最後一顆馬鈴薯！

量子英雄傳說 第一季: 第十一篇(上) 拉塞福(第一次登場)

歐內斯特·拉塞福，第一代尼爾森的拉塞福男爵(Ernest Rutherford, 1st Baron Rutherford of Nelson，1871年8月30日－1937年10月19日）

上兩回我們提到了電子與原子模型。湯木生的模型讓電子泡在龐大的正電球裡，而長岡半太郎的模型則讓電子繞著帶著正電的電荷跑，如同行星繞著太陽一般。這兩個模型都試圖解釋元素的化學性質，元素的光譜線，還有放射性元素與穩定元素差異的來源，但是兩者都沒有得到決定性的成果。長岡的模型甚至還有嚴重的穩定性的問題，但是七年後，情勢陡變，湯木生的模型反而先被排除了，關鍵的人物正是這一回的主角: 拉塞福!他用實驗證明了原子的正電都集中在一個遠比原子還要小的範圍內，這不但開啟了現代的原子核物理，更是引發量子革命的引信！

拉塞福於1871年8月30日出生在紐西蘭尼爾森附近的斯普林格羅夫（現屬布賴特沃（Brightwater）），家裏有兄弟姊妹12人，他的父親從蘇格蘭移民來到紐西蘭，從事的是生產枕木及切割亞麻的工作，小時候的拉塞福常在家裡的鋸木廠及亞麻廠幫忙，1890年他進入坎特伯雷大學，一路念到碩士，並且花了兩年從事研究，發明了新型的微波接收器，1895年，拉塞福獲得到英國的獎學金，據說那一天，他還在田裡挖馬鈴薯，當他得知他拿到獎學金時，順手將手中的鐵鍬丟掉，高興地說：「這是我挖的最後一顆馬鈴薯了」。

拿到獎學金的拉塞福到英國劍橋大學三一學院的卡文迪許實驗室做研究工作，他剛從紐西蘭到劍橋的時後，由於他是非常少數並非在劍橋受教育的研究人員，壓力非同小可，所以他整天埋頭苦讀，被戲稱為「光會挖土的野兔子」。所幸湯木生非常賞識他的才能，在湯木生的指導下，他開始探索剛被發現的放射性。

1898年，拉塞福在湯木生的推薦下，他前往加拿大麥吉爾大學擔任物理系主任，他注意到在一個放射性物質樣本裡，衰變掉一半的樣本的時間幾乎是定值， 這就是該物質的「半衰期」，他還就此現象建立了一個實用的方法，以物質半衰期作為時鐘來檢測地球的年齡，結果證明地球要比當時大多數科學家認為的老得多。 另一項他在麥吉爾的重大成就是發現放射性元素放出的射線隨著穿透力不同，可以分成三種，他命名為阿爾法射線，貝他射線與伽馬射線。貝他射線後來證實就是構成陰極射線的電子，而伽馬射線就是電磁波，但是穿透力最差的阿爾法射線，後來成為拉塞福手中最具威力的工具，就是藉著阿爾法射線，他一手砸出一個美麗新世界。

拉塞福首先測量阿爾法粒子的質量與其電荷比值，這使他發現阿爾法粒子是帶兩個正電荷，質量與氦接近(氦的原子量是氫的四倍)的粒子，所以他大膽假設阿爾法粒子是氦離子（後來證明是裸氦核）， 1907 年拉塞福他接受英國曼徹斯特大學的邀請，成為那裡的教授。他和托馬斯·羅伊茲 (Thomas Royds) 在曼徹斯特做了一個實驗，他們讓阿爾法粒子穿透擁有非常薄玻璃壁的真空管，然後他們在管內產生了放電。 隨後對所得的氣體光譜的研究證明它們是氦元素，由此可以確定阿爾法粒子確實是原先拉塞福所假設的氦離子。隔年他以放射性的研究得到諾貝爾化學獎。

既然阿爾法粒子這麼好用，拉塞福和從德國來的學生漢斯·蓋格(Johannes Wilhelm "Hans" Geiger (1882–1945)就開始合作設計一種簡單的計數裝置，它由玻璃管中的兩個電極組成。 每一個通過管子的阿爾法粒子都會產生一個可以計數的電脈衝，可以拿來檢測阿爾法粒子的數目。但是他們發現這個計數器的結果不如預期地可靠，因為少數阿爾法粒子與檢測室內空氣分子發生碰撞而被強烈偏轉。阿爾法粒子的軌跡變來變去，這意味著，當它們通過氣體時，有時會產生特別多的離子，因而造成計數器的讀數跳來跳去。這讓拉塞福感到大惑不解，因為他認為阿爾法粒子這麼重，怎麼可能與氣體分子產生如此劇烈的碰撞。所以拉塞福要蓋格去調查究竟是哪些物質會讓阿爾法射線產生散射。

這激起拉塞福研究阿爾法粒子與物質之間散射的興趣。他設計讓阿爾法粒子轟擊金屬薄箔，然後觀察不同厚度和不同材質的金屬薄箔如何影響阿爾法粒子被散射的程度。拉塞福選擇用氡當作阿爾法粒子的來源，這種物質的放射性是鈾的數百萬倍。他們使用螢光屏來測量粒子的軌跡。阿爾法粒子在屏幕上的每次撞擊都會產生微小的閃光。蓋格在一個黑暗的實驗室裡連續工作了幾個小時，用顯微鏡計算這些微小的閃爍。這些苦差事，拉塞福都留給蓋格去做，因為他經 30 多歲了，而且有諾貝爾獎光環加持，開始缺乏耐性了。

 在拉塞福的指導下，蓋格和二十三歲大學生歐尼斯特·馬斯登開始用α粒子撞擊各種靶。他們測試了多種金屬，但他最喜歡用金，因為金具有很強的延展性，可以弄成非常薄。他們發現，空氣和固體物質都可以顯著散射 α 粒子。但是，一開始，他們製作的設備只能觀察到很小的偏轉角度。拉塞福並不滿意，因為他想知道的是阿爾法粒子是否以更大的角度散射——甚至大於 90°! 真是個慣老闆呀!在慣老闆的強力要求下，蓋格和馬斯登只能硬著頭皮繼續瞪著螢光幕數粒子了。他們在1909 年發表的論文 ，描述了他們的新實驗，他們證明了 α 粒子確實可以散射超過 90° !

他們準備了一個小錐形玻璃管（AB），裡面裝有氡和鉍-214。它的開口端用雲母密封，當作是阿爾法粒子發射器。然後，他們設置了一塊鉛板 (P)，在其後面放置了一個螢光屏 (S)。金屬箔 (R) 則是放置在鉛板旁。他們將管子指向箔片，查看 α 粒子是否會從箔片上反彈，然後撞擊到鉛板另一側的屏幕。他們觀察到，原子質量較高的金屬（如金）比鋁等較輕的金屬反射更多的 α 粒子。接著，蓋格和馬斯登想估計被反射的阿爾法粒子的總數。以前的設置不適合這樣做，因為管子含有幾種放射性物質，因此發射的阿爾法粒子的速度有不同的範圍，這一次，他們在鉛板上放置了少量鉍-214，鉛板從鉑反射器（R）反射到屏幕上。他們發現，只有一小部分撞擊反射器的 α 粒子會反彈到屏幕上，在這種情況下，反彈的粒子比例只有 8,000 分之一。

當然，拉塞福還不滿意，接下來，拉塞福團隊還要用阿爾法粒子來變什麼魔術呢？請大家繼續鎖定我們的量子英雄傳說！

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