第三期：质子

您可能想不到，100新西兰元纸币上印着的人物是一位物理学家，这位科学家名叫卢瑟福。

约瑟夫·约翰·汤姆逊在发现电子后声名鹊起，年仅28岁便担任了剑桥大学卡文迪许实验室的主任。他的成就吸引了众多学生，其中就包括本文的主人公——卢瑟福。

卢瑟福出生于新西兰，出身农民家庭。据说，当他收到剑桥大学的录取通知书时，还在田间劳作。他感慨地说：“这是我这辈子挖的最后一个土豆了。”于是，他借了路费，从新西兰远赴剑桥大学求学。在汤姆逊的指导下学习三年后，1898年，卢瑟福被聘为加拿大麦吉尔大学的教授。在那里，他开始研究放射性现象。早先，贝克勒尔和居里夫妇发现了天然放射性，即含铀岩石能够自发地放射出射线。卢瑟福的研究课题便是这些射线的本质。通过实验，卢瑟福发现铀岩放出的射线并非单一一束，因为在磁场下，射线会向两个方向偏转，这表明存在两束电性不同的射线：一种带正电，一种带负电。他将带正电的射线命名为α射线，带负电的射线命名为β射线。实际上，还有一束不带电的射线，这是后来由法国物理学家维拉尔发现并命名为γ射线的。γ射线实际上是一种高能电磁波。经过测算，卢瑟福发现带负电的β射线就是汤姆逊发现的电子，但它们是高能电子束，具有很高的穿透力。至于这些电子束为何具有如此高的能量，以及α射线的本质，当时还是一个谜。然而，卢瑟福在1902年揭开了α粒子的神秘面纱。他发现α粒子是某些元素原子自发衰变时放射出来的，并提出了放射性半衰期的概念。某些元素，如铀、居里夫妇发现的镭和钋，在衰变过程中会放出α粒子，并转变为其他元素。这在当时是一条爆炸性新闻。难道元素之间真的可以相互转化吗？这让人联想到了炼金术中的“点石成金”。尽管卢瑟福的发现让人激动不已，但元素之间的转化仅限于特定的放射性元素。几年后，卢瑟福又取得了新的研究成果。他让α粒子单独进入一个管子，以便于研究。结果出人意料，他发现这些α粒子居然是氦气。经过多次实验，卢瑟福不得不接受这一事实：α粒子就是带正电的氦原子。我们现在知道，α粒子实际上是氦原子核，即失去了电子的氦原子，因此带正电。不过，当时卢瑟福还没有提出原子核的概念。1907年，他公布了这一研究成果。诺贝尔奖委员会也认为这一成果非同小可，于是在1908年授予卢瑟福诺贝尔化学奖，尽管卢瑟福的重大发现还在后面。

此时，卢瑟福已回到英国，在曼彻斯特大学任教。他对α粒子情有独钟，因为它们是天然放射出来的，既经济又方便。他想用α粒子轰击其他原子，看看会发生什么。这个想法虽然简单，但实际上许多粒子的发现都是通过这种方式实现的。当时，他用α粒子轰击金箔，并没有期待会有重大发现。因为自汤姆逊发现电子后，汤姆逊提出了一种原子模型，即“西瓜模型”或“枣糕模型”。在这个模型中，电子就像西瓜籽一样镶嵌在原子内部，而原子整体不带电。α粒子的速度每秒可达200万米，如此高的速度肯定能穿透任何物质。所以最初，卢瑟福观察到α粒子确实能穿过金箔，打在背后的接收屏上。然而有一天，卢瑟福突发奇想，把接收屏拿到前面，看看是否能接收到散射的α粒子。结果发现真的有α粒子被反弹回来。

用卢瑟福自己的话来说，这就像是用15英寸的炮弹打在一张纸上，然后它反弹了回来，简直不可思议。冷静思考后，卢瑟福意识到α粒子的反弹说明原子内部存在坚硬的物质。是什么呢？显然，就是原子核。接着，他们迅速根据实验数据计算了α粒子的散射截面，结果表明原子内部大部分是空的，中间存在一个硬核，但当时还不确定电子的位置，可能在核内，也可能绕核运动。1911年，卢瑟福向世人公布了他的行星原子模型。不过，这个模型并没有引起广泛关注，大家更倾向于相信汤姆逊的枣糕模型。同年召开的第一届索尔维会议上，物理学家们还在用枣糕模型讨论原子结构。

后来，卢瑟福通过实验发现，不管用α粒子轰击什么原子，如钠、金，甚至非金属原子磷，都有一种带正电的粒子能被轰击出来，它的质量与氢原子相同。这难道是带正电的氢原子吗？这次卢瑟福明白了，看来所有原子核内都有这种东西。于是，卢瑟福给这种带正电的氢原子起了个名字——质子。1920年，卢瑟福再次向世人公布了自己的成果。人们这才知道，原子大部分是空的，中间有一个原子核，原子核外围围绕着带负电的电子，内部由带正电的质子组成。卢瑟福还预测原子核内存在一种中性粒子，这实际上就是中子的前身。至此，人类又发现了一种新的粒子。23年前，汤姆逊发现了电子；23年后，他的学生卢瑟福再次刷新了人类的认知，发现了质子。

作者：妈咪说 科普创作者

审核：罗会仟 中国科学院物理研究所副研究员

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