2. 打破原子核
放射性元素存在同位素的发现， 使科学家把研究的重点对准了原子核。世界上第一个提出存在原子核的物理学家卢瑟福， 又开始解剖原子核的工作。
还是在1911 年10 月的时候， 卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析， 不仅确认了原子中存在一个带正电荷的核心， 这就是原子核。而且他还从理论上估算了原子和原子核的大小。卢瑟福计算出金原子的半径大约是0 。 000000016厘米， 金原子核的半径就更小了， 大约只有0. 000000000003 厘米。对这么小的原子核怎么来研究， 如何才能探知它内部的秘密， 这既是让物理学家兴奋不已， 又是让他们备感头疼的问题。
1914 年， 卢瑟福的学生马斯顿在用闪烁镜观测α粒子在空气中的射程时， 注意到出现了一些射程特别长的粒子。
这是一种反常的现象， 因为当时物理学家都知道α粒子在空气中的射程大约为7 厘米， 而马斯顿在实验中却发现了有的粒子的射程长达40 厘米。马斯顿反复实验， 证明实验没有错误。他对这种反常现象的解释是， 空气中的氢离子被α粒子撞击， 由于氢离子比α粒子要轻， 所以碰撞后氢离子的速度要比原来α粒子的速度大得多， 走的也要比较远。马斯顿把实验的情况以及他的看法都写信告诉了卢瑟福， 卢瑟福对此非常感兴趣。其实， 马斯顿已经涉及到原子核的分裂现象， 但他却没有意识到。
卢瑟福对原子核的分裂早有考虑。早在1905 年， 他提出α射线起源于原子核内； 1912 年， 他已有了原子核可能因放出α粒子而分裂的想法。马斯顿的实验使卢瑟福意识到， 要打开原子核， 恐怕还要靠α粒子。在α粒子散射的实验中， 有少数α粒子被反弹回来， 这说明α粒子是正对着金原子核撞击的， 只是由于受到同性电荷的压力才使它们的散射角度为180°。那么， 有没有办法让α粒子打到原子核上去呢？ 经过分析， 卢瑟福认为要想用α粒子去撞击原子核， 至少要有二个条件： 一是α粒子的速度要足够大； 二是要选择带正电荷较少的原子核作为靶子， 也就是选取列在元素周期表前面的一些元素做实验对象。
卢瑟福在1917 年底写给玻尔的信中， 表达了他“试图把原子击破”的想法。也就是说， 这时他已有了打开原子核的计划。
很快， 在助手的协助下， 卢瑟福开始了实验。他的实验仪器是一个抽成真空的黄铜罐子， 里面放上一片涂有钍的放射性同位素的小片。之所以选取钍的放射性同位素， 是因为它放出的α粒子的速度达到19200 公里/ 秒。这是相当快的速度。他在正对着α粒子源的铜罐那一端开了一个小窗口， 窗口上涂着硫化锌。如果有α粒子射到窗口上， 硫化锌就会发出闪光。卢瑟福对α粒子源， 即涂有钍的放射性同位素的小片， 与小窗口之间的距离作了精心的设计， 让它大于7 厘米。这样， 就使α粒子源放射出的α粒子不能直接射到硫化锌上。
实验中， 卢瑟福让助手在抽成真空的黄铜罐里， 先后充上不同的气体， 也就是选取不同的气体元素的原子核作为靶子。一天， 他的助手报告说， 当黄铜罐里充了氢气时， 实验中硫化锌出现了闪光， 而且还发现这个闪光和α粒子打到硫化锌上所发出的闪光有所不同。这表明， 到达小窗口的粒子不是α粒子。经过反复实验研究， 认定这种穿透力很强、速度很快的粒子就是失去电子的氢原子， 即氢原子核。对这个实验结果的解释并不难， α粒子打入氢原子， 而且碰上了氢原子核， 由于α粒子的质量是氢原子核质量的4 倍， 所以当高速的α粒子撞到氢原子核后， 氢原子核就被弹开了。这就有点像一个小球被一个飞速过来的大球撞击， 小球会以比大球更快的速度运动。
这一实验结果鼓舞了卢瑟福及其助手， 他继续换上不同的气体元素做实验。他们先后给黄铜罐充上二氧化碳和氧气， 结果没有出现硫化锌闪光。对此， 他们认为是正常的。
因为碳和氧的原子核都比较重， 被α粒子撞上， 它们也不会动， 即使被撞动也走不了多远。但是， 当充上氮气以后， 小窗口的硫化锌又出现了闪光。这又奇怪了， 氮原子核的质量也要比α粒子的质量大， 这回引起硫化锌闪光的又是什么呢？ 实验的结果， 使硫化锌闪光的还是氢原子核。这是一个引起热烈讨论的发现。卢瑟福的助手提出， 这次硫化锌闪光很可能是由于α粒子撞击了氮原子核， 并从氮原子核中打出了氢原子核而产生的。
卢瑟福作为一个伟大的物理学家， 他不仅能积极支持确有价值的新思想， 而且对问题的思考更为缜密。卢瑟福从事实验研究的显著特点， 就是他不以产生的想法摘取实验事实， 只有在实验中将有关的各种可能性和因素一一排除后， 才将事实的本来面貌确切地揭示出来。正因为如此， 卢瑟福的实验研究素以准确而闻名。这一次也毫不例外， 他认为， α粒子打出氢原子核的推测是有一定道理的， 但必须把实验条件进行严格的检验。这里不能有任何虚假和马虎。
卢瑟福考虑到如果在给黄铜罐充入氮气时， 混入氢气或水汽都会影响到实验的结果。假若真有水汽混入氮气， 水分子中有两个氢原子， α粒子打到水分子上， 也会把氢原子核打出来。但这和α粒子撞击氢原子核毫无关系了。于是， 按照卢瑟福的分析， 他的助手们把可能混入氮气和黄铜罐里的水汽与氢气都排除干净。在这样的实验条件下， 用α粒子去轰击氮气， 小窗口的硫化锌还是闪光了， 而且还就是高速的氢原子核。这说明， 氮原子核确实被打破了！卢瑟福对这个实验的解释是， α粒子撞上氮原子核后， 被氮原子核所俘获， 同时氮原子核又放出一个氢原子核， 小窗口的硫化锌闪光就是由氮原子核放出的氢原子核所引起的。在氮原子核经历了上述过程之后， 它变成了另外一种原子核。
这一结果进一步鼓舞了物理学家。他们又继续做了许多实验， 发现用α粒子去撞击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾， 结果都打出了氢原子核。看来， 氢原子核是各种元素原子核的组成部分。卢瑟福测出了氢原子核的质量和电荷， 与以前所假定的质子完全一样， 从而确认了氢原子核就是组成原子核的质子。
卢瑟福的这个实验有着比确认质子更为重要的意义。卢瑟福在实验中， 通过α粒子撞击氮原子核， 使氮原子核在俘获α粒子而放出氢原子核后， 其自身变成了另外一种原子核。这实际上是世界上第一次人工核反应。这是一个了不起的大事。在古代， 就有许多人梦想把普通的金属变成贵重的金属， 成语“点石成金”表达的就是这种愿望。不过， 历代炼金术士奋斗了数千年， 梦想始终未能变成现实。他们想尽各种办法， 所得到的仅仅是金属表面颜色与光泽的改变， 做为一种骗术而已。卢瑟福的实验使这种梦想成为可能。
还是在1911 年10 月的时候， 卢瑟福通过对α粒子散射实验结果的分析， 不仅确认了原子中存在一个带正电荷的核心， 这就是原子核。而且他还从理论上估算了原子和原子核的大小。卢瑟福计算出金原子的半径大约是0 。 000000016厘米， 金原子核的半径就更小了， 大约只有0. 000000000003 厘米。对这么小的原子核怎么来研究， 如何才能探知它内部的秘密， 这既是让物理学家兴奋不已， 又是让他们备感头疼的问题。
1914 年， 卢瑟福的学生马斯顿在用闪烁镜观测α粒子在空气中的射程时， 注意到出现了一些射程特别长的粒子。
这是一种反常的现象， 因为当时物理学家都知道α粒子在空气中的射程大约为7 厘米， 而马斯顿在实验中却发现了有的粒子的射程长达40 厘米。马斯顿反复实验， 证明实验没有错误。他对这种反常现象的解释是， 空气中的氢离子被α粒子撞击， 由于氢离子比α粒子要轻， 所以碰撞后氢离子的速度要比原来α粒子的速度大得多， 走的也要比较远。马斯顿把实验的情况以及他的看法都写信告诉了卢瑟福， 卢瑟福对此非常感兴趣。其实， 马斯顿已经涉及到原子核的分裂现象， 但他却没有意识到。
卢瑟福对原子核的分裂早有考虑。早在1905 年， 他提出α射线起源于原子核内； 1912 年， 他已有了原子核可能因放出α粒子而分裂的想法。马斯顿的实验使卢瑟福意识到， 要打开原子核， 恐怕还要靠α粒子。在α粒子散射的实验中， 有少数α粒子被反弹回来， 这说明α粒子是正对着金原子核撞击的， 只是由于受到同性电荷的压力才使它们的散射角度为180°。那么， 有没有办法让α粒子打到原子核上去呢？ 经过分析， 卢瑟福认为要想用α粒子去撞击原子核， 至少要有二个条件： 一是α粒子的速度要足够大； 二是要选择带正电荷较少的原子核作为靶子， 也就是选取列在元素周期表前面的一些元素做实验对象。
卢瑟福在1917 年底写给玻尔的信中， 表达了他“试图把原子击破”的想法。也就是说， 这时他已有了打开原子核的计划。
很快， 在助手的协助下， 卢瑟福开始了实验。他的实验仪器是一个抽成真空的黄铜罐子， 里面放上一片涂有钍的放射性同位素的小片。之所以选取钍的放射性同位素， 是因为它放出的α粒子的速度达到19200 公里/ 秒。这是相当快的速度。他在正对着α粒子源的铜罐那一端开了一个小窗口， 窗口上涂着硫化锌。如果有α粒子射到窗口上， 硫化锌就会发出闪光。卢瑟福对α粒子源， 即涂有钍的放射性同位素的小片， 与小窗口之间的距离作了精心的设计， 让它大于7 厘米。这样， 就使α粒子源放射出的α粒子不能直接射到硫化锌上。
实验中， 卢瑟福让助手在抽成真空的黄铜罐里， 先后充上不同的气体， 也就是选取不同的气体元素的原子核作为靶子。一天， 他的助手报告说， 当黄铜罐里充了氢气时， 实验中硫化锌出现了闪光， 而且还发现这个闪光和α粒子打到硫化锌上所发出的闪光有所不同。这表明， 到达小窗口的粒子不是α粒子。经过反复实验研究， 认定这种穿透力很强、速度很快的粒子就是失去电子的氢原子， 即氢原子核。对这个实验结果的解释并不难， α粒子打入氢原子， 而且碰上了氢原子核， 由于α粒子的质量是氢原子核质量的4 倍， 所以当高速的α粒子撞到氢原子核后， 氢原子核就被弹开了。这就有点像一个小球被一个飞速过来的大球撞击， 小球会以比大球更快的速度运动。
这一实验结果鼓舞了卢瑟福及其助手， 他继续换上不同的气体元素做实验。他们先后给黄铜罐充上二氧化碳和氧气， 结果没有出现硫化锌闪光。对此， 他们认为是正常的。
因为碳和氧的原子核都比较重， 被α粒子撞上， 它们也不会动， 即使被撞动也走不了多远。但是， 当充上氮气以后， 小窗口的硫化锌又出现了闪光。这又奇怪了， 氮原子核的质量也要比α粒子的质量大， 这回引起硫化锌闪光的又是什么呢？ 实验的结果， 使硫化锌闪光的还是氢原子核。这是一个引起热烈讨论的发现。卢瑟福的助手提出， 这次硫化锌闪光很可能是由于α粒子撞击了氮原子核， 并从氮原子核中打出了氢原子核而产生的。
卢瑟福作为一个伟大的物理学家， 他不仅能积极支持确有价值的新思想， 而且对问题的思考更为缜密。卢瑟福从事实验研究的显著特点， 就是他不以产生的想法摘取实验事实， 只有在实验中将有关的各种可能性和因素一一排除后， 才将事实的本来面貌确切地揭示出来。正因为如此， 卢瑟福的实验研究素以准确而闻名。这一次也毫不例外， 他认为， α粒子打出氢原子核的推测是有一定道理的， 但必须把实验条件进行严格的检验。这里不能有任何虚假和马虎。
卢瑟福考虑到如果在给黄铜罐充入氮气时， 混入氢气或水汽都会影响到实验的结果。假若真有水汽混入氮气， 水分子中有两个氢原子， α粒子打到水分子上， 也会把氢原子核打出来。但这和α粒子撞击氢原子核毫无关系了。于是， 按照卢瑟福的分析， 他的助手们把可能混入氮气和黄铜罐里的水汽与氢气都排除干净。在这样的实验条件下， 用α粒子去轰击氮气， 小窗口的硫化锌还是闪光了， 而且还就是高速的氢原子核。这说明， 氮原子核确实被打破了！卢瑟福对这个实验的解释是， α粒子撞上氮原子核后， 被氮原子核所俘获， 同时氮原子核又放出一个氢原子核， 小窗口的硫化锌闪光就是由氮原子核放出的氢原子核所引起的。在氮原子核经历了上述过程之后， 它变成了另外一种原子核。
这一结果进一步鼓舞了物理学家。他们又继续做了许多实验， 发现用α粒子去撞击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾， 结果都打出了氢原子核。看来， 氢原子核是各种元素原子核的组成部分。卢瑟福测出了氢原子核的质量和电荷， 与以前所假定的质子完全一样， 从而确认了氢原子核就是组成原子核的质子。
卢瑟福的这个实验有着比确认质子更为重要的意义。卢瑟福在实验中， 通过α粒子撞击氮原子核， 使氮原子核在俘获α粒子而放出氢原子核后， 其自身变成了另外一种原子核。这实际上是世界上第一次人工核反应。这是一个了不起的大事。在古代， 就有许多人梦想把普通的金属变成贵重的金属， 成语“点石成金”表达的就是这种愿望。不过， 历代炼金术士奋斗了数千年， 梦想始终未能变成现实。他们想尽各种办法， 所得到的仅仅是金属表面颜色与光泽的改变， 做为一种骗术而已。卢瑟福的实验使这种梦想成为可能。
