Ernest Rutherford Biography
Kathy老师讲述的有趣科学历史

01 欧内斯特·卢瑟福

一、背景介绍

欧内斯特·卢瑟福因其通过金箔实验发现了原子核而闻名于世。实际上他的工作远多于此，甚至在他发现原子核之前就发现了几种不同形式的发射性、发现化学元素可以衰变成其它元素，找到新的放射性元素，发现放射半衰期。并利用这种方法计算出地球的年龄，比起人们原来猜想地球存在的时间多出了几十亿年。神奇的是他所做出的这些发现居然都是依靠类似锡罐头盒与香烟盒等等简易工具完成的。
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卢瑟福出生于丹麦新西兰岛，童年比较贫困。他是如何一步步成长为一位极具人格魅力、在科学界有很大影响力以及拥有众多科研成果人的呢？让我们听 Kathy 老师讲讲其中有趣的故事吧。
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▲ 图1.1.1 卢瑟福发现不同种类的放射性

▲ 图1.1.1 卢瑟福发现不同种类的放射性

二、幸运的奖学金

欧内斯特·卢瑟福的人生改变发生在1895年7月份。一位名叫 JC·麦克拉伦的人结婚了。他与卢瑟福有什么关系呢？原来麦克拉伦刚刚获得了一份奖学金，可以资助他外出访学。但婚期将这次访学耽搁了，因此这笔奖学金只好资助其他人了。当年卢瑟福24岁，据说他听说了这个消息时正在地里挖土豆，高兴地将铲子扔在了地上，高声喊道：“这是我今生今世所挖出的最后一个土豆了。”
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▲ 图1.1.2 年轻时期的欧内斯特· 卢瑟福

▲ 图1.1.2 年轻时期的欧内斯特· 卢瑟福

欧内斯特· 卢瑟福在1871年出生在丹麦的新西兰地区。在家里12个孩子中年龄排第四。他的父亲是一位贫穷的农民和学校英语老师。卢瑟福在学校里学习优异，来自于农村的他身体特别结实。喜欢英式橄榄球以及钓鱼。他的母亲认为知识就是力量，卢瑟福则认为：我们没有足够的钱，所以我们必须勤奋思考。
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▲ 图1.1.3 幼年时期的卢瑟福

▲ 图1.1.3 幼年时期的卢瑟福

虽然卢瑟福家庭贫困，但在上学期间荣获过多次奖学金。在奖学金支持下卢瑟福获得了科学与数学方面的学士与硕士学位。毕业后他没有成为工程师。当时在新西兰地区只有126位注册工程师。他想在学校教书，但没有成功。有学生回忆道：“他成为学校老师几乎不可能，他管理的班级充满着混乱。” 他让班上调皮捣蛋的孩子在教室外罚站，但不一会儿他的脑子开始思考别的事情。外边罚站的学生就可以偷偷溜进教室坐回自己的位置，对此他从未察觉。
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卢瑟福上大学期间住在出租屋里，他与房主的女儿相爱了。他的女朋友叫做玛丽·牛顿。在1894年卢瑟福和玛丽结婚，但遭到玛丽的拒绝，她不想成为卢瑟福学习过程中的绊脚石。她说：“现在结婚实在是太愚蠢了。” 但她会等待卢瑟福完成学业，告诉卢瑟福：“我不会和其他人结婚的。”
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▲ 图1.1.4 卢瑟福和他的女友玛丽·牛顿

▲ 图1.1.4 卢瑟福和他的女友玛丽·牛顿

由于没被婚姻耽搁，卢瑟福获得了本文开头所说的奖学金。基于这笔奖学金，他可以到世界任何地方去访学。于是他决定去到英国访学。 J·J·汤姆逊当时担任剑桥大学卡文迪什实验室主任，刚刚改变了实验室管理办法，允许外国人或者非剑桥毕业的学生到剑桥研究生学院学习和工作。经过申请，卢瑟福被汤姆逊录取了。
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▲ 图1.2.4 J·J·汤姆逊

▲ 图1.2.4 J·J·汤姆逊

三、γ射线

经过见面之后，卢瑟福对老板汤姆逊评价道：“为人非常和蔼，一点儿也不古板。” 但对于他的学生的看法则是另外一回事了。再给玛丽信中写道：“有一位爱尔兰的学生，约翰·汤森的家伙，对我非常不友好，总是耻笑我。如果将来事情没有改善，我会将他的脑袋按在在地上使劲的摩擦。” 很快他被邀请进行一场公开报告，对此他在信中写道： “在这个物理学圈子里，为了彰显他们的优越性，他们将我的论文贬低的一文不值。现在他们答应尽其所能帮助我们。”
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▲ 图1.3.1 卡文迪什实验室中的同事们

▲ 图1.3.1 卡文迪什实验室中的同事们

卢瑟福在1896年1月5日来到英国，恰逢一个好的机会。仅仅几个月后，一篇关于克鲁克斯真空管可以发射一种看不见的X射线的论文发表了。卢瑟福几年后对此回忆道：“几乎所有的实验室将老式的克鲁克斯真空管都拿了出来测试X射线。” 卡文迪什实验室同样也进行X射线实验。

当时卢瑟福在研究如何使用无线电波来传递信号。在J·J· 汤姆逊的建议下他改变研究方向，研究X射线对于气体的影响。
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▲ 图1.3.2 伦琴发表的X射线

▲ 图1.3.2 伦琴发表的X射线

同时法国一位第三代富家子弟，科学家，亨利·贝克勒尔，他发现了铀元素可以自主发出射线，与X射线一样，能穿透很厚的纸张让胶片感光。在1897年，一个从波兰到法国的移民玛丽·斯科拉多无斯卡·居里为了她的研究论文决定研究铀元素射线。居里发现钍元素也可以产生这些射线，并将这个过程命名为放射性。她后来发现了矿石中存在着微量放射性极强强的元素，钋元素和镭元素。
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▲ 图1.3.3 亨利·贝克勒尔发现放射性

▲ 图1.3.3 亨利·贝克勒尔发现放射性

当卢瑟福听到居里的研究结果，他想既然自己正在研究X射线对于气体的影响，也应该对放射性对气体的影响进行研究。于是卢瑟福在金属板上放置一些铀元素，然后在上面放置另外一个金属板，中间有空气隔离。测量在两个金属板之间流过的电流，作为放射性强度的测量。这个方法是仿照居里的测量方法。
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▲ 图1.3.4 青年时期的居里

▲ 图1.3.4 青年时期的居里

居里是研究放射性的铀元素，卢瑟福则是研究铀元素释放的射线。接下来，卢瑟福在两个极板之间增加了一些薄的金属片，查看随着金属片的增加，放射性引起电流的变化。一开始，随着金属片的厚度增加，放射性电流下降很快。后来放射性电流似乎趋于一个常量。这究竟发生了什么呢？
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▲ 图1.3.5 卢瑟福研究设备结构图

▲ 图1.3.5 卢瑟福研究设备结构图

在1898年9月1日，卢瑟福发表了他的研究结果。他说：“铀元素释放的射线是复杂的，至少包括两种类型的发射性射线。一种比较容易被吸收，被称为α射线。另外一个具有更强的穿透力，被称为β射线。” 这些命名现在仍被使用。第二年法国物理学家，保罗·维拉德获得镭元素进行研究，发现了第三种穿透力更强的射线，卢瑟福将其称为γ射线。α，β，γ是希腊字母表前三个字母。
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四、加拿大麦吉尔大学

当卢瑟福发现了α，β射线之后，一位加拿大麦吉尔大学教授退休了。学院主管写信给J·J· 汤姆逊询问建议。汤姆逊回复道： “我这儿有一位最有激情、最优能力从事原创性研究的学生，他是卢瑟福。”
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▲ 图1.4.1 汤姆逊与卢瑟福

▲ 图1.4.1 汤姆逊与卢瑟福

说实在的，当时卢瑟福还是不太情愿离开剑桥前往加拿大。但他还是隐约感到卡文迪什实验室中蕴含着排外情绪，欺负他是一个外国人，阻碍他在剑桥获得教职。但有了这个新的职位，他可以结婚了。他写信给未婚妻：“过来吧，宝贝。婚姻殿堂已在远方出现了。” 实际上直到一年后，这段马拉松式的恋人才终成眷属。
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很快，卢瑟福聚集了一帮训练有素的年轻人跟他一起工作。年富力强、充满活力，发表了非常多的研究成果。仅在1902年就发表了14篇文章。每一次他都会将别人的研究贡献说明清楚。他也是为数不多的聘用女性研究人员的教授。他称：“女人可以在学术不同分支中做出非常重要的贡献。” 这不仅是最基本正义缘由，他也非常欢迎女性学者来到他的研究室。
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▲ 图1.4.2 卢瑟福的研究团队

▲ 图1.4.2 卢瑟福的研究团队

一位刚刚在麦吉尔大学获得科学学士的女生，哈里特·布鲁克斯就申请成为卢瑟福的第一位研究生。她与卢瑟福一起从事比较重要的研究工作。在1904年她离开卢瑟福前往巴纳德大学做教授，与当地大学教授恋爱了。但她被告知如果结婚就会被大学解聘。最终她只好与男友解除了恋爱关系，压力也迫使她离开了巴纳德大学。
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▲ 图1.4.3 哈里特·布鲁克斯

▲ 图1.4.3 哈里特·布鲁克斯

后来她到居里那里工作，然后又得到了奖学金资助回到卢瑟福实验室。原来在麦吉尔大学的旧情人又找到她并向她求婚。她后来写道：“女人有权利从事职业工作，不能够仅仅因为结婚而被迫放弃工作。” 后来她结婚了，也从物理学研究中退出了。唉！！
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五、放射性半衰期

在1899年，当卢瑟福来到麦吉尔大学的时候，一位名叫博比·欧文斯的学生来找卢瑟福咨询，为了完成访问学者研究工作，他应该从事哪方面的研究。卢瑟福建议他研究钍氧化物放射性，使用卢瑟福在铀元素研究中同样的方法。令他们感到惊讶的是，钍的放射性似乎不是一个常量，变化反复无常。卢瑟福接手他的研究，最后发现是因为屋里面空气的流动造成的变化。
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▲ 图1.5.1 欧文斯与卢瑟福

▲ 图1.5.1 欧文斯与卢瑟福

这种现象令人感到非常迷惑，因为之前并没有射线会随着空气一起流动。卢瑟福认为钍元素应该在释放某种气体随着空气流动。这种释放气体也具有放射性。

卢瑟福设计了一个非常巧妙方法来研究释放气体的放射性。在一个长长的玻璃管中间放置一些氧化钍。然后将过滤后的空气从一端吹入，将钍释放的气体带出玻璃管，送到捡电器进测量放射性。接着切断气流，测量放射性随着时间的变化。让他感到惊奇的时候，这种气体的放射性在几分钟之内就会发生巨大的变化。无论气体多少，总是在大约一分钟左右固定时间内，放射性减少一半。他们发现了放射性物质的半衰期。
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▲ 图1.5.2 研究钍元素释放气体的放射性

▲ 图1.5.2 研究钍元素释放气体的放射性

他们发现了所有放射性物质，都会在相应时间后放射性衰减一半。半衰期的时间不同的物质相差很大。
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六、镭元素

在镭元素还没有被分离提纯之前，它就在科学家掀起了风暴。很少的镭元素也会发光发热，甚至会烫伤手指。在没有任何输入能量的情况下，这种能量的释放似乎无穷无尽，含有镭元素的物质外形也没有什么变化。
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▲ 图1.6.1 含有镭元素的放射性荧光物质

▲ 图1.6.1 含有镭元素的放射性荧光物质

在1901年，一位名叫弗里德里希·盖泽尔的化学家使用居里夫人的方法生产出纯镭元素，并在市场上销售。卢瑟福第一时间花费了30英镑购买了30毫克的镭，这个价格现在相当于10000美元。换成另外一种说法，当年卢瑟福一年的薪水只有500英镑，他使用了30英镑购买了30毫克的镭。看到巨大商机的盖泽尔趁机将镭的价格提升了12倍，由此他赚到了一大笔钱，也是的镭从实验室走向了商业应用。
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▲ 图1.6.2 卢瑟福花费30英镑购买了30毫克镭

▲ 图1.6.2 卢瑟福花费30英镑购买了30毫克镭

镭盐所产生的放射性比铀元素高了一百万倍，这也使得卢瑟福所能够研究的内容发生了巨大的变化。例如，居里夫人也发现了镭元素，钍元素可以释放带有放射性的气体，这种气体的放射性可以持续数周的时间。不过卢瑟福为此感到惋惜，因为他购买到的镭元素纯度不够，不具有释放气体的能力。
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七、放射性氩气

基于纯镭元素，原来卢瑟福的研究生，哈里特·布鲁克斯获得了释放气体，并可以进行研究。布里克斯和卢瑟福根据研究确定这种释放的气体不是镭元素的蒸汽，是另外一种具有放射性的新元素，具有不同的原子核质量。
我们知道古代的炼金术一直在探寻改变物质的方法，特别是将其他金属转变成金子。但没有人知道这种放射性物质可以自发的完成元素转换。这个结论非常激进。一开始居里夫人也不同意这种说法，其他的科学家则根本对此不加理睬。
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▲ 图1.7.1 居里夫妇

▲ 图1.7.1 居里夫妇

在1901年三月份，卢瑟福与一位年轻的化学家，名叫弗雷德里克·索迪在争论电子是否存在。争论之后他们两人决定共同研究。索迪决定使用化学的方法研究从氧化钍中释放的气体。他试图让它与其它物质发生化学反应，但这种气体没有任何反应。因此他认为这种气体应该是某种惰性气体。于是他进一步确认这种气体是否是刚刚被发现的氩气。他被研究结果惊呆了，告诉卢瑟福这是钍元素经过衰变形成了氩气。

这个结论也使得居里夫人承认元素之间的转变。很快所有的人都相信放射性物质可以进行元素转换的观点。一年后，弗雷德里克·索迪知道了同位素，他们最终确认钍元素和镭元素所释放的气体是氩气的同位素。
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▲ 图1.7.2 放射性同位素

▲ 图1.7.2 放射性同位素

八、放射性半衰期

后来卢瑟福发明了利用放射性物质半衰期的有趣的用途。放射性物质从一种元素或者同位素转换成别的元素，卢瑟福指出，如果你能够确定物体中开始的时候有多少放射性物质，现在它还剩下多少，以及放射性物质的半衰期，你便可以确定物体的年龄。

根据这种方式卢瑟福测试了一块沥青矿石，发现这块沥青的年龄超过了7亿年。这的确令人感到惊奇，那个时候人们认为地球的年龄之后1亿年。人们将这种方法称为放射性定年法。过了50年，人们利用这种方法测量到地球的年龄，大约为45亿年，这也是现在我们大多数接收的数据。
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