盧瑟福的一生，創(chuàng)建了原子物理學(xué)，啟動了放射性科學(xué)研究，并開創(chuàng)了使用人工加速粒子轟擊進行核裂變實驗的先河。他不僅自己榮膺諾貝爾獎，還讓他實驗室里的學(xué)生和助手都先后獲得諾貝爾獎。

撰文 | 陳關(guān)榮（香港城市大學(xué)）

歷史上有許多出色的科學(xué)家，按媒體喜歡的說法，都不幸地“與諾貝爾獎擦肩而過”。但歷史上也有這樣的偉大科學(xué)家，不僅自己榮膺諾貝爾獎，還讓他實驗室里的學(xué)生和助手都先后獲得諾貝爾獎。

當然，這個人是歷史上的唯一：歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford，1871年8月30日－1937年10月19日）。

1908年，他本人因“對元素蛻變和放射性物質(zhì)的化學(xué)研究”獲諾貝爾化學(xué)獎 1921年，他的助手Frederick Soddy（1877-1956）獲諾貝爾化學(xué)獎 1922年，他的助手Niels Bohr（1985-1962）獲諾貝爾物理學(xué)獎 1927年，他的助手Charles Wilson（1869-1959）獲諾貝爾物理學(xué)獎 1935年，他的學(xué)生James Chadwick（1891-1974）獲諾貝爾物理學(xué)獎 1943年，他的學(xué)生George de Hevesy（1885-1966）獲諾貝爾化學(xué)獎 1944年，他的助手Otto Hahn（1879-1968）獲諾貝爾化學(xué)獎 1948年，他的學(xué)生Patrick Blackett（1897-1974）獲諾貝爾物理學(xué)獎 1950年，他的學(xué)生Cecil Powell（1903-1969）獲諾貝爾物理學(xué)獎 1951年，他的學(xué)生John Cockcroft（1897-1967）和Ernest Walton（1903-1995）分享諾貝爾物理學(xué)獎 1978年，他的學(xué)生Pyotr Kapitsa（1894-1984）獲諾貝爾物理學(xué)獎

此外，和盧瑟福有過重要合作的諾貝爾獎得主還有幾位同事：Francis Aston(1922年化學(xué)獎)，George Thomson(1937年物理獎)，Edward Appleton(1947年物理獎)。

盧瑟福出生在新西蘭一個叫做Nelson的小地方。1842年，他父親James隨家人從蘇格蘭移民到新西蘭定居，后來的職業(yè)是修車輪的工匠。他母親Martha Thompson是個初等學(xué)校的英語教師。家中有十二個孩子，他排行第四，因而童年并沒有獲得父母特別的眷顧。

盧瑟福小時候在家鄉(xiāng)的公立學(xué)校上學(xué)，1890年獲得獎學(xué)金到了新西蘭大學(xué)讀數(shù)學(xué)和物理。1893年本科畢業(yè)后，1894年又完成了碩士和另一個科學(xué)學(xué)士學(xué)位。其間沒有記錄表明他有特別過人之處。1895年，他獲獎學(xué)金到了英國劍橋大學(xué)的Trinity學(xué)院物理系，在卡文迪許（Cavendish）實驗室當研究生，師從“電子”的發(fā)現(xiàn)人、1906年諾貝爾物理獎得主Joseph John Thomson（1856-1940）教授。

在卡文迪許實驗室里，盧瑟福和導(dǎo)師一起研究X射線如何改變氣體的導(dǎo)電性能。他發(fā)明了一個簡單實用的電磁波檢測器。更有意義的是，他創(chuàng)造了一種用粒子的散射來研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的新實驗方法，即盧瑟福散射。值此，他發(fā)現(xiàn)了天然放射性有好幾種，然后把帶正電的命名為α射線，帶負電的命名為β射線，后來的實驗證實了α粒子就是氦原子核。同時，他還基于實驗作出預(yù)言，存在一種在磁場中不會偏轉(zhuǎn)而且穿透能力極強的射線。這種射線于1900年由法國物理學(xué)家Paul Villard在實驗中證實，并按盧瑟福排序命名為γ射線。

盧瑟福在研究導(dǎo)師Thomson的電子分布模型時遇到了極大的困惑。該模型認為正電荷均勻地分布在整個原子球內(nèi)。為了驗證這個假說，盧瑟福使用高能α粒子去轟擊金屬薄膜。由于入射粒子能量很高，如果原子中電荷是均勻分布的話，他預(yù)期幾乎所有入射粒子都將不受影響地穿過金屬薄膜。但實驗結(jié)果卻大相徑庭，有約1/8000的入射粒子被散射了回來，而且散射角大于90度。他感到十分驚訝和迷惑，說：“這是我一生中碰到的最不可思議的事情，就像你用一座15英寸大炮去轟擊一張紙而你竟會被反彈回來的炮彈擊中一樣?！币簿褪钦f，原子不可能是一個質(zhì)量均勻分布的球體。這啟發(fā)了他去構(gòu)思新的原子模型。

1897年盧瑟福畢業(yè)，次年到了加拿大McGill大學(xué)的物理系，獲得Macdonald Chair的教職。1902年，他和青年助手Frederick Soddy以及德國來的博士后Otto Hahn一起，提出了放射性半衰期的概念，并證實放射性導(dǎo)致從一種元素到另一種元素的嬗變。Soddy和Hahn后來在1921年和1944年分別獲得諾貝爾化學(xué)獎。1905年，盧瑟福應(yīng)用放射性元素的含量及其半衰期，計算出太陽的壽命約為50億年。這一創(chuàng)舉開辟了用放射性元素半衰期去估算礦石古物和天體年齡的有效途徑，被沿用至今。

當年，現(xiàn)代物理學(xué)的中心仍然在歐洲。于是，1907年盧瑟福決定返回英國。他在曼徹斯特大學(xué)物理系任職Langworthy Professor。1908年，他因為“對元素蛻變和放射性物質(zhì)的化學(xué)研究”榮獲諾貝爾化學(xué)獎。1910年，George de Hevesy從匈牙利來到了曼徹斯特，成為盧瑟福的學(xué)生。他在那里順利地進行了第一次放射性示蹤劑實驗，后來在1943年榮獲諾貝爾化學(xué)獎。1911年，盧瑟福領(lǐng)導(dǎo)的團隊成功地用實驗證實了在原子中心有個原子核，從而創(chuàng)建了原子的行星模型，即盧瑟福模型。該模型很好地解釋了盧瑟福散射。1913年，Niels Bohr從丹麥來到了盧瑟福的實驗室做博士后研究，隨后兩年在那里任職，與盧瑟福密切合作研究原子結(jié)構(gòu)并引進了量子相關(guān)概念。這兩項研究及后續(xù)工作讓他于1922年榮獲諾貝爾物理獎。

1919年，盧瑟?；氐絼蛭锢硐担犹鎸?dǎo)師Thomson退休后的Cavendish Professor教職。盧瑟福同時把曼徹斯特大學(xué)的學(xué)生James Chadwick帶到了劍橋。這一年，他倆進行了歷史上第一次核反應(yīng)實驗，用α粒子轟擊氮核，從核中打出了一種基本粒子即氫原子核。盧瑟福把它命名為質(zhì)子。1920年，盧瑟福預(yù)言原子核里有不帶電荷的中性粒子。這個猜測后來在1932年由Chadwick在實驗中證實，稱之為中子，因而在1935年獲得諾貝爾物理獎。盧瑟福的助手Charles Wilson利用他發(fā)明的“云霧室”（Cloud Chamber）清楚地觀察到微粒運動的足跡，讓科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了其他一些新粒子，隨后榮獲1927年諾貝爾物理學(xué)獎。1924年，盧瑟福的學(xué)生Patrick Blackett改進了云霧室，同時觀測了400000個α粒子的碰撞。他發(fā)現(xiàn)原子核分裂之前會吸收α粒子，后來獲1948年諾貝爾物理學(xué)獎。1932年，盧瑟福的兩位學(xué)生John Cockcroft和Ernest Walton一起，第一次用高能加速器實現(xiàn)了核轉(zhuǎn)變，例如用質(zhì)子轟擊鋰可分裂出兩個α粒子。兩人在1951年分享了諾貝爾物理獎。

盧瑟福還有一個學(xué)生Pyotr Kapitsa，出生于圣彼得堡，大學(xué)畢業(yè)后到了劍橋留學(xué)。他在盧瑟福指導(dǎo)下利用云霧室做電磁場方面的實驗。后來他轉(zhuǎn)向低溫物理的研究，發(fā)現(xiàn)了液氦超流體性態(tài)。他在多年以后即1978年84歲時，以此過往的成就榮膺姍姍遲來的諾貝爾物理學(xué)獎。

盧瑟福的一生，創(chuàng)建了原子物理學(xué)，啟動了放射性科學(xué)研究，并開創(chuàng)了使用人工加速粒子轟擊進行核裂變實驗的先河。為了紀念盧瑟福，國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會于1977年8月宣布，把周期表的104號元素命名為“ ”（Rf, Rutherfordium）。

盧瑟福1903年被遴選為英國皇家學(xué)會院士，后來于1925-1930年出任該學(xué)會院長。盧瑟福獲得的其他榮譽包括英國皇家學(xué)會的Rumford Medal（1905）和Copley Medal（1922），Turin 科學(xué)院的Bressa Prize（1910），英女王冊封的爵士（1914），英國皇家藝術(shù)會的Albert Medal（1928），英國IEE的Faraday Medal（1930），以及新西蘭大學(xué)的博士學(xué)位和Pennsylvania、Wisconsin、McGill、Birmingham、Edinburgh、Leeds等著名大學(xué)的榮譽博士學(xué)位。1931年，他被新西蘭授予Nelson Baron（男爵）稱號，所以他的全名后來寫為Ernest Baron Rutherford of Nelson。

1937年10月19日，盧瑟福因腸阻塞并發(fā)癥在劍橋逝世，享年66歲。他被安葬在倫敦西敏寺（Westminster Abbey），長眠在兩位偉大物理學(xué)家牛頓和Lord Kelvin的墓旁。

對于這位偉大科學(xué)家盧瑟福的人品，后人有一句簡短的評語：“他從來沒有樹立過一個敵人，也從來沒有失去過一個朋友”。

我國高能物理學(xué)家張文裕（1910年1月9日-1992年11月5日），1931年畢業(yè)于燕京大學(xué)物理系，1934 年作為第三屆英國庚子賠款公費赴英留學(xué)，在劍橋大學(xué)師從盧瑟福，1938年獲博士學(xué)位，回國后于1957年被遴選為中國科學(xué)院學(xué)部委員即院士。他的夫人王承書院士（1912年6月26日-1994年6月18日）也為國人熟識。她1934年畢業(yè)于燕京大學(xué)物理系，1944年獲美國密歇根大學(xué)博士學(xué)位，1956年回國，后來為祖國研制原子彈隱姓埋名三十年。