卢瑟福对现代科学的贡献，本文主要内容关键词为：卢瑟福论文,贡献论文,科学论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
在进入21世纪的时候，当我们回眸20世纪，不能不看到：20世纪以来，整个自然科学的发展，基本上是从两位伟大科学家的奠基工作展开的。他们从科学的“两极”展开划时代的开拓工作。一个从宏观的宇宙着眼，探索时间、空间、物质和运动的内在联系，从科学理论上阐述并论证了相对性时空的观念，从而提出了相对论，这就是“宇宙学大师”爱因斯坦。另一个则从微观的原子着眼，探索物质组成及其内在机制的奥秘，从而发现原子有核结构和人工打破原子核，实现元素的人工转变，从科学实验上论证并阐述了新的物质观和科学观，这就是被誉为“微观宇宙之王”的卢瑟福。由于他们从科学的“两极”进行根本性的突破，现代自然科学在二者的“共通”或对立与统一的关系之中，出现了现代科学革命，并迅速发展起来。然而，我国公众对于后者的了解远远不如前者：对于爱因斯坦及其贡献早已家喻户晓，而对于卢瑟福及其贡献却知之不多。为此，本文就卢瑟福对现代科学的贡献作一简要阐述。
1 卢瑟福的生平
欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）1871年8月31日出生于新西兰的一个偏辟乡村。其父是一个诚实而正直的农民和手工业工匠，其母是一位乡村教师。卢瑟福自幼受到母亲的良好教育和影响，中学阶段在纳尔逊学院表现出是最拔尖的学生，在坎特伯雷学院的4年大学生活中，数学教授库克和化学、物理教授毕克顿对他的学习和后来的发展影响很大，引导他走上了科学研究的道路。1895年卢瑟福有幸获得新西兰唯一的“大博览会奖学金”名额赴英国剑桥大学师从J·J·汤姆孙读研究生，先在无线电通讯方面崭露头角，后又沿着气体导电——放射性——原子物理——核物理的顺序作出一系列划时代的重大发现。他一生的工作主要可分为加拿大的麦克吉尔大学时期（1898～1907）、英国曼彻斯特大学时期（1907～1919）和英国剑桥大学卡文迪什实验室时期（1919～1937）。1908年卢瑟福由于研究放射性物质及对原子科学的杰出贡献荣获诺贝尔化学奖，1925年当选为英国皇家学会主席，1930年被英国女王封为勋爵，1937年10月19日在英国不幸去世。
2 对原子与原子核科学的贡献
2.1创立“原子嬗变理论”
卢瑟福遵照其导师J·J·汤姆孙的建议，进入放射性元素的研究领域。在实验中他首先发现了铀的两种射线，并将其分别命名为α射线和β射线；不久，他又发现这两种射线都是带电的粒子构成的，α粒子带正电荷，其质量与原子的质量属于同一数量级。他还发现钍在放射性过程中产生的一种气体，并把这种气体命名为“钍射气”。后来经实验证实“钍射气”就是氦气。他和他的助手还证实了镭射气是一种放射性气体，其分子量比氢气的分子量大几十倍。后来经实验证实了这种气体是放射性氡。1903年，卢瑟福发表了题为《放射性变化》的学术论文，提出了“原子嬗变理论”。这个理论明确指出，放射性元素的原子在放射性过程中依一定规律不断分裂，转变为其他元素的原子，放射性过程是元素的嬗变过程，即一种元素转化为他种元素的过程。在这之后，卢瑟福及其学生又做了一系列实验，对“原子嬗变理论”进行验证。1904年，他和他的学生在实验中发现，铀在放射性过程中发生一系列嬗变，最后生成没有放射性的铅。1908年，卢瑟福和他的学生盖革在实验室里观察到了镭放射出的单个的α粒子，这是人类首次观察到单个的原子。卢瑟福还通过实验证实了α粒子就是失去负电荷的氦原子。这些科学成就当时曾轰动世界，被人们称为“现代炼金术”。
2.2发现原子核，建立原子模型
“原子嬗变理论”的创立，只是卢瑟福一生科学事业的开端。他的最主要的贡献是发现并证实了原子核的存在，建立了原子的有核模型。
1897年，J·J·汤姆孙发现了电子，其后，汤姆孙提出了“葡萄干—布丁模型”，认为电子是原子的基本单位，正电均匀分布在原子内，电子则由于与其他电子相排斥与正电体相吸引而处于原子内的平衡位置。这一模型缺乏实验根据。
为了探索原子的秘密，卢瑟福及其学生做了用高能α粒子束穿透金箔的实验。实验表明，α粒子束在通过金箔时；绝大多数都保持原来的运动方向，没有受到阻挡，“如入无人之境”。这表明原子内部存在着相当大的空旷空间。但是，实验还表明，约有八千分之一的α粒子通过金箔时改变了原来的运动方向，发生明显的偏转，个别的α粒子甚至被反弹回来。很明显，原子中一定存在着体积极小但集中了全部的正电荷的“核”，α粒子束通过金箔时，有极少数碰上了这个“核”，受到正电斥力的作用发生了散射；而绝大多数则没有碰上这个“核，顺利地按原来的运动方向通过了金箔。通过反复的实验观测和对实验数据的理论计算，一幅真实的原子图景在卢瑟福的脑海里出现了：在原子的中心，有一个带正电荷的核，其半径约为3×10[－13]cm，它差不多集中了原子的全部质量；原子中的电子则围绕这个核以极高的速度旋转，轨道半径为10[－8]cm左右。卢瑟福把这个带正电荷的核命名为“原子核”。这就是卢瑟福根据α粒子散射实验于1911年提出的原子有核模型。1913年，卢瑟福的学生玻尔（Bohr，1885～1962）把量子理论引入这个模型，从理论上解释了原子的稳定性和原子线光谱。科学界把这个经玻尔进一步完善了的原子模型称为“卢瑟福—玻尔模型。”
自从发现了原子核以后，人类对物质世界的认识便进入了一个新的层次——原子核层次。
2.3首次实现人工核反应
继发现原子核之后，卢瑟福于1919年在科学史上第一次实现了元素的人工嬗变，即用人工方法实现了核反应。他在实验室里用α粒子作“炮弹”轰击氮，结果从氮原子核中击出了氢原子，生成了氧的同位素[17][,8]O。卢瑟福用下列核反应表述了这个核反应过程。
[14][,7]N＋[4][,2]He→[17][,8]O＋[2][,1]H此后，卢瑟福和他的学生用α粒子轰击了元素周期表上从硼到钾的所有元素，成功地使这些元素发生相应的核反应（碳和氧除外），释放出一个氢原子核，同时转化为元素周期表上的下一位元素。
这是人类利用原子能的先导，它宣告了新的时代——原子能时代即将来临。卢瑟福是这个新的原子能时代的第一位奠基人。这一伟大科学成就的意义还在于，它为物理学开辟了一个全新的研究领域——原子核物理学领域。科学界公认卢瑟福是“原子核物理学之父”。
2.4命名质子，预言中子
作为原子核物理领域的开创者和带头人，卢瑟福和他的助手及学生一起继续进行艰辛的探索，并取得了新的成就。他成功地证明了氢的原子核是其他所有元素的原子核的组成部分。建议把氢的原子核命名为“质子”。这一建议被科学界采纳，并一直沿用到今天。
1920年，卢瑟福预言组成原子核的另一个重要成员——中子的存在，并相当详细地描述了中子的特性。“中子”这个概念也是卢瑟福确定的。在卢瑟福的指导下，他的学生查德威克于1932年用α粒子轰击了金属铍，释放出一种质量与质子相同但不带电荷的粒子，这就是中子。这一发现使卢瑟福12年前的预言在大部分细节上得到证实。查德威克因这一发现获得了诺贝尔物理学奖。至此，人们终于弄清楚了，原子核是由质子和中子组成的。质子和中子的发现对于建立原子核结构理论具有关键性的意义。
3 培养优秀人才的贡献
科学研究的前提条件是人才，得天下英才而教育培养之，是卢瑟福高等教育观的重要内容。他认为科学没有国界，主张实行有教无类。他在蒙特利尔、曼彻斯特和剑桥领导的研究组织，一方面与有关国家的物理学家、数学家和化学家保持广泛的联系和合作，另一方面又着眼世界，打破国家、种族和信仰的界限，广泛招收和培养优秀的青年科学人才。奥立芬特是来自澳大利亚的研究生，他曾颇有感触地说：“卢瑟福一直同情从大英帝国自治领地来的学生。他在曼彻斯特和剑桥的实验室是有幸出国学习的那些海外学生的麦加”，“况且，他是一个真正的国际主义者，随时相信不论是否是本地的、各色人种的和不同信仰的工作人员的成就。”卡皮查是在英、法、日、美联盟对新的苏维埃进行武装干涉战争刚刚结束的1921年来到卡文迪什实验室的。因为卡皮查是位聪明能干的电气工程师，有将工程和科学紧密结合的才能，受到了卢瑟福的器重。卢瑟福与其助手哈恩和盖革的友谊并未受到英德战争的干扰，持续终生。他对中国和日本的留学生一视同仁，十分关心和培养。据统计他的学生来自十多个国家，由于他直接培养并沿着他指导的研究方向进行研究而获诺贝尔奖的达11人之多。这在诺贝尔奖史上是空前的。此外，由于他的影响和间接作用而获诺贝尔奖的，还有几个人。获诺贝尔奖的有他在蒙特利尔的麦克吉尔大学时的助手索迪（1921年）和哈恩（1944年），在曼彻斯特大学时的玻尔（1922年）和海威西（1943年），在剑桥大学时的查德威克（1935年）、阿普顿（1947年）、布莱克特（1948年）、考克饶夫和瓦尔顿（1951年）、鲍威尔（1950年）、卡皮查（1978年）。被认为如果不过早去世必定获诺贝尔奖的，有莫斯莱。与他的作用有关而在后来获诺贝尔奖的，有阿斯顿（1922年）、狄拉克（1933年）和贝特（1976年）等。
他的学生卡皮查后来指出：“众所周知，卢瑟福不仅是一个伟大的科学家，而且是一个伟大的教师。我能记起除去卢瑟福之外，没有一个当代科学家在他的实验室中培养出这样多的卓越物理学家。科学史告诉我们，一个卓越的科学家不一定是一个伟人，但一个伟大的教师必定是一个伟人。”的确，卢瑟福作为一个伟大科学家和伟大教师光辉形象的人，吸引了来自世界各国的大量优秀青年科学家到他的周围。在他的实验室里，犹如一个和睦的国际性的大家庭，为了共同的目标——科学发现，齐心协力，世界一流的研究成果泉涌般地展示在各国科学家面前。他在曼彻斯特和剑桥的实验室，被公认为培养优秀青年科学家的“苗圃”和世界物理学家的圣地——“麦加”。
卢瑟福的实验室，有来自世界各地的青年科学家和访问学者，其中包括我国的科学家颜任光、赵忠尧、霍秉权、李国鼎、张文裕和周长宁，苏联的卡皮查和伽莫夫，德国的哈恩、盖革和海森伯，日本的长岗、清水，丹麦的玻尔，美国的密立根和奥本海默，加拿大的刘易斯等，既有从事核物理研究，也允许研究强电磁场、低温物理和大气电现象等。卢瑟福主张：“应给大学以自由，以便尽可能发展它们自己的研究路线，并鼓励它们培养青年研究人员”，“我们只能用竭力保证真正有才能的科学工作者们继续进行路线的方法，在进行这种将来的发现中，起我们的作用。这种工作路线应当显示出有对现有知识做出重要增长的希望。”
为了营造自由探究的学术气氛，卢瑟福继承了卡文迪什实验室的每天下午的茶时漫谈会的形式，并将此发扬光大。每天下午四时为实验室“茶时”休息时间，人们不分职务和级别，随意参加，上自天文下至地理，形势新闻无所不谈，当然也谈论起各人的实验和研究情况。这时是讨论物理问题最活跃的时刻，常常在谈论中产生出许多重要的物理思想和观念。不少新的观念在这里迸发，很多疑难此时摊开，它被认为是实验室一天中最美好的时光。正如英国大文豪萧伯纳所言：“如果你有一个苹果，我有一个苹果，彼此交换，那么，每人还是一个苹果；如果你有一个思想，我有一个思想，彼此交换，我们每个人就有了两个思想，甚至多于两个思想。”学识和见解需要互相启发，问题和疑难有待共同探讨，兴趣和爱好可以互相激励。在讨论中，一个人的独创见解可能打开很多人的眼界，某人走过的弯路又可能成为他人的借鉴。盖革曾在一篇回忆文章中写道：“在二楼还有一个欢乐的屋子，我们在午后为了喝一杯茶水全来相聚，那大概是卢瑟福对于他的年轻的学生和同事的最大恩赐，他每天照例地在这个愉快的休息时间出席，以他活跃的情绪讨论物理上的新旧问题，或者帮助我们解决实验上的困难，重新给我们以自信心，他乐于献出他的一切礼品，常常涉及他最近成功和发现的细节。他甚至要我们一起到他的研究实验室，并向我们演示他自己在同一天第一次看到的某种东西。”卢瑟福正是在这种宽松气氛中向实验室的成员提出原子核的想法和命名质子的。
科学的生命力在于创新。卢瑟福认为，他的实验室“应当是一个用起源性的研究获得新知识的中心，一个活跃的中心。”他教育助手和研究人员“不要羡慕或忌嫉别人的地位和工作”，而要依靠自己的切实努力去做出成绩。正如一位科学家所说：“在剑桥你得不到诺贝尔奖就是失败了。”
4 结束语
卢瑟福数十年如一日勤奋好学，刻若钻研，把自己的一生献给了人类的科学事业。他一生中的大部分工作时间是在实验室里渡过的。他心地坦诚，热情无私。在他的学生和助手中，有十多人荣获诺贝尔奖，卢瑟福是20世纪培养诺贝尔奖获得者最多的科学家。正因为如此，新西兰教育部长鲍伊斯称卢瑟福是“现代科学之父”。
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