科學家的時空背景

  19世紀末,科學發展呈現一片樂觀的趨勢,甚至有物理學家認為「物理學即將終結」,所有的物理學問題都會再20世紀來到前得到解決。然而,1897年,湯姆森藉由實驗證明了「陰極射線就是由比原子還要小的粒子組成」,這個發現震撼了一直以來深信原子說的科學界。電子的發現,說明了科學家過往的研究成果都還有再進一步深入研究的可能,一場對於物理學全面的革新即將到來。

  在20世紀初期,科學家能夠研究原子模型的重要工具是「放射線」。自從1895年倫琴發現X射線之後,法國貝克勒、英國湯姆森、波蘭的瑪莉.居禮以及本文的主角拉塞福等研究者紛紛投入放射線的研究,他們發現了這些射線不但能穿透肌肉,照出人體內骨骼的形狀;還具有可以讓空氣電離,能夠穿透金屬薄片等等的特性。「放射線是什麼」及「放射線能做什麼」成為了頂尖的研究者紛紛投入的主題。

圖一、發現X光的倫琴

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圖二、率先研究天然放射元素的貝克勒

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圖三、分離出「鐳」「釙」兩種放射性元素的瑪莉.居禮

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圖四、研究陰極射線,並發現電子的湯姆森

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  隨著對放射線的研究越來越深入,科學家們也發現這些射線可以拿來研究「看不見」的世界:比原子還要小的世界。這種新工具也在20世紀的頭幾年中,讓科學家對於原子內部的構造有非常大的進展。在1897年湯姆森找到電子存在的證據之後,正式開啟了科學界尋找基本粒子的旅程。原先科學界認為原子就是組成所有物質的最小單位,但電子的存在向科學研究者指引了一個清楚的方向:還有比原子更小的世界存在。電子到底是怎麼分佈的?除了電子之外的其他部分又是怎麼組成的?葡萄乾布丁模型真的是最終的解答嗎?這些疑問一個又一個的出現在20世紀初。而科學家們逐漸發現,放射線似乎就是解開原子模型的關鍵。

科學家的經歷

"我是個單純的人,只想要單純的答案。"

 -拉塞福

  1871年,歐尼斯特.拉塞福(Ernest Rutherford,1871- 1937)出生在紐西蘭的鄉間。就像多數的鄉下小孩般,他的童年生活在森林、田地,以及鋸木工廠與磨坊之中度過。在家中12個小孩中排行第4的拉塞福熱情開朗,體型壯碩且有著宏亮的嗓門,據說他會在實驗室中邁步高唱聖歌,帶領整個實驗室狂熱的栽進科學研究之中。

圖五、歐尼斯特.拉塞福

  「拉塞福先生非常富於才智,待人親切仁慈,樂於幫助其他學生。......所有見過他的人都會樂於親近他。」1895年,拉塞福的老師畢克頓在推薦信函中這樣寫著,同年,他獲得劍橋的獎學金,順利來到劍橋三一學院,並且進入當時最頂尖的卡文迪許物理實驗室,接受湯姆森的指導鑽研物理學。在湯姆森的指導下,拉塞福開始了他對放射線X光與氣體導電性之間的研究。拉塞福的成果成為了湯姆森能夠成功推論電子存在的重要根據之一。隔年,他被湯姆森推薦成為加拿大麥吉爾大學的物理系主任,拉塞福也開啟了自己成為20世紀初最重要的物理學先驅及導師的旅程。

  在19世紀的最後幾年與20世紀的頭幾年間,整個科學界熱衷於放射性的研究。從倫琴發現X射線,貝克勒等人開始對鈾等天然放射性元素進行深入研究。瑪莉.居禮與皮耶.居禮夫婦設計了可以測量放射性的儀器,成功說明了放射性的成因與原子的本質有關,而與原子間的化學作用無關。瑪莉與皮耶夫婦開啟了物理學家一道研究的大門,學者們開始使用放射性來研究原子本質,而拉塞福更成為其中的佼佼者。

  1902年拉塞福發表〈放射性的成因與性質〉一文,他試圖提出理論,說明不同元素的原子會經由嬗變(煉金術術語中用來形容元素轉換成不同元素的過程,現在核物理學中使用核轉換來代表這一個過程)的過程發射出放射線。他的研究夥伴索迪(Frederick Soddy,1877- 1956)在觀察到元素的轉換時喊到「拉塞福,這是嬗變!」拉塞福則回答:「索迪,看在上帝的份上,別叫它嬗變。他們會把我們當作煉金術士砍頭的!」

  1903年,他持續發表有關放射性元素的研究,並試圖說明beta射線與gamma射線的性質(分別在1902年被考夫曼證實是電子、1914年被拉塞福證實是一種電磁波)。在放射性研究中,他觀察到放射性元素會有一個穩定的衰變(原子量高的元素轉變成原子量低的元素)規律,但並沒有理論可以解釋衰變的過程,這建立了他對原子內部模型的好奇。

  1908年,他因為對放射線成因的研究獲得了諾貝爾化學獎。拉塞福從加拿大回到了英國曼徹斯特大學,並且繼續他對於放射性與原子結構的探索。他首先與他的研究助手漢斯.蓋格一同研究了α射線,並得出α射線可能是沒有電子、帶正電的氦原子(帶+2電量的氦)的結論。拉塞福希望近一步收集與α射線有關的特性,因此隨後指派漢斯.蓋格與當時還是學生的歐內斯特.馬斯登繼續進行α散射的實驗,利用顯微鏡來觀察α粒子打擊在屏幕上產生出來的微小閃光。

圖六、蓋格-馬斯登實驗所使用的儀器,左側長管為顯微鏡目鏡,右側圓柱內為金箔及α粒子源,而圓柱本身即為屏幕(側邊開孔是為了展示內部結構)

  根據當時對原子的理解,帶有高能量的α粒子在射擊這麼薄的金箔時,因為金箔原子裡面有帶負電的電子以及帶正電的物質,所以金箔原子裡面帶正電的物質可能會讓一樣帶有正電荷的α粒子產生小幅度偏轉,但α粒子所帶有的高能量,會讓這一個偏轉僅有極小的角度。就好比使用大砲射擊木板一樣,大砲可能會因為木板而稍稍改變方向,但轉動的角度會非常微小,全部都會集中在僅有小角度偏轉的方向上(如圖七)。為了實驗數據完整,拉塞福希望馬斯登在觀察時觀察所有的角度,而不是只有預測中的小範圍角度。而馬斯登認為,這是拉塞福為了訓練他實驗觀察的能力,因此也不期待可以觀察到任何結果。

圖七、在正電荷佔據了原子大部分空間的模型中(左),大多數的α粒子會出現小幅度的偏轉,因此預測的觀測結果(右)裡,所有的α粒子都應該穿過金箔,並且產生一點點偏轉。

科學家發現的問題

  在開始進行實驗後,他們發現絕大多數的α粒子似乎完全不受金箔原子影響,直接穿越金箔。而有極小部分的粒子卻用大角度彈出(如圖八),甚至有機會出現幾乎180度的偏轉。這與預測的結果不符合。

圖八、馬斯登的觀測,幾乎所有α粒子都直接穿過,極少數產生偏轉,且角度遠大於預期

  因為根據湯姆森的模型,原子內的正電荷是平均分散在整個原子之中,所以雖然依照同性相斥的原理,原子內的正電荷會讓帶α粒子產生偏轉,但理論上應該只能夠讓帶α粒子產生小角度的偏轉。拉塞福曾在後來的演講中表示:「這是我一生中發生過的最令人難以置信的事件。這幾乎就像你向一張衛生紙發射了15英寸的砲彈,然後砲彈回來擊中你一樣不可思議。」(如圖九)

圖九、湯姆森葡萄乾布丁模型(左),帶有正電荷的物質佔據原子大部分的空間。無論是哪個模型,大部分的α粒子只會出現小幅度偏轉

科學家的聯想

  拉塞福開始思考預測與觀測不符的原因,他首先聯想雖然產生大角度的反彈與預期不同,但是根據他們當時的對於作用力的認識,因為α粒子帶有正電,能夠反彈α粒子的只有可能是帶正電的物質。電學的理論中,電荷之間會有同性相斥的現象,這是帶有正電荷的α粒子飛進金箔中時,產生偏轉的主要原因。所以當α粒子飛進金原子中時,帶有高能量的α粒子發生偏轉的原因可能是因為金原子內的正電荷。

  拉塞福聯想到實驗觀測結果中只有極少數的α粒子會產生大角度的偏轉。產生接近180度反彈的α粒子,只有1/8000不到的機率,其餘大部分的粒子,卻完全沒有偏轉直接穿越金箔。這代表了只有極少數的α粒子被金原子影響,絕大多數的α粒子在穿過金箔時並沒有受到任何作用力,代表帶有金原子的正電荷物質都集中在極小的區域內。

  拉塞福最後聯想到在湯姆森的模型中,這些帶有正電荷的物質占了原子大部分的質量。也就是說,原子中的質量都集中在某一個小區域之中。

科學家的假設

  在過了一年多的思考與計算之後,1911年拉塞福發表論文〈物質對α與β粒子的散射與原子結構〉,在文章中他認為會產生這樣的結果唯一的可能是原子內帶正電荷的物質分布非常不平均。帶正電荷的物質不是任何一個原子模型所說那樣,佔據原子大部分的空間,而是集中在原子中非常非常小的空間中。所以大部分的α粒子在射擊時,其實是直接穿越空無一物的原子;只有射擊路徑靠近超小的原子核的一小部分α粒子,才因為帶有正電,被原子核高密度的正電荷排斥彈回(如圖十)。這就好像對著一個棒球場大小的場地隨機丟球(整個原子),然後期待可以打中本壘板(原子核)一樣,只有極少數的球會打中本壘板(只有極少數的球會打到原子核並反彈)。

圖十、拉塞福的原子核模型(原子核未依比例繪製),在這個模型中,絕大多數α粒子會直線穿透原子,少數路徑靠近原子核的α粒子則會出現大角度偏轉。

科學家的驗證與結論

  拉塞福接著做了一系列的計算。如果原子內的情形真的是拉塞福的原子核模型的話,那透過計算靜電力的大小,就可以算出粒子在穿過標靶的不同金屬材質、不同厚度、α粒子不同發射速度下的散射機率。例如說當金箔變厚時,由於α粒子會有更大的機會與原子核發生碰撞,因此大角度的偏轉機率就會提升,透過觀測出來的散射結果,就可以驗證出計算出來的機率是否正確。

  在1911年至1913年間,他重覆進行實驗,驗證他的新模型。而無論是調整哪一項因素,拉塞福的實驗結果都與他所計算出來的預測相符。這些實驗表明了,拉塞福的模型能夠正確的預測α粒子散射的路徑,證明了拉塞福的原子核模型是更有可能的模型。

  最後,拉塞福提出他的原子模型。原子的結構並不是拉塞福的老師湯姆森所認為的,是葡萄乾布丁模型,而是一個極小的原子核與周圍環繞的電子才對。在拉塞福的模型中,幾乎沒有質量的電子繞行著體積極小的「原子核」旋轉,雖然他並不知道原子核的組成成份,但拉塞福認為,原子核必定帶有與外圍電子負電荷相等的正電荷,讓整個原子保持電中性。且由於電子幾乎不具有質量,所以原子核佔有整個原子幾乎全部的質量。

  舉例來說,拉塞福用來進行金箔實驗的α粒子,在之前的研究都認為是不帶電子,帶有正電的氦原子。而在拉塞福有原子核的想法之後,他認為α粒子就是氦原子核。

科學家第二次的經歷

  拉塞福建立了原子核模型後,科學家們紛紛對拉塞福原子核模型進行各種方式的檢驗,結果都如同拉塞福所計算出的原子核模型一樣。除了原子核以外,只有帶一個電子、最小最輕的氫原子則非常適合拿來研究原子中的電子運動,科學家們因此展開了許多對於氫原子的研究。這些研究因為第一次世界大戰開打而中斷,直到大戰結束,科學家才離開戰場與工廠,回到了實驗室中。

科學家第二次發現的問題

  在1919年第一次世界大戰結束後,拉塞福接任他的老師湯姆森卡文迪許實驗室主任的位置,繼續研究α粒子(氦原子核),並帶領團隊繼續使用各種放射線轟擊不同的原子進行實驗。

圖十一、拉塞福為主任時的卡文迪許實驗室

  在使用α射線轟擊氮氣的實驗中,他們發現在射擊後產生了一顆更小顆不帶電子的氫原子,而這違反了化學反應的基本定理。

  因為元素的定義就是不可能再轉變的物質,除了放射性元素的嬗變外,無論用任何方式,都沒有辦法從一種元素中生出另外一種新的元素。然而,在拉塞福用α射線(氦原子核)射擊氮氣的實驗中,α射線(氦原子核)與氮原子撞在一起,卻產生了新的氫原子。

圖十二. 拉塞福用α射線撞擊氮氣的實驗裝置

圖十三. 拉塞福用α射線撞擊氮氣的實驗示意圖(拉塞福在左上方的玻璃管(圖Nitrogen處)通入氮氣,再從容器內部左方放出α射線(Alpha particles),最後用最後方的顯微鏡(Microscope)觀察屏幕(Zinc suophide screen))

科學家第二次的聯想

  這可能代表著人們對原子的本質理解不一定正確,拉塞福首先聯想到所有原子的質量都是氫原子的整數倍。與拉塞福同樣在卡文迪許實驗室進行研究的弗朗西斯.阿斯頓(Francis Aston,1877- 1945)在同一年,發表了元素的整數法則。他透過發展質譜儀,來測量不帶電子的各種元素原子核的質量。他找到了200多種天然的元素(這邊的元素包含同位素,但當時並不知道),說明無論是何種元素,所有的原子質量都是氫原子的整數倍,代表著世界上存在所有的元素,可能都是氫原子構成。

  拉塞福聯想到,在他所提出來的原子核模型中,原子核是帶正電的,同時這一個沒有電子的氫原子也同樣是帶正電的,這代表著原子核的正電物質,有可能就是由這一個沒有電子的氫原子所組成的。

科學家第二次的假設

  在思考了被α粒子擊出的「沒有電子的氫原子」的成因後,拉塞福假設這個「沒有電子的氫原子」就是組成原子核的基本單位。所以在使用α粒子(氦原子核)射擊氮氣後,當α粒子與氮原子核碰撞時(兩者都是由「沒有電子的氫原子」組成),一個「沒有電子的氫原子」就在碰撞個過程中被擊出。

科學家的後續

  拉塞福將這一個從原子核裡面被擊出的「不帶電子的氫原子」,也就是「氫原子核」,視為組成原子核的基本單位。由於這是組成質量最輕的氫原子核的基本粒子,他用拉丁文代表「第一(氫的原子序為1)」的「proton」來命名這一個新的粒子。拉塞福接著提出了修正的原子核模型。在原子核中,有許多質子聚集在一起,而在原子核外有對應數量的電子環繞著原子核旋轉。

  接下來幾年間,一樣是卡文迪許實驗室的年輕科學家帕特里克·布萊克特(Patrick Blackett,1897- 1974)在拉塞福的指導下重複進行這個實驗,他透過可以顯示原子碰撞軌跡的雲霧室觀察每一個粒子在碰撞前後的軌跡。他發現在α粒子(氦原子核)撞上氮原子核後會短暫的結合,然後隨即將一個質子釋放出來。他寫出拉塞福的實驗反應式:14N + 4α → 17O + 1p。在這一個式子中,氮的14個原子量加上α粒子(氦原子核)4個原子量,剛好等於氧的17個原子量(這邊的氧是O16的同位素)與質子1個原子量相加。說明了在原子核內發生反應時,質量數是以1為單位進行變化,也就是以質子為單位變化的。

圖十二、利用雲室觀察鐳產生之α粒子(氦原子核)軌跡

  早在1903年,拉塞福就提出放射性產生於元素之間的轉換的猜測。而拉塞福進一步發現的質子,提供了科學家們對這個想法提出越來越清楚的理論架構的基本想像,開始嘗試解釋原子內部發生的事情。首先,亨利·莫斯利(Henry Moseley,1887- 1915)在1913年就已經找到元素週期表的規律。元素週期表應該是依據原子內電子的數量進行排序的,而在原子核內質子被發現之後,原子序終於被確定是原子核內質子的數量,一直未解決的問題終於被解開。

  但新的問題也隨之而來:只有質子沒辦法說明原子核的質量與靜電力。質子(氫原子核、氫離子)的原子量是1,電荷數是+1。但在眾多元素中,除了氫以外的元素,原子量都與電荷數不相等,而且大約是兩倍左右。這些多出來的質量,並沒有辦法用已知的知識來進行解釋。另外,原子核的靜電力也會有很大的問題。如果原子核真的是由多個質子聚集而成,在10-14m這麼小的距離上,會產生非常強大的靜電力,而這個力應該會讓原子核裂解開來。

  因此,在發現了質子後不久,拉塞福在1921年就開始猜想,原子核內應該還要有另外一種粒子的存在,他將尋找新粒子的工作交給了年輕的博士生查兌克。而自己則持續的研究有關質子、放射性、元素間的嬗變等問題。

  20世紀初,拉塞福對於原子核與放射性的發現,為物理學家們打開了一個全新的領域,除了在肉眼可見的巨觀尺度下的古典物理學外,科學家們開始研究組成世界的基本粒子。拉塞福提出了原子核模型之後,他的學生玻爾為了支持老師的理論,更進一步發展出玻爾原子模型,試圖用能量量子化的方式說明電子在原子內繞行原子核的軌道。

  而對於元素間的轉變,被化學家們認為是不切實際幻想的中世紀煉金術成為了一種有機會實現的技術。在20世紀的最初學者們紛紛投入這些新興、基本研究的領域,從19世紀末開始的研究風氣,又往更基礎、更抽象、更無法觀察的物理學基本問題吹去。「找到物質的組成」這一個好似沒什麼用的問題,吸引了20世紀初最頂尖的研究者。而拉塞福在20世紀頭兩個十年間所做出來的研究成果,正悄悄的醞釀,準備在1930年代颳起巨大的風暴。

"拉塞福並不聰明,只是偉大。"

-查兌克