常以鳄鱼自居。直到今天,在卢瑟福的纪念馆门前还伏着一只张牙舞爪的鳄鱼雕像。

不料,鳄鱼很快陷入了困境。在实验中绝大多数阿尔法离子自由自在的穿过了靶原子,但是有的偏离的原来的路线,甚至倒转回来。这就匪夷所思了,按照老师汤姆逊的模型,带正电的面包不会轻易让阿尔法粒子随意穿过的,而沉重的阿尔法粒子更不会被轻飘飘的电子反弹回来,其情形如同一颗疾驶的炮弹被蚊子一挡反弹回来一样可笑。

当时的实验条件用现在的眼光看当然简陋无比,一切都只能靠肉眼观测,蓝幽幽的硫化锌屏幕上每出现一个亮点就表示有一个阿尔法粒子反弹了回来,可是一万个粒子中只能有一个碰上这样的运气。卢瑟福所能作的只是平心静气地面对屏幕,一个亮点也不能数错。不幸的卢瑟福虽号称鳄鱼,但是却不具备鳄鱼捕食时超常的耐心。其实不光是他,任何人盯着屏幕超过五分钟都会因为两眼昏涩,金星乱舞产生误记数从而悻悻地退出观测的。他把乏味的枯燥工作交给了别人轮流,自己埋头红着眼睛叼着雪茄陷入深思,究竟什么原因有为数不多的阿尔法粒子竟被打得倒转回来?

仿佛一个人在扔硬币,连扔一万次都是正面。在概率上的极度荒谬一定意味着深刻的物理内涵。那意味着什么,难道原子内当真有一个质量集中的小核,射过去的α粒子只有擦近核的时候才会发生偏转,如果正好撞到核的时候就会反弹回来,而回来的粒子几率极小的原因是小核占整个原子的体积太小了,如同足球场上的一粒石子。

原来如此!

卢瑟福狠狠掷下未抽完的雪茄,很快即使一楼负责看门的耳背的老头儿也听到一声大吼,“我知道原子是什么样子了!”

(版权所有:meemei 原作)

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