发现质子-中子-核裂变的“三部曲”——纪念卢瑟福原子核结构探索百年

发现质子-中子-核裂变的“三部曲”

——纪念卢瑟福原子核结构探索百年

赵继军

(北京市玉渊潭中学北京100038)

刘 婵刘树勇

(首都师范大学物理系北京100048)

摘 要：本文介绍了卢瑟福的生平，回顾了质子、中子和核裂变的发现历程.

关键词：卢瑟福质子中子核裂变

收稿日期：(2014-11-19)

2015年是世界反法西斯战争胜利70周年.在反法西斯战争期间，核能技术的发展受到了一些国家的重视，并大大促进了其发展，而且对战争的结束产生了积极的作用.在这个重要的日子到来之际，回顾人类探索原子核知识的历程具有重要意义.由此，会使我们更加深刻地认识到，基础科学的研究是多么的重要.100年前，卢瑟福在确立了原子的核式结构模型之后，他开始探索原子核的结构.利用α粒子散射的方法发现质子，从而揭开了原子核物理的新篇章.中子的发现则使人们进一步对原子核的结构产生了更加深入的认识，这还大大推动了对同位素和核反应的认识，以及核裂变现象的发现.正是这重要的三大步导致人类开始了核能开发的历程.

1卢瑟福的生平

欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford，1871～1937)出生在新西兰纳尔逊的泉林村(后改名净水村).父母都是来自英国的移民.卢瑟福15岁时，以优异成绩考入纳尔逊学院.在校期间，他成绩优秀，并且是纳尔逊学院唯一选修自然科学课的学生.

1889年，卢瑟福考取坎特伯雷学院.1893年，他的研究生论文获得数学和物理学两个学科的一等奖，并获文学硕士学位.需要特别指出的是，1891年，坎特伯雷学院成立科学学会后确定的第一个讨论题目就是 “元素的演变”，而这正是在卢瑟福的建议下提出的.这表明，卢瑟福很早就对微观世界的现象产生了兴趣.

1895年，卢瑟福有幸获得了奖学金，到英国剑桥大学的卡文迪什实验室攻读研究生.在英国著名物理学家J·J·汤姆孙(J.J.Thomson，1856～1940)的指导下，卢瑟福于1896年开始研究X射线对气体放电的影响，并发表了有关电离理论的著名论文.

1898年9月，在汤姆孙的举荐下，卢瑟福受聘于加拿大的麦吉尔大学.1900年夏天，卢瑟福回到故乡迎娶了玛丽·牛顿(Mary Newton).同年，化学家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy，1877～1956)来到麦吉尔大学，与卢瑟福合作研究镭和钍的放射性，并逐步认识到了原子的可分性.两年后，他们一同提出了放射性蜕变理论.1903年，索迪离开了麦吉尔大学，卢瑟福改同化学家博耳特伍德(R.B.Boltwood)合作.他们共同证明：铀的系列衰变终止于铅.这一发现被形象地称为“现代炼金术”.同年，卢瑟福被选为英国皇家学会会员.

1904年，卢瑟福的著作《放射学》问世. 1906年，他担任加拿大皇家学会物理部主任.1907年，他接受了来自曼彻斯特大学的聘任，离开麦吉尔大学重新回到英国.在麦吉尔大学的9年中，卢瑟福成就斐然，他使一个名不见经传的物理系成为世界驰名的实验研究单位.他还由于在该校的放射性研究工作而荣获了1908年的诺贝尔化学奖.

1908年，卢瑟福终于揭示了α粒子的本质.α粒子成为卢瑟福一生中核科学研究的“利器”，而他最重要的工作则是1910年建立的原子核式结构模型.

在曼彻斯特大学，卢瑟福除了教学研究工作之外，还要承担大量的行政工作.此外，在1909年，他还负责英国科学促进会第一分部的工作.在第一次世界大战期间，卢瑟福参加了军方有关反潜问题的研究.1919年，卢瑟福开展了α粒子散射实验，并发现了质子，完成了除放射性理论和核式原子模型之外的又一项重大发现.同年，由于汤姆孙改任剑桥大学三一学院院长，卢瑟福随即接任了卡文迪什实验室主任一职.正是在他的影响下，卡文迪什实验室的发展达到了一个高峰.

在卢瑟福的指导下，科克罗夫特(J.D.Cockcroft，1897～1967)和沃耳顿(E.T.S.Walton，1903～1995)于1932年用加速粒子实现了人工核蜕变(他们也因此获得了1951年的诺贝尔物理学奖).这也打消了卢瑟福对量子力学的排斥，并变成了一位坚定的笃信者.与此同时，詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick，1891～1974)从实验上论证了中子的存在，这大致是符合卢瑟福预言的.不久之后，诺曼·菲舍(Norman Fischer)证明了中子能引起核蜕变.1934年，卢瑟福同奥利芬特(M.L.Oliphant)和哈特克(Harteck)用氘核轰击氘核，首次实现了人工核聚变反应.

从1925年至1930年，卢瑟福担任英国皇家学会主席.1937年，他出版了他的最后一部著作——《当代炼金术》.同年10月19日，卢瑟福逝世，他的遗体被安葬在伦敦威斯敏斯特教堂牛顿墓旁.卢瑟福在英国物理学史上的崇高地位，堪与伟大的科学家牛顿、法拉第和麦克斯韦并列.

2α粒子的研究

在麦吉尔大学，卢瑟福很快就确定了β射线就是电子流，但α粒子却是个困难得多的课题.在卢瑟福的指导下，在对钍的放射性研究中，欧文斯(D.B.Owens)发现一种新的“射气”.卢瑟福称这种“射气”为“钍射气”.在另一位助手布鲁克(H.L.Brook)的协助下，卢瑟福用镭进行“射气”研究.到1901年时，卢瑟福确定“钍射气”是与氦有关联的气体.1903年，他利用α粒子在磁场和电场中的偏转确定α粒子带正电荷，但荷质比的测量值还不精确.

在曼彻斯特大学，1908年，卢瑟福在获得足够的镭后，开始对α粒子进行研究.在汉斯·盖革(Hans Geiger，1882～1945，德国人)的协助下，卢瑟福提出了计算由镭放射出α粒子的方法.利用该方法，他们计算出一毫克镭每秒能发射出136 000个α粒子[1].进而，卢瑟福证明，α粒子的电荷数是氢离子电荷数的两倍，也即证实α粒子是带电的氦原子核.为了获得直接的证据，熟练的玻璃工奥托·鲍姆巴赫帮助卢瑟福造出了薄壁玻璃管，它能使高速运动的α粒子透射而出却又不漏气.

在这个管子中充入“射气”后，再把它置于厚壁大玻璃管内，“射气”衰变并放出的α粒子就会按时透射出来，进入两管之间的空隙；当罗伊兹使空隙中的物质放出火花时，他们看见了氦的光谱.这样，α粒子之谜终于被卢瑟福揭开了.

接着(1909年)，卢瑟福指导厄恩斯特·马斯登(Ernst Marsden，1889～1945)寻找大角度α粒子散射的实验.这时，盖革探讨的小角度散射可以用当时流行的“葡萄干布丁”原子模型的多次散射理论解释得通.但是，盖革和马斯登发现的大角度散射却超出了多次散射理论的预言.1910年底，卢瑟福把这些事实与新的原子模型和散射理论联系起来，认为原子内部大部分空间是虚空的，原子中心有一个体积很小而密度很大的带电核，相反的电荷分布在周围空间.据此模型，卢瑟福计算出α粒子一次散射到一个给定角度的几率，与盖革和马斯登的实验结果吻合.遗憾的是，卢瑟福的革命性原子结构理论却被当时的科学界忽视了.直到1911年，卢瑟福的学生、丹麦物理学家尼耳斯·玻尔(Niels Bohr，1885～1962)接受了核式模型理论，并于1913年将量子观点引入卢瑟福的核式模型，建立了新的氢原子结构模型，才使卢瑟福的核式模型逐渐受到重视.

3质子的发现

卢瑟福对α粒子的研究和原子核式结构模型的建立，为质子的发现创造了必要的条件.根据原子的核式结构模型可知，当α粒子与轻原子切近碰撞时，会使整个原子核高速运动起来[2].经过理论计算，当α粒子与氢原子正碰之后，氢原子的速度会变为碰前α粒子速度的1.6倍，并且，氢原子的射程约为α粒子的4倍.1914年，这些计算结果都被马斯登利用闪烁法通过实验给予了证实.此外，马斯登在研究α粒子通过空气和金箔减速和吸收的实验时，在荧光屏上发现了氢闪烁(像氢原子产生的一样)数目过大的反常现象.在排除了各种可能的影响因素之后，马斯登认为，过多的氢闪烁可能是由放射性物质本身产生的.遗憾的是，1915年马斯登由于要赴新西兰任教，因而不得不中断了他的研究工作.

卢瑟福在获悉马斯登的实验结果之后，充分认识到了它的重大意义，在写信征得马斯登本人的同意后，接手了马斯登中断的研究工作.为了确定氢闪烁的真正来源，卢瑟福重复了马斯登的实验，看到了马斯登所观察到的实验现象.并且，注意到α射线源与荧光屏之间充入的空气越多，闪烁数不但不会减少，反而会增加.为了弄清楚这个奇怪的现象，卢瑟福通过充入干燥的空气，排除了水蒸气造成影响的可能性.通过改用氧气或二氧化碳，又排除了这两种气体造成影响的可能性.因此，这一奇怪现象只能归因于氮气或空气中其他气体.最终，在充入人工制备的氮气之后，发现闪烁数目成倍的增加，进而确定了这一异常现象确实是由氮气所引起的.在此需要特别指出的是，1917年11月的实验中，卢瑟福实际上是用α粒子打破了氮原子核，在科学史上首次实现了人工核蜕变，并最终导致了质子的发现.

尽管卢瑟福已经知道氢闪烁是由α粒子轰击氮核造成的，但他还无法确定射出粒子的本质到底是什么.经过对氢闪烁射程和亮度的分析，卢瑟福认为从氮核射出的粒子非常像氢原子.为了揭开氢闪烁的神秘面纱，卢瑟福做了磁偏转实验.由α粒子轰击氮原子核所打出的粒子通过磁场时，发生了偏转，经分析这种粒子带正电；又由于粒子径迹曲线与氢原子的相同，进而证明它就是氢核.由此得出结论，α粒子轰击氮核时，从氮核中打出了氢核.由实验结果可知，氢核应该是组成原子核的基本成份之一.

1920年夏，在卡迪夫举行的不列颠学会会议上，卢瑟福正式建议把“氢核”命名为“质子”.为了证实质子在原子核中存在的普遍性，1921年初，卢瑟福和他的学生查德威克用α粒子轰击了硼、氟、铝、磷等，都打出了质子.1924年同为卡文迪什实验室的布莱凯特(Lord P.W.S.Blackett，1897～1974)改进了威尔逊云室，显示出α粒子撞击氮原子的径迹，从拍射的2 300张照片记录的40万根径迹中发现了8条从氮原子核释放出来的质子轨迹.从而进一步证实了α粒子轰击氮原子能产生质子这一结论.

4中子的发现

到19世纪末，由于对物质放射性的认识和电子的发现，使人们对原子的认识更加深入了，进而对元素，以及元素与元素之间的关系也认识得更完整了.卢瑟福和索迪的研究工作大大推进了对元素的认识.他们在分析众多的放射性元素时，索迪提出了“同位素”的概念，卢瑟福经过分析也弄清楚了“原子序数”的本质.所谓“原子序数”就是原子核中的质子数.从卢瑟福的“核式”模型来看，将一个原子核内全部质子的质量从原子核的总质量中减去，所剩下的质量并非很小的量.为此，卢瑟福猜测，在原子核内一定存在着未知的粒子，它们有可能是不带电的粒子.具体来说，可能会存在两种情况.一种情况是，原子核内会存在一种不带电的粒子；另一种情况是，原子核内有两种粒子，还可能是两种已知的粒子，如质子和电子，它们构成一种不带电的“复合”粒子.例如，一种元素的原子量是A，原子序数(即质子数)是Z，卢瑟福猜想，在原子核内还应有A-Z个电子，它与A-Z个质子“复合”成新的中性粒子.这也可以显示原子是不带电的.

在卢瑟福提出他的“猜想”之后，他与学生去寻找原子核内的未知粒子，但未果.

20世纪20年代，德国研究人员玻特(W.Bothe，1891～1957)和贝克尔(H.Becker)用从钋源中得到α粒子轰击铍靶；α粒子打中铍靶后，使铍产生了很强的辐射，并且是电中性的.不久，法国的约里奥-居里夫妇(Joliot-Curies，即老居里夫妇的女儿和女婿)也重复了这个实验.不过，他们略微进行了改进.他们在铍靶后面放了一块石蜡板.结果，他们发现，所产生的辐射更强了.约里奥-居里夫妇仔细测量之后，石蜡板后面的粒子是质子流.他们也认为，α粒子打击铍靶，所打出的是辐射(即γ光子流).

他们的结果发表后，引起了卡文迪什实验室查德威克的注意.

查德威克很熟悉卢瑟福关于原子核内存在中性粒子的看法.当他看到约里奥-居里夫妇的实验结果时，他感觉有一些问题.查德威克认为，从铍靶打出的粒子不会是γ光子流，因为γ光子的静止质量为零，它们没有那么大的动量，不可能再从石蜡板中打出质子.能从石蜡板中打出质子的粒子很可能是卢瑟福曾经预言的(原子核内的)“中性粒子”.卢瑟福听了查德威克的分析之后，觉得有道理.

查德威克的实验很快就完成了，果然，α粒子打击铍靶打出的就是一种中性粒子，而且就是卢瑟福曾经预言的那种中性粒子(查德威克命名为中子).中子的质量与质子的质量差不多，当中子打到质子时，中子就能把质子“置换”出去.

由此可见，质子就像静止在石蜡板中的被撞者，当中子撞击它时，中子就取代质子的位置，静止在原来质子的位置上，而质子则被打了出来.所以，查德威克前面研究人员的分析都是错误的，α粒子打击铍靶产生的并不是强辐射(即光子流).特别是约里奥-居里夫妇认为，强光辐射把石蜡板中的质子打出来，这种看法是有问题的.

查德威克的发现不仅验证了卢瑟福关于原子核成分的猜测，而且大大丰富了人类对原子结构的认识.

5核裂变的发现

1934年，当约里奥-居里夫妇利用α粒子轰击铝箔时，获得了具有放射性的磷，首先开辟了人工制造放射性元素的途经.这一重大发现随即引起了科学界的极大关注，这其中就包括意大利物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi，1901～1954).费米通过对约里奥-居里夫妇实验的分析，另辟蹊径，想到利用中子替代α粒子作为“炮弹”轰击原子核，用于产生人工放射性元素.他认为，由于中子不带电，不会与靶核的质子相互排斥，与电子也没有库仑作用，更易于接近原子核，与靶核碰撞的机会要比带电的α粒子或质子更大.

1934年3月，费米带领他的研究小组利用钋加铍制备中子源，但这种中子源太弱.为此，他们改用氡加铍，制备成功了符合实验需要的中子源.利用这个中子源，费米小组按照原子序数的顺序轰击了当时已发现的所有核素.当轰击到氟时，即得到了人工放射性元素，相应研究成果发表在意大利的《科学研究》杂志上.随着实验的进展，他们发现了一系列具有放射性的元素，最后他们终于轰击到了铀核，铀核是当时已知的最重的原子核.经过化学分析，他们发现，中子轰击铀核得到的产物不同于以往轰击其他原子核会产生小于或等于靶元素原子序数产物的情况，因为他们分析得出这种产物并不属于从原子序数为第82号的铅到第92号的铀之间的任何元素.这实际上是中子轰击重原子核产生核裂变的最早证据.但在当时，费米小组的研究人员并没有想到中子轰击重核会使后者分裂成几块碎片.他们认为，这种产物可能是轰击铀后，所得铀的同位素再经过β衰变后产生的第93号新元素，即超铀元素.对这个结论，费米没有多大把握，还不敢肯定所发现的是“超铀元素”.直至1938年，他们也没完全弄清楚第93号元素.尽管如此，他们还是审慎地宣布，他们可能得到了第93号新元素.从后来的发展看，他们也就错失了首先发现核裂变现象的机会.

费米小组的研究吸引了不少科学家的注意.对于费米小组得到超铀元素的结论，德国女化学家艾达·诺达克(Ida Eva Tacke Noddack)发表了独特的观点.她与她的丈夫正在研究第43号元素和第75号元素，而且夫妇二人共同发现了第75号元素(为纪念艾达的出生地，把第75号元素命名为“铼”).她认为，利用中子轰击铀核后，铀核会分裂成几块碎片，它们应是已知元素的同位素，并不是铀的相邻元素[3].可惜的是，艾达·诺达克并没有通过实验来验证自己的看法.因此，她的意见并没有引起包括费米小组在内的科学家的重视.此外，根据以往的经验，已知的核反应(即原子核经过α衰变和β衰变)产生的新核与原核相差不过几个质子或中子，重核不可能分裂成几个中等核，因此，许多人认为艾达·诺达克的想法非常“荒谬”.

除了诺达克，奥地利物理学家莉斯·迈特纳(Lise Maitner，1878～1968，中国核物理学家王淦昌的老师)也在密切关注费米小组的研究进展.1934年，在获悉费米小组的研究后，身在柏林的迈特纳对此产生了浓厚的兴趣，随即说服德国化学家奥托·哈恩(Otto Hahn，1879～1968)一同投入寻找“超铀元素”的研究，1935年，德国化学家弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassmann，1902～)也加入了他们的小组.迈特纳小组分工明确，迈特纳负责实验设计和确定反应机制，哈恩和斯特拉斯曼负责化学分析.为了验证费米小组的结论，他们先是重复了费米小组的实验，认同了费米小组的结论(但他们也错了).为了获得原子序数更高的超铀元素，迈特纳小组利用他们化学分析方面的优势，进一步对中子轰击铀核的实验研究.

1936年，在一次实验中，斯特拉斯曼观察到，在产物中出现了第56号元素钡.然而，迈特纳却不相信.因为根据当时的经验，第92号元素铀核经中子轰击后只能产生铀的邻近元素，不可能出现原子序数远小于第92号的其他元素，这个重要发现就这样被人为忽略了.

1938年7月，为了躲避德国纳粹的迫害，身为犹太人的迈特纳不得不逃离德国，先到荷兰，后又取道丹麦，来到了瑞典.尽管离开了德国，迈特纳仍然同哈恩和斯特拉斯曼保持着联系.1938年10月，哈恩写信给迈特纳，告诉她在实验产物中发现了第88号元素镭.对此，迈特纳不相信产物中会有镭，她认为一个慢中子轰击铀核，铀核不可能发射出两个α粒子而形成镭.为此，她在回信中告诫他们要仔细分析实验产物.

在迈特纳的建议下，哈恩和斯特拉斯曼对实验产物重新进行了检验，否定了先前产物中含镭的结论，确定这应该是第56号元素钡.哈恩对此更加大惑不解，为什么在产物中会含有钡呢？为此他急切期望迈特纳在理论上的合理解释.

1938年12月，哈恩写信给迈特纳，详细介绍了实验中的细节.这也同样令迈特纳十分困惑.此时圣诞节临近，迈特纳的外甥弗里施(O.R.Frisch)正好从丹麦来瑞典看望她.弗里施看到了哈恩的来信，二人对这个问题进行深入探讨.为此他们联想到玻尔的“液滴模型”.如果原子核被看成一个带电液滴，核子由于核力被束缚在一起，重核中质子间的库仑力几乎可与核力相抗衡，因此俘获中子后的铀核是不稳定的，会分裂成两块大致相等的核.通过进一步分析，迈特纳指出哈恩和斯特拉斯曼的反应产物中除了第56号元素钡外，还应有第36号元素氪.迈特纳还根据爱因斯坦的质能方程，利用核分裂前后的质量亏损计算出了该反应释放出的能量约为200 MeV.迈特纳和弗里施从物理学的角度给出了圆满解释.为了检验他们的理论解释正确与否，弗里施回到丹麦后迅速开展实验工作，最终观测到了核反应过程中所释放出的巨大能量，为他们的解释提供了有力的佐证.

1939年1月，哈恩和斯特拉斯曼将他们的研究成果发表在了《自然科学》杂志上，但其中仍有使他们困惑的东西.不久之后，迈特纳和弗里施也将他们的理论研究成果发表在了《自然》杂志上.由于中子轰击铀核发生分裂的过程同生物学中的细胞分裂非常相似，弗里施将这一新型核反应过程形象地称为核裂变[4].核裂变现象的发现标志着原子能时代的到来，为人类利用核能开辟了道路，是科学发展史上的一个重要里程碑.令人遗憾的是，1944年诺贝尔化学奖只授予了哈恩，而为核裂变理论的确立做出重要贡献的迈特纳却未能分享这一殊荣.

6结语

在发现质子和中子的过程中，卢瑟福的贡献是非凡的.正是卢瑟福的工作，使人们开始关注原子核的结构.而α粒子成为卢瑟福最早研究原子的“利器”，在发现质子的过程中发挥了重要的作用，使卢瑟福能以简单的实验设备完成一次伟大的发现.也正是卢瑟福超凡的洞察力，使他抓住机会，继续了马斯登中断的实验，为发现质子创造了可能.而且，卢瑟福善于抓住实验本质并坚持不懈，使他能够抓住怪异的“长程闪烁”现象进行追究.最后，卢瑟福对实验精确性的孜孜以求最终使得质子“水落石出”.质子发现之后，卢瑟福继续实验来证明质子的普遍性；并且不懈地推广“质子”的名称.此外，由于卢瑟福关于“中性粒子”的猜测，对查德威克产生影响，使查德威克在德国和法国科学家的实验基础上发现了中子.由此可见，人们在观察和实验时自觉或不自觉地渗透着实验者脑中的理论(指导).

在核裂变的发现过程中，哈恩和迈特纳的研究工作历经曲折，特别是费米小组寻找“超铀元素”的工作，给出了一些“误导”的信号.但在经过艰苦的探索和失败，他们终于走上了坦途.

当然，费米小组错失对核裂变现象发现的原因很多，其中一条就是由于他们束缚于此前利用中子轰击其他元素得到原子序数小于或等于靶元素的经验，导致他们对产物的化学分析仅局限于铀的邻近元素.这再次说明：人们在实验中自觉或不自觉地受到实验者脑中的理论的“指导”.

从这些发现的过程可以看出，卢瑟福非凡的洞察力是不言而喻的，但艰苦的工作仍是必不可少的.而迈特纳研究的曲折，更说明，研究是在黑暗中摸索着前进.另外，约里奥-居里夫妇为中子的发现所作的实验工作也是至关重要的.

在发现质子的历程中，卢瑟福不仅设计了巧妙的实验装置，而且还每每躬亲实验，完全没有成名后的傲气和浮躁.卢瑟福能在繁琐的事务和战时军事研究的繁忙工作之中坚持不懈，难能可贵！这的确是今天的科技工作者所应仿效的！

参 考 文 献

1王晓义，李欣欣.从α粒子的发现到散射实验——纪念α粒子散射实验100周年.物理教学，2010(1):2～3

2王晓义，刘树勇.纪念质子发现90周年——卢瑟福和他对质子发现的突出贡献.物理教师，2009(9):42～44

3何泽慧，顾以藩.原子核裂变的发现：历史与教训——纪念原子核裂变现象发现60周年.物理，1999(1):6～14

4黄纪华.丽丝·迈特纳——核科学中的杰出女先驱.自然辩证法通讯，1991(6):60～67