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第三课 麦吉尔大学名人榜欧内斯特卢瑟福（第2页）

在卢瑟福一生中曾起过重要作用的一本书，便是他10岁的时候从他母亲那儿得到的由曼彻斯特大学教授巴尔佛·司徒华写的教科书《物理学入门》，这本书开始把他引上研究科学的道路。这本书不仅给读者一些知识，为了训练智力，书中还描述了一系列简单的实验过程。卢瑟福为书中的内容所吸引并从中悟出了一些道理。即从简单的实验中探索出重要的自然规律，这些对卢瑟福一生的研究工作都产生了重大的影响。读完书之后，卢瑟福将自己的年龄和名字歪歪斜斜地写在书页上，那时他差1个月满11岁，推算起来是1882年7月。卢瑟福的母亲一直珍藏着这本教科书，并且常常自豪地捧着这本书向孩子讲述当年的故事。特别值得一提的是《物理学入门》一书的作者恰巧是汤姆孙在曼彻斯特时的老师，而汤姆孙又是卢瑟福在剑桥大学读研究生的导师。

读书和思考一直伴随着卢瑟福一生。他成为一个硕果累累的大科学家之后，仍然很重视读书和思考。有一天深夜，卢瑟福看到实验室亮着灯，就推门进去，看见一个学生在那里，问道：“这么晚了，你还在干什么?”学生回答说：

“我在工作。”当他得知学生从早到晚都在工作时，很不满意地反问：“那你什么时间思考问题呢?"

靠奖学金读书的孩子

卢瑟福5岁时上了泉林村小学，他的母亲和外祖母都曾在此任教，后来由于家庭搬迁，他又转学到福克斯希尔村小学。

卢瑟福的父母很重视子女的教育，尽管家庭收入仅够糊口，还是要供他读书。为此一家人节衣缩食，在生活上非常刻苦，一直供他念完大学。许多年后，在一个很隆重的宴会上，卢瑟福十分感慨地说：“如果不是我的父亲和母亲，我永远也不会有今天的成绩。”

由于家庭的收入有限，相当一部分学费要靠自己来解决。上小学的时候，卢瑟福就利用暑假参加劳动。兄弟几人一个假期就赚了13英镑。这些钱差不多够一个学期的学费了。卢瑟福深深地理解父母的困难。他知道，要想上学就要靠自己劳动挣钱，后来他听说学习成绩优秀就可以得到奖学金，就更加努力学习。他学习的时候特别专心致志，即使有人用书本敲他的脑袋也不会分散他的注意力。

离开小学之后，卢瑟福大部分的学费要靠奖学金了，他参加了竞争一项州政府奖学金的考试，获得奖学金就可以进入纳尔逊学院读书，可以免交学费并提供食宿，结果卢瑟福以580分（满分600分）的成绩赢得了这项奖学金。在纳尔逊学院学习期间，他获得了很多奖励并在最后一年获得进入新西兰大学深造的奖学金。在获奖的10人中，他名列第4名。

进入新西兰大学坎特伯雷学院之后，卢瑟福更加努力学习，他的数学和物理成绩都是名列前茅。

由于学习成绩优秀，大学毕业时卢瑟福获得了文学学士、理科学士和硕士学位，要想挣钱养家已经是足够了，但是卢瑟福决心在科学研究中取得更大的成绩。在校学习的时候他已经申请了进入剑桥深造的奖学金，因为该项奖学金是隔年一次的，所以他大学毕业后又在学校里继续研究一年。

卢瑟福申请的是大英博览会奖学金，它是由1851年在英国伦敦海德公园水晶宫举办的国际博览会所赚来的钱设立的奖学金。这项奖学金的目的是授予学习成绩特别出色，具有培养前途的学生，使他们能够进入久享盛名的英国高等学府深造。凡属英联邦国家的学生，都有机会获得这笔奖学金。

卢瑟福参加了这项考试，结果卢瑟福和一个叫麦克劳林的人都具备了录取条件，但名额只有一个。基金委员会经过争论决定把奖学金授予麦克劳林。卢瑟福只好回家等待以后的机会了。1895年4月的一天，卢瑟福正在菜园里挖马铃薯。母亲高兴地向菜园跑去，手里拿着电报纸，并在空中不断摇动，用劲地叫喊：“你取上啦!你取上啦!”卢瑟福不明白母亲在干什么，“谁取上了?取上什么了?”卢瑟福不解地问道。等他看到了电报才明白，基金委员会改变了主意把这项奖学金授予他了。他立即扔下手中的铁锹，高兴得跳起来：“这是我挖的最后一个土豆啦!”

原来情况发生了变化，麦克劳林已经结婚，而基金会所给的奖学金无论如何也不能养活两个人，麦克劳林决定留在新西兰。

这年9月，卢瑟福筹借了路费，告别了双亲，登上了开往英国的客轮，开始了他献身科学的航程。1898年，卢瑟福被指派担任加拿大麦吉尔大学物理系主任，在那里的工作使他获得了1908年的诺贝尔化学奖。他证明了放射性是原子的自然衰变。但他不是很高兴，因为他自认为是物理学家而非化学家。他的一句名言是，“科学只有物理一个学科，其他不过相当于集邮活动而已”。他注意到在一个放射性物质样本里，一半的样本衰变的时间几乎是不变的，这就是该物质的“半衰期”，并且他还就此现象建立了一个实用的方法，以物质半衰期作为时钟来检测地球的年龄，结果证明地球要比大多数科学家认为的老得多。

1909年，卢瑟福在英国曼彻斯特大学同他的学生Marsden用α粒子撞击一片薄金箔，他发现大部分的粒子都能通过金箔，只有极少数会跳回。他笑说这是海军用15时巨炮射击一张纸，但炮弹却会被弹回而打到自己。最后他提出了一个类似于太阳系行星系统的原子模型，认为原子空间大都是空的，电子像行星围绕原子核旋转，推翻了当时所使用的梅子布丁原子模型。1911年3月，卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学学会的会议上宣布他的意外发现，同年5月，他将论文发表于《哲学杂志》。

1919年，汤姆孙在升任三一学院院长时，推荐卢瑟福回到剑桥大学出任卡文迪许实验室的主任，在那里他培育出了大批诺贝尔奖得主，他的学生有丹麦的波尔（N。H。D。Bohr）、德国的哈恩、新西兰的马斯顿、苏联的卡皮查（P。L。Kapitsa）、澳大利亚的奥立芬特以及英国的乍得威克和考克饶夫（J。P。Cockcroft）等9位诺贝尔奖得主。卢瑟福是一位伟大的导师，1933年他的学生狄拉克与薛定谔共同获得诺贝尔物理奖。狄拉克却对卢瑟福说他不想出名，他想拒绝这个荣誉。卢瑟福对他说：“如果你这样做，你会更出名，人家更要来麻烦你。”

无尽的能源

1952年11月1日，太平洋，马绍尔群岛，艾尼维塔克珊瑚礁。人类历史上威力最大的一颗炸弹在这里爆炸，将一个珊瑚礁岛从地图上永远地抹去。那颗炸弹重达70吨，但是却放出了相当于1040万吨TNT炸药爆炸的能量，是第二次世界大战中投到长崎那颗原子弹的450倍。这就是氢弹。历史上第一次，人类在地球上制造出了太阳。

氢弹瞬间释放出的巨大能量，只会让人们感到这种终极战争武器的恐怖；而54年之后的2006年，七个国家和地区联合起来试图将氢弹的威力缓缓释放的实验，将可能消灭由于能源而引发的战争。这是历史上耗资最高的科研项目之一，现在正在法国一处风景优美的景区建设当中。它在未来十年内将开始一系列实验，并且很可能会在2050年之前，供给我们近乎无限、成本接近于零的电能。

科幻般的核聚变发电，离我们已经不再遥远。

让我们将时间拉回到20世纪的这个时候。当时，英国物理学家欧内斯特·卢瑟福（Erherford）刚刚获得了诺贝尔化学奖，因为他证明了放射性是原子自然衰变的结果。没有获得诺贝尔物理学奖让卢瑟福不太满意，但是他依然继续自己的研究，其中一项就是那个后来被称为“物理最美实验之一”的α粒子散射实验。在曼彻斯特大学进行的这个实验使用放射性元素射出的α粒子——也就是氦原子核——去轰击一片金箔，然后根据α粒子打在荧光屏上的位置来判断它们的路径。卢瑟福和他的研究团队发现，绝大部分α粒子并没有改变路径，像一枚炮弹打穿纸片般直直向前撞击在荧光屏上发光；少数α粒子出现了一定程度的偏转，但是还有极少量的α粒子偏转角度极大，甚至掉头而去。

这一现象让卢瑟福开始思考，他认为原子中应该会有一个很小的核，但是占了原子绝大部分的质量。

这种设想与传统认为的原子结构并不相同。在当时，人们对于原子的结构有两种主要看法：一种是英国物理学家约瑟夫·约翰·汤姆孙（JosephJohnThomson）提出的模型，认为原子是一个半径约0。1纳米的球体，正电荷均匀地分布于整个球体，电子则像葡萄干镶嵌在面包上一样，稀疏地嵌在球体中；另一种是日本物理学家长冈半太郎（NagaokaHantaro）提出的模型，他认为带负电的电子不能与正电荷混合起来，因此在他的模型中，电子均匀地分布在一个环上，环中心是一个具有大质量的带正电的球，像是土星的模样。

1912年，卢瑟福发表了他的成果，以α粒子散射实验的结果来辅以证明。他认为，原子核居于原子中央，直径大约是原子直径的万分之一，体积只相当于原子体积的万亿分之一。也就是说，如果说原子的直径有一个足球场那么大，原子核的大小大约只相当于球场中央的一粒玻璃跳棋，而它却占据了原子绝大部分的质量。这是我们目前依然使用的原子模型，虽然后来又有了一些变化，但是原子核依然是紧密的那一个小点。

在卢瑟福的时代，人们只知道重原子会因为不稳定而裂变，却不知道最稳定的元素并非具有最轻的原子。核聚变的理论基础，由1922年诺贝尔化学奖获得者，同是英国人的物理学家兼化学家弗朗西斯·威廉·阿斯顿（FrancisWilliamAston）发现。

1925年，借助自己发明的质谱仪，阿斯顿发现在任何原子中，原子核的质量都要比组成该原子核的所有质子和中子的质量总和要少一点。这种现象叫作“质量亏损”，是因为质子和中子在结合成原子核时，部分质量转变成了结合能。铁这样的中等质量原子核核子的平均结合能较大，它们比较稳定；而重元素原子核的平均结合能较小。根据爱因斯坦那个著名的质能方程，重原子核在分裂成中等质量的原子核时，将会有一部分结合能释放出来，这种就是核裂变；而氢这样的轻原子，其核子结合能甚至比一些重元素更大，某些轻核结合成质量较大的原子核时将能放出更多的结合能。这就是核聚变。

但是，要让轻原子核之间结合并不容易。所有的原子核都带正电，彼此之间受到被叫作“库仑力”的静电力作用。库仑力让原子核相互排斥，而且原子核之间的距离越近，斥力越强。就像是将两块磁铁的同一极相对一样，彼此之间的斥力让原子核在日常环境下没有办法结合在一起。在过去，只有像太阳那样的恒星，才会提供足够的压力和温度，将轻原子核压到相当靠近的程度。

有趣的是，质子同样带正电荷，但是多颗质子却可以在一个原子核中共存，似乎不会受到库仑力的影响。之所以出现这种情况，是因为在原子核中还存在一种更强的、被称为“核力”的吸引力。核力能够发挥的距离有限，仅仅在原子核这样的微小尺度上才会表现出来。

当原子核之间距离越来越近时，库仑力所带来的斥力将会突然败给核力，两颗离得很近的原子核突然合体，华丽变身为一种新的元素，同时放出大量的能量和核子。我们要利用的，就是这些能量。

传奇诞生