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回眸诺贝尔奖:三个设想带出三个大奖

2015-03-20

长林 关兆

1922年、1935年、1951年的诺贝尔物理学奖幸运地落在了波尔、查德威克及沃尔顿的头上,而他们的发现离不开原子核物理之父——英国物理学家卢瑟福的奇思妙想

卢瑟福的原子结构模型

1911年秋,玻尔入英国剑桥大学和曼彻斯特大学深造,在这里结识了他的良师益友卢瑟福。卢瑟福有一个设施完备的实验室,玻尔就是在卢瑟福实验室里打下了他一生最伟大成就的基础,他的原子结构理论就是在这期间孕育而成的。

玻尔的主要成就是创立了原子结构理论。X射线、放射性和电子的发现,揭示了一个基本事实:原子是可分的,但是原子的内部结构怎样、组成如何,却是一个谜。为了揭开这个谜,当时许多物理学家相继提出了各种模型,其中比较有价值的是卢瑟福的原子结构模型。

卢瑟福模型提出后,玻尔立即认识到它的重大意义。他指出,这个模型可以把原子的化学性质和放射性截然分开:原子的化学性质取决于外围电子;而放射性则取决于原子核本身。

玻尔发现,卢瑟福的原子模型没有说明电子是怎样绕核运动的,也不能解释原子的稳定性和原子的线状光谱。为了解决卢瑟福模型的缺陷,玻尔大胆地把卢瑟福模型和普朗克的量子论结合起来,把原来只用于能量的量子概念推广到角动量,创立了量子化轨道原子结构理论,为以后各种物理量的量子化打开了大门。

玻尔的原子结构理论立即得到了科学家们的赞赏,转瞬间,他成了国际知名人物。爱因斯坦把他誉为“最伟大的发现之一”。因玻尔的突出贡献,他获得了1922年的诺贝尔物理学奖。

玻尔成名之后,许多国家邀请他去做长期工作,特别吸引他的当然是他的导师兼朋友卢瑟福的邀请,但优越的工作条件、高于哥本哈根大学薪金一倍以上的报酬都没有打动他。玻尔决心在自己的国土上建立国际研究中心。

1917年4月他向哥本哈根大学提出,要求建造一座350平方米的楼房,建立以研究为主的研究所。1918年11月,丹麦教育部批准了这一计划。该研究所1920年底建成,玻尔担任哥本哈根大学理论研究所所长,任期长达40年之久。在他的声望影响下,曾有30多个国家、近千名科学家云集在哥本哈根工作,哥本哈根变成了“原子物理学的首都”,在他的指导、帮助下,有7人获诺贝尔奖。

卢瑟福预言“中子”的存在

1912年,查德威克在当时已闻名全球的曼彻斯特大学卢瑟福实验室工作,在这位原子核物理之父的指导下从事放射性物质的研究。两年后获得理科硕士学位和英国国家奖学金。靠这笔奖学金,查德威克到德国夏洛藤堡大学,在盖革实验室从事研究工作,向计数管的发明者盖革学习放射性粒子探测技术。1914年,第一次世界大战爆发,英国和德国成了敌对的交战国,查德威克与其他5人被监禁在德国鲁赫本集中营中只能拴两头马的马棚内。酷爱科学的查德威克,竟然在集中营里同其他几位战俘科学家造起了一间小研究室,令人难以想象地做起放射性实验来。

1919年,第一次世界大战结束,查德威克回到英国,在剑桥大学冈维利·凯尔斯学院进行科学研究。1921年他当上剑桥大学的研究员,1923年担任著名的卡文迪什实验室副主任,那时卢瑟福担任这个世界科学研究中心的主任。查德威克协助卢瑟福研究用天然放射性元素所发射的 粒子轰击氢元素的原子核,观察由此而引起的嬗变现象(物理学上指一种元素因天然性放射性成人工核反应而转变为另一种元素的过程叫嬗变)。

卢瑟福教授在数年前宣讲原子物理学时,曾设想“中子”的存在。1930年德国物理学家玻西的学术报告、1931年法国科学家约里奥·居里夫妇的实验宣布,使查德威克立即想起卢瑟福关于中子的预言。带着寻找中子的强烈愿望,他一头钻进实验室,连续几个月不回家,废寝忘食,成百次地做实验。查德威克付出的辛劳换来了巨大的成果,经过实验和理论两方面的仔细工作和验证,他确证了中子的存在。“中子论”后来被无数科学实验所证实。

中子的发现对认识原子核内部结构是一个转折点,具有重大的理论意义。在中子未发现以前,人们对于原子核的内部结构是不清楚的。发现中子之后,人们才知道原子核是由中子与质子组成的,为原子能的利用开辟了广阔的道路。“中子论”的理论和实验方法是核能物理的基础,人们在研究中子对铀原子核的核反应时,发现了一个现象。铀原子核被中子轰击后,会分成两个原子核,并放出大量能量和中子,这就是通常所说的铀原子核的裂变。铀原子核的裂变,揭示人们要去实现链式反应,以获得原子能,使之为人类服务。

中子的发现为人类进入原子时代打开了大门,为奖励查德威克在创立“中子论”研究工作的杰出贡献,1935年授予他诺贝尔物理学奖。

卢瑟福设想“人工粒子加速器”

沃尔顿和科克罗夫特一起合作从事人工加速高能粒子轰击原子核的研究。在卢瑟福的安排下,他们着手研制人工粒子加速器,经过三年的艰苦工作,不断地精心试验设计,于1932年建成世界上第一台质子加速器。他们用高速质子流轰击锂原子核,观察到产生大量 粒子,测定了 粒子的能量后,证明了这些粒子是由于质子打入锂核后发生嬗变反应产生的,这就是用人工加速粒子得来的首次核嬗变反应。他们的研究,充分地证实了用人工加速粒子轰击原子核,可以诱发核反应,使原子核裂变。在他们的实验里,每一个质子进入锂核引起反应时,可释放出比原来质子的平均能量大六十倍的能量。

1932年4月16日,沃尔顿和科克罗夫特发表了他们的这一实验结果。19年后,他们的成就得到了人们的公认,沃尔顿和科克罗夫特也因此共同获得了1951年的诺贝尔物理学奖。

卢瑟福 英国物理学家,因提出放射性元素的蜕变理论,于1908年获诺贝尔化学奖,1919年,首次用 粒子轰击氮原子核,打出了质子,首次实现了人工核反应。

玻尔 丹麦物理学家,关于原子结构及原子辐射的研究,于1922年获诺贝尔理学奖。

查德威克 英国物理学家,因发现中子,于1935年获诺贝尔物理学奖。

沃尔顿 爱尔兰物理学家,用人工加速粒子轰击原子产生原子核嬗变,于1951年获诺贝尔物理学奖。

(《北京青年报》)

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