中外科学家发明家丛书：卢瑟福

《中外科学家发明家丛书：卢瑟福》由会员分享，可在线阅读，更多相关《中外科学家发明家丛书：卢瑟福（21页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 欧内斯特卢瑟福是一位杰出的物理学家。出生于新西兰，在这个大洋 洲的岛国长大，又在英国从事学习和研究。他生活在从 1 9 世纪末到 2 0 世纪 3 0 年代物理学发生革命性变革的时代。他是这个时代勇于进取的开路先锋之 一。他在原子核物理学的研究方面有许多重大的发现。在卢瑟福之前，原子 的概念经过了漫长的古代时期和他之前的近代时期。古代哲学家认为，原子 是不可分割的最小物质单元。1 9 世纪末，近代科学家已通过各种各样的物理 和化学的分析研究，形成了关于原子的科学的初步概念。人们知道了电子在 原子中的存在，但原子内部情形如何，一直无法解答。卢瑟福通过实验证实 了原子核的存在。他所建立的原子的核

2、模型，为原子核物理学最终确立迈出 了决定性的一步。卢瑟福长时期担任剑桥大学卡文迪许实验室主任，在他的 主持下，卡文迪许实验室先后有一系列重大发现，成为世界物理学研究的圣 地。卢瑟福则被誉为“原子核物理学之父”。一、早年的求学生涯1 8 7 1 年 8 月 3 0 日，欧内斯特卢瑟福（E r n e x s t R u t h e r f o r d ）出生于新 西兰的泉林村（后来改名为净水村）村边的一所小木房里。这是一个远离文 化中心的偏僻小村。他的祖父是个性格刚毅的苏格兰人，父亲詹姆斯卢瑟 福 3 岁时随其父搭乘帆船迁移到新西兰。詹姆斯先是干制造车轮的工作，后 来在锯木厂干活。 卢瑟福的童年

3、生活是相当愉快的，但也是十分艰苦的。他有 5 个兄弟和 5个姐妹，当他们年龄稍大时，就要帮助父亲干活。尽管如此，农村那广阔 的田野，清新的空气，充满童趣的田园生活给孩子们带来了无尽的乐趣，使 卢瑟福从小养成了克服困难和富于幻想的性格。 卢瑟福 5 岁时，就在福克斯希尔村的一所小学里开始了他的学校生活。 这是一所很简陋的学校。卢瑟福因成绩优良常常受到老师们的称赞，他们都 认为卢瑟福是个很有发展前途的学生。他对周围发生的一切都感兴趣。但当 时他最感兴趣的两门课是拉丁文和古典文学。当时学校开设的自然科学课程 很薄弱。1 0 岁时，他得到一本科学教科书，这本书的作者是当时曼彻斯特大 学的物理学教授鲍尔

4、弗斯图亚特。卢瑟福在书上歪歪扭扭地签上了自己的 名字和年龄。 少年时期的卢瑟福就充满幻想和好奇心。据传说他曾经发明了一种可以 发射“远射程炮弹”的玩具大炮；他还巧妙地设想出增加“炮击”距离的方 法，从而显示出他那非凡的创造才能。还有一次，他拆开了一只报废的时钟， 大多数孩子都认为这只坏钟已经无法修理，只好报废。然而使他父亲感到非 常惊奇的是，坏钟不仅被修好了，而且以后一直走得很准。还有一次，卢瑟 福自制了一架照相机（这类东西在当时是高价商品），他自己冲洗显影，成 了一名入迷的摄影师。 在卢瑟福 1 1 岁时，他父亲举家迁到佩洛鲁斯海峡边上的哈夫洛夫。他进 入当地一所小学校继续读书。他的老师雷诺

5、兹先生。每天上午正式上课前， 总是为求知欲较强的学生另外安排 1 小时的课程，这对卢瑟福提高学习成绩 起了显著作用。1 5 岁时，他就得了奖学金。在总分 6 0 0 分的考试中，他一共 得了 5 8 0 分。于是，他进入了纳尔逊学院，被安置在五年级学习。当时的学校里，自然科学课程仅被列为选修课，而且许多男孩子都讨厌 这门课程。只有卢瑟福选了这门课，成为自然科学班里唯一的一名学生。这 件事引起了利特尔约翰院长的注意。此后，人们经常可以看到卢瑟福和利特 尔约翰先生沿着离学校不远的黑姆登大街，一边散步，一边讨论着某些科学 问题，并且还不时在地上画着图。 利特尔约翰博士本来是古典文学教员，但他设法自修

6、了化学和物理。卢 瑟福后来在科学上的伟大贡献，首先应归功于这位诲人不倦的教师。正是他 使卢瑟福真正懂得科学工作的重大意义，从而为他确立终生献身于科学研究 的志向，打下了牢固的基础。 卢瑟福还注意参加校内的各项活动。他常常去农场帮父母干活。 当卢瑟福在纳尔逊学院毕业时，他除了数学获得奖金外，还获得了历史、 英国文学、法语和拉丁语等学科奖金。 1 8 8 9 年，1 8 岁的卢瑟福参加了初级大学奖学金的考试。如果考上了，他 就可以进入新西兰，结果他考上了。当他母亲告诉他这一消息时，他正在菜 园里挖马铃薯。当他听明白了母亲的话时，就用力一挥，甩掉手中的铁锹， 缓慢而平静地说：“这也许就是我要挖的最后

7、一颗马铃薯吧！” 于是卢瑟福进入坎特伯雷学院学习。这个学院在 1 8 8 9年只有 1 5 0名学 生，7 名教师。卢瑟福学习认真，到 1 8 9 2 年，顺利通过了拉丁文、英文、数 学、机械学、法学和物理学等各门课程，取得了文学士学位。当时学理科课 程的学生也被授予文学学士学位。在数学方面，他还获得了高级大学奖学金。 他专心致志地学习，但也注意参加各项活动，他因身材高大，在足球队充当 前锋。他还积极参加辩证学会所组织的各种讨论会和辩论会。 因为卢瑟福获得了高级大学奖学金，他可以继续在学院里学习一年。他 刻苦钻研功课，第二年就获得了硕士学位。在物理学和数学这两门一直被认 为是他首屈一指的主要科

8、目方面，他还得了“两个第一”。他母亲兴奋地将 这一消息写信告诉了卢瑟福在福克斯希尔求学时的第一位校长。 卢瑟福决心在大学再学一年，再争取获得理科学士学位。想要取得这一 学位的学生，必须进行某些有独创性的科学研究。卢瑟福打算对科学家布兰 利的“粉末检波器”（一种检测赫兹波的仪器）进行改进。他自己动手，利 用最简单、最廉价的材料来制造所需要的仪器，他在一个“简陋、寒冷、四 面透风的水泥地板的地下室”里安置了一部赫兹波发生器，然后开始实验。 经过努力，他制成了一种更加灵敏的“检波器”。他的学位论文使用高频 放电法使铁磁化发表在新西兰协会会报上，许多国家的科学家都读到 了这篇论文，这位青年立即成了知名

9、人物之一。他取得了理科学博士学位。 他又对检波器进行改进，用它来检测远距离的无线电波。不久，他向实 验室工作人员和学生们验证了从天线发出电波并从远处检测电波的方法。他 在 6 0英尺的距离内发射了一份电报。这是越过新西兰上空的第一份无线电 报。 卢瑟福曾在一所中学里担任过短期的代课教员，但他并不是一个理想的 教员。他很快就了解到他在新西兰所进行的科学研究已经引起了社会上人们 的重视。 当时，很多青年向往到英国的牛津或剑桥这样的古老大学学习。有一种 “1 8 5 1 年奖学金”授予学习成绩特别出色、具有培养前途的学生，使他们能 够进入英国高等学府学习。1 8 9 5 年，新西兰大学推选了两名候选

10、人马克洛林和欧内斯特卢瑟福。两位主考人认为卢瑟福的研究论文表明他更有发 展前途，最后几经周折，卢瑟福成为奖学金的获得者。 在卢瑟福离开新西兰之前，他与一位名叫玛丽牛顿的姑娘非正式地订 了婚，一年之后，他们正式宣布订婚。 1 8 9 5年，卢瑟福离开新西兰，登上开往英国的轮船。为了去英国求学， 他不得不向人筹借旅费。他随身带着比克顿教授写的一封介绍信。信中写道： “卢瑟福先生才华横溢，通晓数学的分析法和图解法，对于电学及其绝对测 定法之最新成就具有极为广博的知识。卢瑟福先生为人诚恳，和蔼可亲，乐 于助人，凡与他有过交往的人莫不竭诚赞许，尊为良师益友。我们衷心地祝 愿他在英国的科学研究同他在新西兰

11、一样，取得非凡的成就。”二、在卡文迪许显露才华欧内斯特卢瑟福即将去从事科学研究的单位是当时著名的剑桥大学卡 文迪许实验室。这个实验室成立不过 2 4年，与卢瑟福同龄。它是在狄冯夏 尔卡文迪许公爵资助下建立起来的。当时的主任是因揭示物质结构的奥秘 而早已闻名的汤姆生博士。 开始时，人们对这位颇有名气的年轻人投入以极不信任的目光。有两位 大学职员，每次路过卢瑟福的房门时，总要吃吃地笑上几声。有一次，他们 在卢瑟福门前经过，卢瑟福请他们进去帮他解决工作中的一些困难。他的检 波器在房间里摆着，他们茫然地望着它，不知如何是好，因为他们从来就没 有见过这一类东西。他们这才感到自惭形秽。从此以后，他们再也不

12、来打扰 卢瑟福了。 卢瑟福初到剑桥大学时，仍然致力于赫兹波磁性检波器的研究。1 8 9 6 年，汤姆生在伦敦皇家协会上宣读了他与卢瑟福合写的一篇论文：通过高 频放电使电磁化以及关于短钢针效应的研究。论文论述了在离发射源半英 里的地方检测无线电波的方法。同时，无线电波也通过了剑桥市人口稠密的 地区，因而，卢瑟福就表明了无线电波不仅适用于农村广阔的空间，也适用 于大城市的繁华地区。 卢瑟福所使用的仪器都是他自己动手制成的。由此不难看出他作为一个 实验家的惊人技巧和耐力。 卢瑟福的发射机是由两个大金属片组成的，中间为金属棒，两端是相距 约半英寸的磨光铜钮。两个铜钮之间可使电火花通过。接收机设在大约半

13、英 里以外的地方，由两个各长 2 英尺的金属棒制成。连接它们的是缠成线圈的 优质金属丝，中间放置着一束极细（直径为 1毫米的 7 ）的磁化钢针。线 圈上附有一面与小磁体相连接的镜子。当信号到达时，电火花在铜钮之间通 过，钢针就暂时失去磁性，磁体也随之脱落，因此就使镜子发生偏转。卢瑟 福还成功地证明了这些信号也能通过砖、灰泥以及人体。这是应用科学中的 光辉成就。卢瑟福后来曾不无自豪感地指出，在马可尼着手进行无线电报的 实验之前（这些实验以后曾导致无线电和电视的发展），他就已经进行了在 半英里之外来检测从天线发出的信号的实验了。 不久，卢瑟福的研究兴趣从赫兹波的实验转向某些新的领域。很久以来， 汤

14、姆生就进行着通过稀薄气体放电的试验。当大部分气体已被抽出真空管 时，负电极（阴极）就发生奇怪的放电现象。这种放电起因于已知的阴极射线，即带负电的粒子，也就是现在所称的电子。汤姆生认为，既然磁场能使 这些射线发生偏转，它们就决不是一般含义所指的“射线”。他很快证明， 电子的重量大约是氢原子重量的 1 / 1 8 0 0 。 汤姆生在稀薄气体中输送电荷时，由于仪器变得很热而使电火花经常出 现，无法看清产生了什么，也无法得到前后一致的结果。X射线的出现彻底 改变了上述困难，它们使气体具有更强的导电性，从而使电荷在较低的电压 下通过气体成为可能。汤姆生建议卢瑟福从事 X射线及其对气体效应的研 究。 卢

15、瑟福立即投入了对 X 射线的研究。1 8 9 6 年秋天，在不列颠学会（人们 有时称它为“不列颠科学的议会”）上，汤姆生介绍了他与卢瑟福的研究成 果。他叙述了经过 X 射线照射后的气体中，电传导的研究工作。他们曾经发 现，这种气体在 X 射线消失之后，仍然保持一段时间的导电性。 卢瑟福试图鉴定铀所放射的射线，并要弄清，它们在某些情况下，是否 可能与从其他来源获得的射线有关。通过反复地试验他发现，铀放射出来的 射线是多种多样的，它们各以不同的方式受到磁力的作用，因此，有些明显 地带正电荷，有些带负电荷，有些则根本不带电荷。他用希腊文的头 3 个字 母分别给这几种射线取名，他把带正电荷的叫做射线，

16、把带负电荷的称为 射线，不带电荷的叫作射线。不久，实验证明，所谓射线，其实就是 X射线，因为它在活化即电离气体时，具有与从其他来源获得的 X射线相同 的效果。 卢瑟福的研究工作受到了汤姆生的热烈赞许，不久，也使整个科学界为 之轰动。 1 8 9 8 年，卢瑟福开始研究一项与 X 射线有关的问题。他发现锌板经过紫 外线的照射后，会放射出某些带电粒子（离子）。通过多次实验，他证明锌 所放射的离子全部带有负电荷，而这些离子正好与 X 射线穿过空气时所放射 的离子具有相同的活动方式。他还推算出离子在两片之间移动的精确速率。 卢瑟福的卓越成果使他跃居科学研究的前列。 卡文迪许实验室聚集了一批声名卓著的科学研究人员。他们常常在一起 热烈地争论现代物理学上的许多问题，有时在室主任房间举办茶会，各抒己 见。卢瑟福给人的印象是：体魄健壮，精力充沛，谦虚而友善。他经常不分 昼夜地工作着，决不满足于一知半解。 卢瑟福早期在剑桥度过的最后一些日子，主要用于鉴别铀所放射的各种 不同的射线。射线、射线和射线究竟是什么，一时尚未彻底弄清楚。 射线很容易被认为是 X