著:姚荏富

1897年,坐落於英國劍橋大學內的卡文迪西實驗室,向世界宣布他們的重大發現,一種小於原子的亞原子粒子——電子被證實存在。這項發現轟動了整個科學界,使得原本就十分有名的卡文迪西實驗室,受到了更多的關注,在JJ湯木生的領導下,卡文迪西實驗室獲得巨大的成功,除了國內學術與工業人才前來聽課外,國外學者也紛紛跑來取經和研究。

在精英薈萃的卡文迪西實驗室中,有位特別的研究生,他來自遙遠的紐西蘭,這個被認為來自鄉下(英國遠方殖民地)的青年,擁有十分高超手藝、且對於電波的研究十分熱衷,在進入卡文迪西實驗室前在紐西蘭便設計出一種十分靈敏的接收器,並完成了紐西蘭的第一次電報。在卡文迪西實驗室裡,原本視他為土包子的同學們,在見識到他的能力後無不刮目相看。而當時實驗室的主任JJ湯木生也這樣說到

「在卡文迪許的所有學生中還沒一人對研究所的熱情能比過他的。」

他是拉賽福,一個起家於電磁波研究,結果卻打開核子世界大門的傑出科學家。

不過拉賽福半路出家,原因其實是因為他的老師JJ湯木生。當時正值湯木生發現電子之後,居里夫人發現「鐳」並對放射性做研究的階段,科學界正因為這一連串的發現開始注意到一個十分重要的課題,那就是「原子內部究竟是什麼樣子」。當時的科學研究成果不管是JJ湯木生發現了電子、居里夫人發現了放射性、侖琴發現的X光,這些發現都來自於原子的內部,但原子裡面究竟是什麼樣子,在此之前只有湯木生所提出的「西瓜模型」對原子內的世界做了簡單的預測,大家對於原子裡面的世界也還停留在猜想的階段,而對於原子的探索便成了當時十分尖端的一項研究,大家都想破解原子的秘密,使人類對大自然的了解更進一步。

拿到原子世界敲門磚的湯木生對於原子內的探索自然很感興趣,這個陌生的領域,需要更多優秀的人才投入研究,於是在湯木生的建議下,拉賽福將原本電磁波的研究方向轉移到了對原子性質的探索。不過轉換跑道不只沒有限制拉賽福的發展,甚至還使拉賽福的能力更加發光發熱,擅長設計實驗的他,在換跑道的一年後,就成功利用強大的磁場將具有強烈放射性的原素「鐳」分離出三種不同的射線,並將這三股射線的性質做紀錄加以命名。也就是我們現在所說的αβγ射線,一踏入原子世界就展現無限潛力的拉賽福,隔年從卡文迪西實驗室畢業後,在湯木生的推薦下轉而到加拿大蒙特婁的麥吉爾大學任職,並在教學之餘繼續從事放射性相關的研究。

在加拿大的九年裡,拉賽福在放射性的研究上取得十分豐碩的成果,對當時實世界許多領域都造成轟動,他發現發現元素的半衰期,並由半衰期推斷出地球的年齡遠高於當時宗教所認為的6000年、發現同位素,藉此證明原子量並不是最適合做元素排序的指標(其學生莫瑟萊發現真正的規律來自於原子序)、並提出原子會自然衰變的看法,挑戰了當時認為元素間無法轉換的觀點。而這些發現也使他得到1908年的諾貝爾化學獎,不過尷尬的是,拉賽福本身並不認為自己是化學家,所以在頒獎時便脫口說出了「所有的科學不是物理,就是集郵」這樣調侃的話。

1907年,拉賽福回到英國曼徹斯特大學教書,各路英才紛紛聚集過來,這些科學家來自德、英、法、丹麥等歐洲各國,整間實驗室彷如一個科學聯合國,在拉賽福的帶領下,即將開始進行一個全新的實驗。為了要探索原子內的世界,拉賽福想到了一個方法,那就是「打碎原子」

「只要打碎一顆原子,我們不就可以知道原子裡有什麼東西了嗎?」拉賽福說道

而這個「打碎原子計畫」是這樣設計的,選用一種速度快質量重的大砲,去打相當薄的金屬片,最好薄到只有一顆原子的厚度,為了確保原子被炸碎的碎片和射出的砲彈可以完全被觀測到,便在薄片附近用感測器圍住,如此一來只要將砲彈發射出去就可以得知會發生什麼事了。

最後拉賽福選擇了α射線作為打碎原子的砲彈,他是當時科學家可控制的粒子中質量與速度最接近拉賽福要求的選項,在確定砲彈後,將砲彈打向厚度僅0.0000086cm厚的金箔薄片,這也就是我們現在所說的拉賽福散射實驗。散射實驗一開始就像湯木生的西瓜模型假設的一樣,如果正負電均勻分布在整顆原子中,α射線的粒子在擊中金箔的原子時就會產生小幅度的偏轉,而實驗的結果確實有些偏轉發生,但大多數是直接穿過金箔薄片。

「或許湯木生先生的假設是正確的,你看α射線全都順利通過了」他的工作夥伴蓋革這樣說道

「這些真的是全部的結果嗎?我們再多重複幾次,只有重複才能發現偶然現象,而這些偶然的現象背後多半伴隨著我們所沒有注意到的規律。」拉賽福這樣回道

說著說著拉賽福走到感應器後方,建議蓋革多試試幾個角度去看看結果會不會一樣。就在幾天後,蓋革又驚又喜的拉著拉賽福來到實驗室

「拉賽福先生,你說的沒錯,雖然大部分的α射線都穿過了金箔,但我發現竟然有極少數α射線發生了180度的偏轉!」蓋革興奮的說到

「α射線被直接反彈回來嗎……,不可能呀,要讓α射線被反彈的話均勻散佈的正負電粒子是做不到的……,除非原子內有比α射線質量更具大的粒子團才有可能辦到」拉賽福喃喃道

此後幾天拉賽福將自己關進實驗室,一連好幾天沒出來,只為了繼續研究這神奇的實驗結果究竟代表怎麼樣的意義。在和學生的討論中,拉賽福這樣形容他們的實驗發現

「這個實驗發現十分奇特,他就像我們找了一堆砲兵朝著一張白紙開炮,結果竟然有砲彈直接彈了回來,雖然這樣的狀況是極少數,但這樣的極少數裡面一定包含了我們還沒發現的秘密」

而這樣的規律也被拉賽福給測量的出來,每8000顆α射線會有一顆發生反彈的現象。為此拉賽福推出以下結論

「除了湯木生老師發現的電子外,原子內部一定有一個集中了全部正電與質量的核,這個核帶有大量正電荷足以將帶正電的α射線完全反彈,但這個核非常小,他占原子的體積就像高爾夫球之於高爾夫球場這麼大,所以α射線8000發才有一發擊中他。」拉賽福推論道

「如果是這樣,那原子應該是什麼樣子呢?」學生們問道

「你們看,原子內已經不可能像湯木生先生所說的像西瓜那樣了,原子的中心有體積極小的核,外面有圍繞著他運動的電子,比起西瓜,他應該更像哥白尼所說的太陽系!」而這,就是拉賽福所提出的行星模型

1911年,拉賽福正式提出他的行星模型,造成了極大的轟動,這在歷史上有十分重要的意義,雖然這些實驗結果確實證明了原子內有核的結構,但當時因為拉賽福沒有辦法解釋為何電子可以繞著原子核轉而不損耗能量(原本的西瓜模型正負電都是靜止在原子之中),所以受到許多質疑,拉賽福甚至不諱言的在論文上寫道

「現階段,我們不考慮原子的穩定性問題,因為這牽涉到原子內更細部的結構以及帶電組成的運動」

所以這樣的模型一出來並不被大眾接受,不過在兩年後他的模型就被他的學生波爾解釋完成,而詮釋這個模型的關鍵理論就是當時科學發展的下一把鑰匙「量子力學」。拉賽福的行星模型正是古典物理與近代物理的交會點呀!

故事還沒結束,1919年,拉賽福回到卡文迪西實驗室從他的老師JJ湯木生手中接下了主任的棒子,而這裡也是他研究生涯的最後一個階段,就如同他前三個階段,剛進卡文迪西實驗室轉換跑道後便分離出αβγ射線,到加拿大之後因為核衰變研究拿下諾貝爾化學獎,回到英國曼徹斯特後發現了原子核提出行星模型,這回他回到卡文迪西實驗室當主任,他決定要再來玩一次打碎原子的實驗。

這次一樣是拿α射線當作砲彈,但這次要炮打的目標是「氣體」,拉賽福將α射線射入滿是氮氣的空間中,藉此來看看砲彈打中氮氣後是否會有特殊的現象發生。而實驗確實發生了意料之外的結果,他在感應器中發現,竟然出現了「氧氣」!只含有氮氣的空間中經α射線的撞擊後,出現了原本完全不存在的氧氣,這個過程中還伴隨著一顆氫原子核的出現,對此拉賽福的推論是原本的氮氣和α射線發生了原子核的反應,所以才生成原本不存在的氧氣,這就是人類第一次以人為方法來發生核反應。

拉賽福除了成功完成了人類有史以來第一次的核反應外,還將這次實驗中出現的氫原子核定名為質子,過去許多科學家認為所有的元素都是氫原子所組成的,因為所有元素的重量都會是氫原子的整數倍,所以有這樣的說法,但這並沒有確切的實驗足以證明這項假設。不過在拉賽福實驗後發現,在這些核反應的發生過程中總是會伴隨氫原子核的出現,再加上一顆氫原子核的帶電量與一顆電子相同但電性相反,所以他合理懷疑與湯木生所發現的電子相對應的就是氫原子核,定將氫原子核命為質子,也就是人類發現的第二種亞原子粒子,如此一來原子內電荷的來源就得到了合理的解釋,只是,拉賽福發現,當我們能測量到原子內的質子與電子後,將質子的質量加起來卻遠遠不及原子量(電子質量比質子小了2000倍左右加了並不影響這個結果),所以剩下的質量是從哪來的呢?拉賽福大膽假設原子內一定有不帶電的粒子存在,但另一個問題是,一個不帶電的粒子到底要怎麼去找到他呢?這成了科學界的一道新難題。


參考資料

《化學通史》凡異出版

《數理化通俗演義》好讀出版

《從故事看科學》世潮初版

《他們創造了科學—改變人類命運的科學先驅》究竟出版

元素週期表的蛻變—《科學月刊》

《諾貝爾百年百人—化學獎》世潮出版

《科學史》華立文化出版

《科學的1000個瞬間》究竟出版

《化學簡史》中國人民大學出版