群星闪耀的历史（三）

出生在新西兰的国宝级科学家卢瑟福通过一个完美的实验，提出了“原子行星”模型，首次证明了原子核的存在，但是这个模型还需要进一步完善，量子力学即将登场。。。。。。。...



通过观察一个国家的纸币上的图案，很大程度上可以看出这个国家的历史和价值观。比如，美元的1元纸币上是乔治•华盛顿的头像，2元是托马斯•杰弗逊，10元是亚历山大•汉密尔顿，100美元是本杰明•弗兰克林，都是美国的开国元勋或著名总统。

1元美元



二战后，英国的殖民地纷纷独立，现在的英国面积只比广西大一点点，GDP是中国的四分之一，一些国人看到这些数据，心里可能像八月份爬上香山顶峰，先喝一瓶可口可乐，再吃半个冰镇西瓜，还接到一个电话通知北京的车牌号终于抽到了的愉快感觉，也难怪，教科书里1840年鸦片战争以及以后的屈辱历史给我们的印象太深了。然而，历史上英国这个国家对人类文明的贡献实际上是非常巨大的，杰出人物层出不穷。所以，它的英镑纸币上的正面永远是女王头像，但是背面人物每隔十年就要变一次，牛顿，法拉第，莎士比亚，狄更斯，达尔文，亚当斯密，瓦特，乔治•斯蒂芬森，南丁格尔等都曾经或仍在纸币上。

已经不再流通的1元英镑。牛顿



还在流通的10元英镑。达尔文



我们今天要讲的原子核物理之父欧内斯特•卢瑟福（Ernest Rutherford）的肖像，就出现在新西兰100元的正面。



这个出生在新西兰的科学家，1895年大学毕业后申请到剑桥大学的奖学金，来到了英国，成为约瑟夫•约翰•汤姆森（J.J.Thomson）的研究生，很快就表现出他天才的实验能力，1908年由于在元素放射性方面的研究，他获得了诺贝尔化学奖。他当时开玩笑说，“没有搞错吧，我可是物理学家，怎么获得了化学奖啊？”

他当然是顶尖的物理学家。1911年，他与自己的两个助手做了世界上最完美的实验之一：用带正电的α粒子轰击很薄的金箔。根据汤姆森的“葡萄干布丁”原子模型，因为α粒子带正电，“布丁”也带正电，相互排斥，所以，预期的实验结果应该是α粒子偏移原来的路径穿过这个金箔。然而，实验结果却是：大多数α粒子直接穿过了金箔，少数有点偏移，但是有几个居然发生大角度偏移，折了回去，如下图所示:



这个实验结果让大家感到意外，后来卢瑟福说“这就像我用15英寸的炮弹来轰击一张薄纸，结果纸片把一些弹片弹回来，直接击中了我”。这种现象无法用汤姆森的“葡萄干布丁”原子模型来解释。卢瑟福最后得出结论，原子内部应该是非常空旷的，只是在中间位置有一个高密度的带正电的核，后来取名为原子核（nucleus）。如下图所示



因为原子里非常空旷，所以大多数α粒子直接穿过，个别的靠近原子核，因为它们都带正电荷，相互排斥，所以α粒子发生小偏移而穿过，非常个别的α粒子与原子核迎头撞上，于是就折了回来。

下面是这个实验的英文解释。



卢瑟福的实验以及解释，产生了所谓的“原子行星”模型（planetary model），即：带负电的电子围绕着带正电的原子核在轨道上绕行，类似太阳系行星绕着太阳运动一样。



卢瑟福的这个模型引入了原子核的设想，从此他被后人称为“原子核物理之父”和“原子核物理学中的牛顿”。

但是，他的这个开创性的原子模型却不能回答两个重要问题：

1．为什么加热的原子会释放特定的电磁辐射？

2．运动的电子应该释放电磁波，然后失去能量，最终坠落，与原子核碰撞。换句话说，如果用当时的物理定律来解释这个原子模型，原子应该自我毁灭。

显然，这个原子模型还需要改进，并且需要革命性的物理理论来解释。

这个理论就是量子理论。经过几代科学家的努力，到二十世纪初，这个理论开始成熟，并将彻底改变这个世界。

要想了解量子理论的诞生和发展，还得从科学巨人牛顿说起。1704年，牛顿在自己的论文《光学》里提出了光的微粒说，他把光的反射现象解释成一个一个没有重量的球体在光滑接触面的反弹。



虽然这个学说可以很好地解释光的反射，但是却不能解释光的很多其他现象，比如光在棱镜中的折射：



其实，当时很多科学家就提出了不同看法，比如荷兰物理学家克里斯蒂安•惠更斯(Christiaan Huygens)就提出了光的波动说，认为光是从光源处不断地向外传播的，类似扔一块石头到水里产生的水波那样。尽管惠更斯的学说能够解释光在角落和开孔处的绕射现象，但是牛顿的名气太大了，牛顿的微粒学说在18世纪获得广泛认可。

到了18世纪末，英国出现了一名奇才，这人不仅在力学、数学、光学、声学、语言学、动物学、考古学等很有研究，通晓十几种语言，还对艺术颇有兴趣，热爱美术，几乎会演奏当时的所有乐器，会制造天文器材，还研究了保险经济问题， 擅长骑马，会耍杂技走钢丝。他就是托马斯•杨(Thomas Young)。1803年，他做了双缝干涉实验（double-slit interference），这个实验后来被认为是世界上十大经典物理实验之首。



这个实验就是让光穿过两条平行的细缝，在后面的屏幕上就出现了亮暗相间的一系列条纹。

这个实验完美地证明了光是一种波。穿过两条细缝的两束光波相互干涉，屏幕上明亮处是波峰和波峰，波谷和波谷相互叠加的地方，黑暗处上波峰与波谷相互抵消的地方。



现在人们已经知道可见光只是电磁光谱很狭窄的一部分，下图是整个电磁波谱。各种电磁波都是用光速传播，只是它们的频率（frequency）不一样，波长（wavelength）与频率成反比。



难道，光就只是一种波，牛顿真的完全错误了吗？且看下集。

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