物理教学艺术：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”。

2.1　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3×10-13cm，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10-8cm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。

2.2　首次实现人工核反应(www.xing528.com)

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。卢瑟福用下列核反应表述了这个核反应过程。

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”。

2.3　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。