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拉塞福誕辰 │ 科學史上的今天:08/30

「這簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈,結果砲彈卻彈回來打到你自己!」

1909 年,拉塞福聽到研究助理蓋格 (Hans Geiger) (多年後他將發明偵測輻射的蓋格計數器)向他報告奇特的實驗結果:一些  α 粒子被薄薄的金箔反彈回來,當下不禁浮現這個畫面。

這真是太奇怪了!根據他的業師湯姆森 (Sir Joseph John Thomson,1856-1940) 的原子模型,原子組成應該是電子平均散佈在帶正電的均勻物質中,就像是梅子鑲嵌在布丁中那樣。但既然射向金箔的絕大部分 α 粒子都毫無阻礙地穿過去,表示布丁本身阻擋不了 α 粒子;而電子的質量又是如此微小,根本不可能將重它三千倍以上的 α 粒子彈開,那麼那些反彈回來的 α 粒子到底撞到了什麼

當時他百思不解,最後他終於想到一個與湯姆森截然不同的模型:原子內部帶正電的物質全部集中在小小一處,稱為原子核;電子則像行星繞著太陽一樣繞著原子核轉。那些極少數被金箔彈回來的 α 粒子就是撞上了金原子的原子核。

漂亮!實驗所顯示各種角度的散射也都符合這個模型的計算結果。只是他遲疑著該如何發表這個理論。倒不是畏於湯姆森在粒子物理界的位高權重,而是對拉塞福而言,這樣公然打擊湯姆森多少帶有弒父的意味!

是的,1895 年他從邊陲地帶的紐西蘭來到英國劍橋跟著湯姆森做研究,被多少人視為土包子,等著看笑話。幸而在湯姆森的無私指導下,他區分出兩種放射線並分別命名為 α 與 β,才得以應聘前往加拿大一所大學當系主任。後來進一步發現 α 射線就是氦原子核,並確認了半衰期的現象(1905 年,他利用半衰期算出一塊岩石樣本已有五億年歷史,打破原本普遍認為地球年紀只有數千萬年的迷思),因而於 1908 年得到諾貝爾化學獎(不過他也不懂為何不是物理獎?)。湯姆森可說是他的恩師啊!

兩年後終於有個絕佳的機會──湯姆森的一位學生再度發表一個支持正電均勻分布於原子內的實驗結果,如此一來,拉塞福可藉由駁斥這個實驗結論來帶出他自己的實驗與模型,避免直接攻擊湯姆森。於是 1911 年 5 月,他正式發表論文,公布其劃時代的發現。

然而這篇論文卻未激起太大的漣漪,一方面是因為違反直覺經驗(如果原子內部絕大部分空空如也,怎麼我們不會穿越地板陷下去?),一方面則是這個模型有個致命的問題:繞著原子核轉的電子應該很快就會失去能量,而墜毀到原子核,但這顯然沒發生。幸而沒多久他的學生波耳(Aage Bohr)用量子力學對這模型做了修正;「拉塞福─波耳模型」在往後數十年成為公認的原子模型,直到後來軌道的概念才被「電子雲」取代。

除了波耳,拉塞福還帶出很多優秀的學生,有多達十位成為諾貝爾獎得主。在作育英才方面有如此傲人成就,自身的研究又有極具開創性,拉塞福對科學的貢獻真是無與倫比!

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。


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關於作者

張瑞棋

1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。自小喜愛科學新知,浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,更成為重度閱讀者。當了中年大叔才成為泛科學專欄作者,著有《科學史上的今天》一書,如今又因翻譯《解事者》,而多了個譯者的身分。

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