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拉塞福的黃金火花
資料來源:科學研習月刊50-7

文/周炳辰 臺大科教中心特約撰述
 

每位讀者大概都聽過原子,也聽 過原子是由質子、中子和電子組成的。 像這樣的知識,其實是有漫長的發展 歷史。在很久很久以前,距離今天大 約一百年前,有位叫作湯姆森(Si r Joseph John Thomson,1856-1940)的 科學家。湯姆森很偉大,他發現電子可 以從原子射出,也因此獲得1906年諾貝 爾物理學獎。對於原子的結構,他提 出著名的梅子布丁模型(plum pudding model),認為帶負電荷的電子會均勻 分布於帶正電荷的質子海之中,宛若梅 子均勻分布於美味的梅子布丁之中。這 個模型可以解釋很多事情,所以當初大 家都相信它。 不過,我們今天要說的是他的學 生拉塞福(Ernest Rutherford,1871- 1937)和他的研究夥伴蓋格(Johannes Wilhelm Geiger,1882-1945)和瑪斯 登(Ernest Marsden,1889-1970)的故 事。
拉塞福生於紐西蘭一個有十二個 孩子的貧困家庭。他非常聰明,從小喜 愛數學和物理,大學畢業後即獲得獎 學金成為英國劍橋大學(University of Cambridge)最早錄取的外國研究生之 一,並且追隨湯姆森作研究。在劍橋大 學讀書的拉塞福很愛說話,非常喧鬧但 很友善,好發表評論,對所有的事情都 很感興趣。當時的英國沒有汽車、飛機、電視或收音機,電話和燈尚未普 及,實驗室是陰暗簡陋的小地方,如果 想要作研究,就必須自己製作實驗器材 來用,但也因此拉塞福學會細心地操作 實驗。
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Ernest+Rutherford+09

在他二十七歲那年,他到加拿大麥 基爾大學(McGill University)擔任教 授。自從古希臘以來人類想到「原子」 都覺得原子很安定,無法切割,無法改 變(原子的希臘文就是「不可 切割」的意思),但是拉塞福不這麼認 為。他認為原子可以衰變,衰變後會產 生輻射。他致力於α和β輻射的研究, 終於因此獲得諾貝爾化學獎。不過他顯 然對此覺得有些尷尬,因為他始終認 為自己是物理學家,常常告訴其他人:「除了物理之外的科學都不過是集郵般 的活動罷了!」

他在 1907 年回到英國作實驗, 在曼徹斯特大學(The University of Manchester)任職物理系主任,年僅 三十五歲。當時他仍在進行α粒子的實 驗,觀察α粒子撞擊金箔的情形。他和 來自德國的實驗夥伴蓋格發明蓋格計數 器(Geiger counter),這對他的實驗有 很大的幫助。拉塞福曾經半開玩笑地 說:「蓋格數粒子的模樣就像守財奴數 他的金子!」 兩年後瑪斯登也加入他的研究團 隊。拉塞福和蓋格為瑪斯登安排研究計 畫,讓瑪斯登負責觀察α粒子撞擊金箔 的實驗。拉塞福的實驗設計很有趣:首 先,α粒子由一個裝有放射線物質的小 鉛盒射出,通過真空的環境,朝著一塊 僅 0.0000086 cm 厚的金箔撞擊。其實 拉塞福為了驗證他的金箔實驗事後嘗試 過許多不同的金屬,包括鋁箔、鐵箔和 鉛箔,但還是以他的金箔實驗最出名。 在金箔的後面他架設了一個可以觀 察火花的觀察孔,拉塞福請瑪斯登特別 注意是否有粒子向後散射的情形,向後 散射的α粒子會撞擊在硫化鋅屏幕上, 產生細小的火花,可以清楚地看到。拉 塞福當時只是隱約覺得梅子布丁模型似 乎沒有辦法解釋他作金箔實驗觀察到的 某些情況,而瑪斯登則認為這是磨練實 驗技巧的好機會,於是相當小心地操作實驗。他先讓自己身處於黑漆的房間裡 至少一小時,讓雙眼習慣黑暗,然後耐 心地看著屏幕…… 結果竟然看到好多小小的火花閃爍 著,約每秒一次!

當時包括拉塞福的科學家都沒有 預料到這個結果。如果電子的分布如他 們所以為的,像好吃的梅子般均勻地分 布在布丁之中,那麼帶正電荷的α粒子 (α粒子其實是少兩個電子的氦離子) 應該會若無其事地穿過金箔,然後從 金箔的另一面散射開來,因為金箔裡帶 正電荷和負電荷的粒子應該是均勻分布 的。可是事實顯然並非如此,居然可 以觀察到有 α 粒子被金箔反彈回來。 「太不可思議了!」拉塞福說:「這就 像你拿大砲朝著衛生紙射擊,砲彈卻彈了回來!」 拉塞福從這個觀察推測―顯然砲 彈(射擊出去的 α 粒子)撞到金原子 中某個位於中心的微小粒子,這個粒子 至少和 α 粒子質量相當,同樣帶有正 電荷的「核」,才有可能讓 α 粒子往 後散射回來。他推測原子的結構是由位 於中心的「核」和環繞在外園的電子所 組成的,這個「核」僅僅只有原子的十 萬分之一大,卻占有原子絕大部分的質 量,而原子大部分是空的,所有的電子 都繞著這個「核」旋轉。拉塞福提出的 模型一點也不像梅子布丁或任何好吃的 布丁,反倒像地球所在的太陽系了。

拉塞福的發現推翻他的老師湯姆森 所提出的梅子布丁模型,然而當時的科 學家還是比較喜歡梅子布丁模型,比較 不喜歡太陽系模型,因為太陽系模型沒 有辦法解釋為什麼原子內部帶負電的電 子不會繞呀繞的最終就被吸引到帶正電 的原子核中心去了。這個問題拉塞福也 沒有辦法答覆,直到數十年後量子力學 的概念發展起來,波爾(Niels Henrik David Bohr,1885-1962)才用量子力學 代替拉塞福回答這個問題。波爾回答這 個問題讓他也得到諾貝爾獎。 就如同波爾將他的許多研究建構於 拉塞福的太陽系模型之上,許多科學家 也將他們的研究構築於波爾修正過的模 型之上。拉塞福昔日的同事或學生之中 共有十一人得到諾貝爾獎。這些研究讓 科學飛快地前進了,我們因此才能夠預 測化學反應的結果,才能夠揣摩宇宙另 一端的星辰的故事。
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