發(fā)現(xiàn)質(zhì)子-中子-核裂變的“三部曲”

——紀(jì)念盧瑟福原子核結(jié)構(gòu)探索百年

趙繼軍

(北京市玉淵潭中學(xué)北京100038)

劉 嬋劉樹(shù)勇

(首都師范大學(xué)物理系北京100048)

摘 要：本文介紹了盧瑟福的生平，回顧了質(zhì)子、中子和核裂變的發(fā)現(xiàn)歷程.

關(guān)鍵詞：盧瑟福質(zhì)子中子核裂變

收稿日期：(2014-11-19)

2015年是世界反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)勝利70周年.在反法西斯戰(zhàn)爭(zhēng)期間，核能技術(shù)的發(fā)展受到了一些國(guó)家的重視，并大大促進(jìn)了其發(fā)展，而且對(duì)戰(zhàn)爭(zhēng)的結(jié)束產(chǎn)生了積極的作用.在這個(gè)重要的日子到來(lái)之際，回顧人類探索原子核知識(shí)的歷程具有重要意義.由此，會(huì)使我們更加深刻地認(rèn)識(shí)到，基礎(chǔ)科學(xué)的研究是多么的重要.100年前，盧瑟福在確立了原子的核式結(jié)構(gòu)模型之后，他開(kāi)始探索原子核的結(jié)構(gòu).利用α粒子散射的方法發(fā)現(xiàn)質(zhì)子，從而揭開(kāi)了原子核物理的新篇章.中子的發(fā)現(xiàn)則使人們進(jìn)一步對(duì)原子核的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更加深入的認(rèn)識(shí)，這還大大推動(dòng)了對(duì)同位素和核反應(yīng)的認(rèn)識(shí)，以及核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn).正是這重要的三大步導(dǎo)致人類開(kāi)始了核能開(kāi)發(fā)的歷程.

1盧瑟福的生平

歐內(nèi)斯特·盧瑟福(Ernest Rutherford，1871～1937)出生在新西蘭納爾遜的泉林村(后改名凈水村).父母都是來(lái)自英國(guó)的移民.盧瑟福15歲時(shí)，以優(yōu)異成績(jī)考入納爾遜學(xué)院.在校期間，他成績(jī)優(yōu)秀，并且是納爾遜學(xué)院唯一選修自然科學(xué)課的學(xué)生.

1889年，盧瑟?？既】蔡夭讓W(xué)院.1893年，他的研究生論文獲得數(shù)學(xué)和物理學(xué)兩個(gè)學(xué)科的一等獎(jiǎng)，并獲文學(xué)碩士學(xué)位.需要特別指出的是，1891年，坎特伯雷學(xué)院成立科學(xué)學(xué)會(huì)后確定的第一個(gè)討論題目就是 “元素的演變”，而這正是在盧瑟福的建議下提出的.這表明，盧瑟福很早就對(duì)微觀世界的現(xiàn)象產(chǎn)生了興趣.

1895年，盧瑟福有幸獲得了獎(jiǎng)學(xué)金，到英國(guó)劍橋大學(xué)的卡文迪什實(shí)驗(yàn)室攻讀研究生.在英國(guó)著名物理學(xué)家J·J·湯姆孫(J.J.Thomson，1856～1940)的指導(dǎo)下，盧瑟福于1896年開(kāi)始研究X射線對(duì)氣體放電的影響，并發(fā)表了有關(guān)電離理論的著名論文.

1898年9月，在湯姆孫的舉薦下，盧瑟福受聘于加拿大的麥吉爾大學(xué).1900年夏天，盧瑟?；氐焦枢l(xiāng)迎娶了瑪麗·牛頓(Mary Newton).同年，化學(xué)家弗雷德里克·索迪(Frederick Soddy，1877～1956)來(lái)到麥吉爾大學(xué)，與盧瑟福合作研究鐳和釷的放射性，并逐步認(rèn)識(shí)到了原子的可分性.兩年后，他們一同提出了放射性蛻變理論.1903年，索迪離開(kāi)了麥吉爾大學(xué)，盧瑟福改同化學(xué)家博耳特伍德(R.B.Boltwood)合作.他們共同證明：鈾的系列衰變終止于鉛.這一發(fā)現(xiàn)被形象地稱為“現(xiàn)代煉金術(shù)”.同年，盧瑟福被選為英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員.

1904年，盧瑟福的著作《放射學(xué)》問(wèn)世. 1906年，他擔(dān)任加拿大皇家學(xué)會(huì)物理部主任.1907年，他接受了來(lái)自曼徹斯特大學(xué)的聘任，離開(kāi)麥吉爾大學(xué)重新回到英國(guó).在麥吉爾大學(xué)的9年中，盧瑟福成就斐然，他使一個(gè)名不見(jiàn)經(jīng)傳的物理系成為世界馳名的實(shí)驗(yàn)研究單位.他還由于在該校的放射性研究工作而榮獲了1908年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng).

1908年，盧瑟福終于揭示了α粒子的本質(zhì).α粒子成為盧瑟福一生中核科學(xué)研究的“利器”，而他最重要的工作則是1910年建立的原子核式結(jié)構(gòu)模型.

在曼徹斯特大學(xué)，盧瑟福除了教學(xué)研究工作之外，還要承擔(dān)大量的行政工作.此外，在1909年，他還負(fù)責(zé)英國(guó)科學(xué)促進(jìn)會(huì)第一分部的工作.在第一次世界大戰(zhàn)期間，盧瑟福參加了軍方有關(guān)反潛問(wèn)題的研究.1919年，盧瑟福開(kāi)展了α粒子散射實(shí)驗(yàn)，并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，完成了除放射性理論和核式原子模型之外的又一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn).同年，由于湯姆孫改任劍橋大學(xué)三一學(xué)院院長(zhǎng)，盧瑟福隨即接任了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室主任一職.正是在他的影響下，卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的發(fā)展達(dá)到了一個(gè)高峰.

在盧瑟福的指導(dǎo)下，科克羅夫特(J.D.Cockcroft，1897～1967)和沃耳頓(E.T.S.Walton，1903～1995)于1932年用加速粒子實(shí)現(xiàn)了人工核蛻變(他們也因此獲得了1951年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)).這也打消了盧瑟福對(duì)量子力學(xué)的排斥，并變成了一位堅(jiān)定的篤信者.與此同時(shí)，詹姆斯·查德威克(Sir James Chadwick，1891～1974)從實(shí)驗(yàn)上論證了中子的存在，這大致是符合盧瑟福預(yù)言的.不久之后，諾曼·菲舍(Norman Fischer)證明了中子能引起核蛻變.1934年，盧瑟福同奧利芬特(M.L.Oliphant)和哈特克(Harteck)用氘核轟擊氘核，首次實(shí)現(xiàn)了人工核聚變反應(yīng).

從1925年至1930年，盧瑟福擔(dān)任英國(guó)皇家學(xué)會(huì)主席.1937年，他出版了他的最后一部著作——《當(dāng)代煉金術(shù)》.同年10月19日，盧瑟福逝世，他的遺體被安葬在倫敦威斯敏斯特教堂牛頓墓旁.盧瑟福在英國(guó)物理學(xué)史上的崇高地位，堪與偉大的科學(xué)家牛頓、法拉第和麥克斯韋并列.

2α粒子的研究

在麥吉爾大學(xué)，盧瑟福很快就確定了β射線就是電子流，但α粒子卻是個(gè)困難得多的課題.在盧瑟福的指導(dǎo)下，在對(duì)釷的放射性研究中，歐文斯(D.B.Owens)發(fā)現(xiàn)一種新的“射氣”.盧瑟福稱這種“射氣”為“釷射氣”.在另一位助手布魯克(H.L.Brook)的協(xié)助下，盧瑟福用鐳進(jìn)行“射氣”研究.到1901年時(shí)，盧瑟福確定“釷射氣”是與氦有關(guān)聯(lián)的氣體.1903年，他利用α粒子在磁場(chǎng)和電場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)確定α粒子帶正電荷，但荷質(zhì)比的測(cè)量值還不精確.

在曼徹斯特大學(xué)，1908年，盧瑟福在獲得足夠的鐳后，開(kāi)始對(duì)α粒子進(jìn)行研究.在漢斯·蓋革(Hans Geiger，1882～1945，德國(guó)人)的協(xié)助下，盧瑟福提出了計(jì)算由鐳放射出α粒子的方法.利用該方法，他們計(jì)算出一毫克鐳每秒能發(fā)射出136 000個(gè)α粒子[1].進(jìn)而，盧瑟福證明，α粒子的電荷數(shù)是氫離子電荷數(shù)的兩倍，也即證實(shí)α粒子是帶電的氦原子核.為了獲得直接的證據(jù)，熟練的玻璃工奧托·鮑姆巴赫幫助盧瑟福造出了薄壁玻璃管，它能使高速運(yùn)動(dòng)的α粒子透射而出卻又不漏氣.

在這個(gè)管子中充入“射氣”后，再把它置于厚壁大玻璃管內(nèi)，“射氣”衰變并放出的α粒子就會(huì)按時(shí)透射出來(lái)，進(jìn)入兩管之間的空隙；當(dāng)羅伊茲使空隙中的物質(zhì)放出火花時(shí)，他們看見(jiàn)了氦的光譜.這樣，α粒子之謎終于被盧瑟福揭開(kāi)了.

接著(1909年)，盧瑟福指導(dǎo)厄恩斯特·馬斯登(Ernst Marsden，1889～1945)尋找大角度α粒子散射的實(shí)驗(yàn).這時(shí)，蓋革探討的小角度散射可以用當(dāng)時(shí)流行的“葡萄干布丁”原子模型的多次散射理論解釋得通.但是，蓋革和馬斯登發(fā)現(xiàn)的大角度散射卻超出了多次散射理論的預(yù)言.1910年底，盧瑟福把這些事實(shí)與新的原子模型和散射理論聯(lián)系起來(lái)，認(rèn)為原子內(nèi)部大部分空間是虛空的，原子中心有一個(gè)體積很小而密度很大的帶電核，相反的電荷分布在周?chē)臻g.據(jù)此模型，盧瑟福計(jì)算出α粒子一次散射到一個(gè)給定角度的幾率，與蓋革和馬斯登的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合.遺憾的是，盧瑟福的革命性原子結(jié)構(gòu)理論卻被當(dāng)時(shí)的科學(xué)界忽視了.直到1911年，盧瑟福的學(xué)生、丹麥物理學(xué)家尼耳斯·玻爾(Niels Bohr，1885～1962)接受了核式模型理論，并于1913年將量子觀點(diǎn)引入盧瑟福的核式模型，建立了新的氫原子結(jié)構(gòu)模型，才使盧瑟福的核式模型逐漸受到重視.

3質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)

盧瑟福對(duì)α粒子的研究和原子核式結(jié)構(gòu)模型的建立，為質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了必要的條件.根據(jù)原子的核式結(jié)構(gòu)模型可知，當(dāng)α粒子與輕原子切近碰撞時(shí)，會(huì)使整個(gè)原子核高速運(yùn)動(dòng)起來(lái)[2].經(jīng)過(guò)理論計(jì)算，當(dāng)α粒子與氫原子正碰之后，氫原子的速度會(huì)變?yōu)榕銮唉亮Ｗ铀俣鹊?.6倍，并且，氫原子的射程約為α粒子的4倍.1914年，這些計(jì)算結(jié)果都被馬斯登利用閃爍法通過(guò)實(shí)驗(yàn)給予了證實(shí).此外，馬斯登在研究α粒子通過(guò)空氣和金箔減速和吸收的實(shí)驗(yàn)時(shí)，在熒光屏上發(fā)現(xiàn)了氫閃爍(像氫原子產(chǎn)生的一樣)數(shù)目過(guò)大的反?，F(xiàn)象.在排除了各種可能的影響因素之后，馬斯登認(rèn)為，過(guò)多的氫閃爍可能是由放射性物質(zhì)本身產(chǎn)生的.遺憾的是，1915年馬斯登由于要赴新西蘭任教，因而不得不中斷了他的研究工作.

盧瑟福在獲悉馬斯登的實(shí)驗(yàn)結(jié)果之后，充分認(rèn)識(shí)到了它的重大意義，在寫(xiě)信征得馬斯登本人的同意后，接手了馬斯登中斷的研究工作.為了確定氫閃爍的真正來(lái)源，盧瑟福重復(fù)了馬斯登的實(shí)驗(yàn)，看到了馬斯登所觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象.并且，注意到α射線源與熒光屏之間充入的空氣越多，閃爍數(shù)不但不會(huì)減少，反而會(huì)增加.為了弄清楚這個(gè)奇怪的現(xiàn)象，盧瑟福通過(guò)充入干燥的空氣，排除了水蒸氣造成影響的可能性.通過(guò)改用氧氣或二氧化碳，又排除了這兩種氣體造成影響的可能性.因此，這一奇怪現(xiàn)象只能歸因于氮?dú)饣蚩諝庵衅渌麣怏w.最終，在充入人工制備的氮?dú)庵?，發(fā)現(xiàn)閃爍數(shù)目成倍的增加，進(jìn)而確定了這一異?，F(xiàn)象確實(shí)是由氮?dú)馑鸬?在此需要特別指出的是，1917年11月的實(shí)驗(yàn)中，盧瑟福實(shí)際上是用α粒子打破了氮原子核，在科學(xué)史上首次實(shí)現(xiàn)了人工核蛻變，并最終導(dǎo)致了質(zhì)子的發(fā)現(xiàn).

盡管盧瑟福已經(jīng)知道氫閃爍是由α粒子轟擊氮核造成的，但他還無(wú)法確定射出粒子的本質(zhì)到底是什么.經(jīng)過(guò)對(duì)氫閃爍射程和亮度的分析，盧瑟福認(rèn)為從氮核射出的粒子非常像氫原子.為了揭開(kāi)氫閃爍的神秘面紗，盧瑟福做了磁偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn).由α粒子轟擊氮原子核所打出的粒子通過(guò)磁場(chǎng)時(shí)，發(fā)生了偏轉(zhuǎn)，經(jīng)分析這種粒子帶正電；又由于粒子徑跡曲線與氫原子的相同，進(jìn)而證明它就是氫核.由此得出結(jié)論，α粒子轟擊氮核時(shí)，從氮核中打出了氫核.由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，氫核應(yīng)該是組成原子核的基本成份之一.

1920年夏，在卡迪夫舉行的不列顛學(xué)會(huì)會(huì)議上，盧瑟福正式建議把“氫核”命名為“質(zhì)子”.為了證實(shí)質(zhì)子在原子核中存在的普遍性，1921年初，盧瑟福和他的學(xué)生查德威克用α粒子轟擊了硼、氟、鋁、磷等，都打出了質(zhì)子.1924年同為卡文迪什實(shí)驗(yàn)室的布萊凱特(Lord P.W.S.Blackett，1897～1974)改進(jìn)了威爾遜云室，顯示出α粒子撞擊氮原子的徑跡，從拍射的2 300張照片記錄的40萬(wàn)根徑跡中發(fā)現(xiàn)了8條從氮原子核釋放出來(lái)的質(zhì)子軌跡.從而進(jìn)一步證實(shí)了α粒子轟擊氮原子能產(chǎn)生質(zhì)子這一結(jié)論.

4中子的發(fā)現(xiàn)

到19世紀(jì)末，由于對(duì)物質(zhì)放射性的認(rèn)識(shí)和電子的發(fā)現(xiàn)，使人們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)更加深入了，進(jìn)而對(duì)元素，以及元素與元素之間的關(guān)系也認(rèn)識(shí)得更完整了.盧瑟福和索迪的研究工作大大推進(jìn)了對(duì)元素的認(rèn)識(shí).他們?cè)诜治霰姸嗟姆派湫栽貢r(shí)，索迪提出了“同位素”的概念，盧瑟福經(jīng)過(guò)分析也弄清楚了“原子序數(shù)”的本質(zhì).所謂“原子序數(shù)”就是原子核中的質(zhì)子數(shù).從盧瑟福的“核式”模型來(lái)看，將一個(gè)原子核內(nèi)全部質(zhì)子的質(zhì)量從原子核的總質(zhì)量中減去，所剩下的質(zhì)量并非很小的量.為此，盧瑟福猜測(cè)，在原子核內(nèi)一定存在著未知的粒子，它們有可能是不帶電的粒子.具體來(lái)說(shuō)，可能會(huì)存在兩種情況.一種情況是，原子核內(nèi)會(huì)存在一種不帶電的粒子；另一種情況是，原子核內(nèi)有兩種粒子，還可能是兩種已知的粒子，如質(zhì)子和電子，它們構(gòu)成一種不帶電的“復(fù)合”粒子.例如，一種元素的原子量是A，原子序數(shù)(即質(zhì)子數(shù))是Z，盧瑟福猜想，在原子核內(nèi)還應(yīng)有A-Z個(gè)電子，它與A-Z個(gè)質(zhì)子“復(fù)合”成新的中性粒子.這也可以顯示原子是不帶電的.

在盧瑟福提出他的“猜想”之后，他與學(xué)生去尋找原子核內(nèi)的未知粒子，但未果.

20世紀(jì)20年代，德國(guó)研究人員玻特(W.Bothe，1891～1957)和貝克爾(H.Becker)用從釙源中得到α粒子轟擊鈹靶；α粒子打中鈹靶后，使鈹產(chǎn)生了很強(qiáng)的輻射，并且是電中性的.不久，法國(guó)的約里奧-居里夫婦(Joliot-Curies，即老居里夫婦的女兒和女婿)也重復(fù)了這個(gè)實(shí)驗(yàn).不過(guò)，他們略微進(jìn)行了改進(jìn).他們?cè)阝敯泻竺娣帕艘粔K石蠟板.結(jié)果，他們發(fā)現(xiàn)，所產(chǎn)生的輻射更強(qiáng)了.約里奧-居里夫婦仔細(xì)測(cè)量之后，石蠟板后面的粒子是質(zhì)子流.他們也認(rèn)為，α粒子打擊鈹靶，所打出的是輻射(即γ光子流).

他們的結(jié)果發(fā)表后，引起了卡文迪什實(shí)驗(yàn)室查德威克的注意.

查德威克很熟悉盧瑟福關(guān)于原子核內(nèi)存在中性粒子的看法.當(dāng)他看到約里奧-居里夫婦的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，他感覺(jué)有一些問(wèn)題.查德威克認(rèn)為，從鈹靶打出的粒子不會(huì)是γ光子流，因?yàn)棣霉庾拥撵o止質(zhì)量為零，它們沒(méi)有那么大的動(dòng)量，不可能再?gòu)氖灠逯写虺鲑|(zhì)子.能從石蠟板中打出質(zhì)子的粒子很可能是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的(原子核內(nèi)的)“中性粒子”.盧瑟福聽(tīng)了查德威克的分析之后，覺(jué)得有道理.

查德威克的實(shí)驗(yàn)很快就完成了，果然，α粒子打擊鈹靶打出的就是一種中性粒子，而且就是盧瑟福曾經(jīng)預(yù)言的那種中性粒子(查德威克命名為中子).中子的質(zhì)量與質(zhì)子的質(zhì)量差不多，當(dāng)中子打到質(zhì)子時(shí)，中子就能把質(zhì)子“置換”出去.

由此可見(jiàn)，質(zhì)子就像靜止在石蠟板中的被撞者，當(dāng)中子撞擊它時(shí)，中子就取代質(zhì)子的位置，靜止在原來(lái)質(zhì)子的位置上，而質(zhì)子則被打了出來(lái).所以，查德威克前面研究人員的分析都是錯(cuò)誤的，α粒子打擊鈹靶產(chǎn)生的并不是強(qiáng)輻射(即光子流).特別是約里奧-居里夫婦認(rèn)為，強(qiáng)光輻射把石蠟板中的質(zhì)子打出來(lái)，這種看法是有問(wèn)題的.

查德威克的發(fā)現(xiàn)不僅驗(yàn)證了盧瑟福關(guān)于原子核成分的猜測(cè)，而且大大豐富了人類對(duì)原子結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí).

5核裂變的發(fā)現(xiàn)

1934年，當(dāng)約里奧-居里夫婦利用α粒子轟擊鋁箔時(shí)，獲得了具有放射性的磷，首先開(kāi)辟了人工制造放射性元素的途經(jīng).這一重大發(fā)現(xiàn)隨即引起了科學(xué)界的極大關(guān)注，這其中就包括意大利物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米(Enrico Fermi，1901～1954).費(fèi)米通過(guò)對(duì)約里奧-居里夫婦實(shí)驗(yàn)的分析，另辟蹊徑，想到利用中子替代α粒子作為“炮彈”轟擊原子核，用于產(chǎn)生人工放射性元素.他認(rèn)為，由于中子不帶電，不會(huì)與靶核的質(zhì)子相互排斥，與電子也沒(méi)有庫(kù)侖作用，更易于接近原子核，與靶核碰撞的機(jī)會(huì)要比帶電的α粒子或質(zhì)子更大.

1934年3月，費(fèi)米帶領(lǐng)他的研究小組利用釙加鈹制備中子源，但這種中子源太弱.為此，他們改用氡加鈹，制備成功了符合實(shí)驗(yàn)需要的中子源.利用這個(gè)中子源，費(fèi)米小組按照原子序數(shù)的順序轟擊了當(dāng)時(shí)已發(fā)現(xiàn)的所有核素.當(dāng)轟擊到氟時(shí)，即得到了人工放射性元素，相應(yīng)研究成果發(fā)表在意大利的《科學(xué)研究》雜志上.隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展，他們發(fā)現(xiàn)了一系列具有放射性的元素，最后他們終于轟擊到了鈾核，鈾核是當(dāng)時(shí)已知的最重的原子核.經(jīng)過(guò)化學(xué)分析，他們發(fā)現(xiàn)，中子轟擊鈾核得到的產(chǎn)物不同于以往轟擊其他原子核會(huì)產(chǎn)生小于或等于靶元素原子序數(shù)產(chǎn)物的情況，因?yàn)樗麄兎治龅贸鲞@種產(chǎn)物并不屬于從原子序數(shù)為第82號(hào)的鉛到第92號(hào)的鈾之間的任何元素.這實(shí)際上是中子轟擊重原子核產(chǎn)生核裂變的最早證據(jù).但在當(dāng)時(shí)，費(fèi)米小組的研究人員并沒(méi)有想到中子轟擊重核會(huì)使后者分裂成幾塊碎片.他們認(rèn)為，這種產(chǎn)物可能是轟擊鈾后，所得鈾的同位素再經(jīng)過(guò)β衰變后產(chǎn)生的第93號(hào)新元素，即超鈾元素.對(duì)這個(gè)結(jié)論，費(fèi)米沒(méi)有多大把握，還不敢肯定所發(fā)現(xiàn)的是“超鈾元素”.直至1938年，他們也沒(méi)完全弄清楚第93號(hào)元素.盡管如此，他們還是審慎地宣布，他們可能得到了第93號(hào)新元素.從后來(lái)的發(fā)展看，他們也就錯(cuò)失了首先發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象的機(jī)會(huì).

費(fèi)米小組的研究吸引了不少科學(xué)家的注意.對(duì)于費(fèi)米小組得到超鈾元素的結(jié)論，德國(guó)女化學(xué)家艾達(dá)·諾達(dá)克(Ida Eva Tacke Noddack)發(fā)表了獨(dú)特的觀點(diǎn).她與她的丈夫正在研究第43號(hào)元素和第75號(hào)元素，而且夫婦二人共同發(fā)現(xiàn)了第75號(hào)元素(為紀(jì)念艾達(dá)的出生地，把第75號(hào)元素命名為“錸”).她認(rèn)為，利用中子轟擊鈾核后，鈾核會(huì)分裂成幾塊碎片，它們應(yīng)是已知元素的同位素，并不是鈾的相鄰元素[3].可惜的是，艾達(dá)·諾達(dá)克并沒(méi)有通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證自己的看法.因此，她的意見(jiàn)并沒(méi)有引起包括費(fèi)米小組在內(nèi)的科學(xué)家的重視.此外，根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，已知的核反應(yīng)(即原子核經(jīng)過(guò)α衰變和β衰變)產(chǎn)生的新核與原核相差不過(guò)幾個(gè)質(zhì)子或中子，重核不可能分裂成幾個(gè)中等核，因此，許多人認(rèn)為艾達(dá)·諾達(dá)克的想法非?！盎闹嚒?

除了諾達(dá)克，奧地利物理學(xué)家莉斯·邁特納(Lise Maitner，1878～1968，中國(guó)核物理學(xué)家王淦昌的老師)也在密切關(guān)注費(fèi)米小組的研究進(jìn)展.1934年，在獲悉費(fèi)米小組的研究后，身在柏林的邁特納對(duì)此產(chǎn)生了濃厚的興趣，隨即說(shuō)服德國(guó)化學(xué)家?jiàn)W托·哈恩(Otto Hahn，1879～1968)一同投入尋找“超鈾元素”的研究，1935年，德國(guó)化學(xué)家弗里茨·斯特拉斯曼(Fritz Strassmann，1902～)也加入了他們的小組.邁特納小組分工明確，邁特納負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和確定反應(yīng)機(jī)制，哈恩和斯特拉斯曼負(fù)責(zé)化學(xué)分析.為了驗(yàn)證費(fèi)米小組的結(jié)論，他們先是重復(fù)了費(fèi)米小組的實(shí)驗(yàn)，認(rèn)同了費(fèi)米小組的結(jié)論(但他們也錯(cuò)了).為了獲得原子序數(shù)更高的超鈾元素，邁特納小組利用他們化學(xué)分析方面的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步對(duì)中子轟擊鈾核的實(shí)驗(yàn)研究.

1936年，在一次實(shí)驗(yàn)中，斯特拉斯曼觀察到，在產(chǎn)物中出現(xiàn)了第56號(hào)元素鋇.然而，邁特納卻不相信.因?yàn)楦鶕?jù)當(dāng)時(shí)的經(jīng)驗(yàn)，第92號(hào)元素鈾核經(jīng)中子轟擊后只能產(chǎn)生鈾的鄰近元素，不可能出現(xiàn)原子序數(shù)遠(yuǎn)小于第92號(hào)的其他元素，這個(gè)重要發(fā)現(xiàn)就這樣被人為忽略了.

1938年7月，為了躲避德國(guó)納粹的迫害，身為猶太人的邁特納不得不逃離德國(guó)，先到荷蘭，后又取道丹麥，來(lái)到了瑞典.盡管離開(kāi)了德國(guó)，邁特納仍然同哈恩和斯特拉斯曼保持著聯(lián)系.1938年10月，哈恩寫(xiě)信給邁特納，告訴她在實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了第88號(hào)元素鐳.對(duì)此，邁特納不相信產(chǎn)物中會(huì)有鐳，她認(rèn)為一個(gè)慢中子轟擊鈾核，鈾核不可能發(fā)射出兩個(gè)α粒子而形成鐳.為此，她在回信中告誡他們要仔細(xì)分析實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物.

在邁特納的建議下，哈恩和斯特拉斯曼對(duì)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)物重新進(jìn)行了檢驗(yàn)，否定了先前產(chǎn)物中含鐳的結(jié)論，確定這應(yīng)該是第56號(hào)元素鋇.哈恩對(duì)此更加大惑不解，為什么在產(chǎn)物中會(huì)含有鋇呢？為此他急切期望邁特納在理論上的合理解釋.

1938年12月，哈恩寫(xiě)信給邁特納，詳細(xì)介紹了實(shí)驗(yàn)中的細(xì)節(jié).這也同樣令邁特納十分困惑.此時(shí)圣誕節(jié)臨近，邁特納的外甥弗里施(O.R.Frisch)正好從丹麥來(lái)瑞典看望她.弗里施看到了哈恩的來(lái)信，二人對(duì)這個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入探討.為此他們聯(lián)想到玻爾的“液滴模型”.如果原子核被看成一個(gè)帶電液滴，核子由于核力被束縛在一起，重核中質(zhì)子間的庫(kù)侖力幾乎可與核力相抗衡，因此俘獲中子后的鈾核是不穩(wěn)定的，會(huì)分裂成兩塊大致相等的核.通過(guò)進(jìn)一步分析，邁特納指出哈恩和斯特拉斯曼的反應(yīng)產(chǎn)物中除了第56號(hào)元素鋇外，還應(yīng)有第36號(hào)元素氪.邁特納還根據(jù)愛(ài)因斯坦的質(zhì)能方程，利用核分裂前后的質(zhì)量虧損計(jì)算出了該反應(yīng)釋放出的能量約為200 MeV.邁特納和弗里施從物理學(xué)的角度給出了圓滿解釋.為了檢驗(yàn)他們的理論解釋正確與否，弗里施回到丹麥后迅速開(kāi)展實(shí)驗(yàn)工作，最終觀測(cè)到了核反應(yīng)過(guò)程中所釋放出的巨大能量，為他們的解釋提供了有力的佐證.

1939年1月，哈恩和斯特拉斯曼將他們的研究成果發(fā)表在了《自然科學(xué)》雜志上，但其中仍有使他們困惑的東西.不久之后，邁特納和弗里施也將他們的理論研究成果發(fā)表在了《自然》雜志上.由于中子轟擊鈾核發(fā)生分裂的過(guò)程同生物學(xué)中的細(xì)胞分裂非常相似，弗里施將這一新型核反應(yīng)過(guò)程形象地稱為核裂變[4].核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著原子能時(shí)代的到來(lái)，為人類利用核能開(kāi)辟了道路，是科學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)重要里程碑.令人遺憾的是，1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)只授予了哈恩，而為核裂變理論的確立做出重要貢獻(xiàn)的邁特納卻未能分享這一殊榮.

6結(jié)語(yǔ)

在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子和中子的過(guò)程中，盧瑟福的貢獻(xiàn)是非凡的.正是盧瑟福的工作，使人們開(kāi)始關(guān)注原子核的結(jié)構(gòu).而α粒子成為盧瑟福最早研究原子的“利器”，在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的過(guò)程中發(fā)揮了重要的作用，使盧瑟福能以簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)設(shè)備完成一次偉大的發(fā)現(xiàn).也正是盧瑟福超凡的洞察力，使他抓住機(jī)會(huì)，繼續(xù)了馬斯登中斷的實(shí)驗(yàn)，為發(fā)現(xiàn)質(zhì)子創(chuàng)造了可能.而且，盧瑟福善于抓住實(shí)驗(yàn)本質(zhì)并堅(jiān)持不懈，使他能夠抓住怪異的“長(zhǎng)程閃爍”現(xiàn)象進(jìn)行追究.最后，盧瑟福對(duì)實(shí)驗(yàn)精確性的孜孜以求最終使得質(zhì)子“水落石出”.質(zhì)子發(fā)現(xiàn)之后，盧瑟福繼續(xù)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明質(zhì)子的普遍性；并且不懈地推廣“質(zhì)子”的名稱.此外，由于盧瑟福關(guān)于“中性粒子”的猜測(cè)，對(duì)查德威克產(chǎn)生影響，使查德威克在德國(guó)和法國(guó)科學(xué)家的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上發(fā)現(xiàn)了中子.由此可見(jiàn)，人們?cè)谟^察和實(shí)驗(yàn)時(shí)自覺(jué)或不自覺(jué)地滲透著實(shí)驗(yàn)者腦中的理論(指導(dǎo)).

在核裂變的發(fā)現(xiàn)過(guò)程中，哈恩和邁特納的研究工作歷經(jīng)曲折，特別是費(fèi)米小組尋找“超鈾元素”的工作，給出了一些“誤導(dǎo)”的信號(hào).但在經(jīng)過(guò)艱苦的探索和失敗，他們終于走上了坦途.

當(dāng)然，費(fèi)米小組錯(cuò)失對(duì)核裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)的原因很多，其中一條就是由于他們束縛于此前利用中子轟擊其他元素得到原子序數(shù)小于或等于靶元素的經(jīng)驗(yàn)，導(dǎo)致他們對(duì)產(chǎn)物的化學(xué)分析僅局限于鈾的鄰近元素.這再次說(shuō)明：人們?cè)趯?shí)驗(yàn)中自覺(jué)或不自覺(jué)地受到實(shí)驗(yàn)者腦中的理論的“指導(dǎo)”.

從這些發(fā)現(xiàn)的過(guò)程可以看出，盧瑟福非凡的洞察力是不言而喻的，但艱苦的工作仍是必不可少的.而邁特納研究的曲折，更說(shuō)明，研究是在黑暗中摸索著前進(jìn).另外，約里奧-居里夫婦為中子的發(fā)現(xiàn)所作的實(shí)驗(yàn)工作也是至關(guān)重要的.

在發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的歷程中，盧瑟福不僅設(shè)計(jì)了巧妙的實(shí)驗(yàn)裝置，而且還每每躬親實(shí)驗(yàn)，完全沒(méi)有成名后的傲氣和浮躁.盧瑟福能在繁瑣的事務(wù)和戰(zhàn)時(shí)軍事研究的繁忙工作之中堅(jiān)持不懈，難能可貴！這的確是今天的科技工作者所應(yīng)仿效的！

參 考 文 獻(xiàn)

1王曉義，李欣欣.從α粒子的發(fā)現(xiàn)到散射實(shí)驗(yàn)——紀(jì)念α粒子散射實(shí)驗(yàn)100周年.物理教學(xué)，2010(1):2～3

2王曉義，劉樹(shù)勇.紀(jì)念質(zhì)子發(fā)現(xiàn)90周年——盧瑟福和他對(duì)質(zhì)子發(fā)現(xiàn)的突出貢獻(xiàn).物理教師，2009(9):42～44

3何澤慧，顧以藩.原子核裂變的發(fā)現(xiàn)：歷史與教訓(xùn)——紀(jì)念原子核裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)60周年.物理，1999(1):6～14

4黃紀(jì)華.麗絲·邁特納——核科學(xué)中的杰出女先驅(qū).自然辯證法通訊，1991(6):60～67