盧瑟福發現α射線和β射線

節選自“改變世界的科學”叢書之《物理學的足迹》

圖1. 盧瑟福

1896年貝克勒爾發現天然放射性之後，居裡夫婦從瀝青中提取出了天然放射性單質元素钋和鐳，用信服的實驗結果證實了自然界中确實存在放射性元素，從此拉開了放射性研究的序幕。為了進一步了解所謂的“放射性”究竟是什麼物質，英國的物理學家盧瑟福開展了幾個關鍵性物理實驗，并由此建立起了物理學的一個新的分支——原子物理學。

1897到1899年間，劍橋大學的盧瑟福在貝克勒爾的發現基礎上，針對放射元素鈾的發出的射線做了深入的研究。我們知道天然射線穿透能力很強，可以使厚紙包裹的底片感光。為了研究天然射線究竟能穿透什麼材料，盧瑟福試着用層層鋁箔把鈾鹽包裹起來。他發現天然射線實際上存在兩種，一種可以很輕易地用紙或單層鋁箔就可以擋住，而另一種需要多層鋁箔才能包住。

于是盧瑟福用希臘字母把前者命名為α（阿爾法）射線，後者命名為β（貝塔）射線。不久，法國物理學家維拉爾從鈾鹽中又發現了一種穿透力更強的射線，稱為γ（伽馬）射線。三種射線如何區别呢？物理學家們發現三種放射線其實帶電特征不同，α射線帶正電，β射線帶負電，γ射線不帶電。根據電磁學的基本原理，帶電粒子在磁場中會發生偏轉，因此辨認三種射線可以簡單用磁鐵來做到。把放射物質放在帶小孔的鉛盒中，射線路徑上加上磁場，不帶電的γ射線将保持直線傳播，而帶正電的α射線和帶負電的β射線則偏轉方向相反并和磁場方向有關。

圖2. 三種放射線的偏轉

如今，物理學家已經清楚三種射線的本質，α射線是失去兩個電子的氦原子，即氦原子核，含有兩個質子，所以帶正電，具有較大的質量；β射線實際上就是電子流，所以帶負電，質量較輕；γ射線屬于電磁波，是光子束，其靜止質量為零。從質量上也可以看出，三種射線穿透能力屬γ射線最強。一般來說，人的皮膚或者一張紙就可以擋住α射線，一塊厘米厚度的木闆或者毫米厚度的鋁箔就可以阻擋β射線，而能量很高的γ射線能夠輕易穿透人體組織，隻有采用厚厚的混凝土或者達幾個厘米厚的鉛闆才能阻擋它！除此之外，核反應中釋放的中子也會造成核輻射，四種射線都屬于電離輻射。

圖3. 常見電離輻射的防護方法

天然放射性在自然界普遍存在，地表的土壤和岩石和建築用的花崗岩等都含有一定量的天然放射性元素，我們所飲用的水和食用的食物都可能含有少量的放射性物質，而在醫療檢查或者放射性治療中用到的X射線和γ射線都是人工輻射源。稀有氣體氡氣是天然放射的主要來源之一，過量的輻射會引起人體的不适甚至病變，積累過多的輻射會導緻死亡。許多所謂的“鬼屋”其實是因為含有大量的氡氣和其他惰性氣體，容易使人産生幻覺并且對身體造成傷害，以至于某些抵抗力差的人會離奇地死亡。

圖4. 生活中的輻射來源及比例

發現天然放射性的類别之後，盧瑟福進一步思考這些放射性的物理本質，他認為放射性其實來自原子内部，由于放射性的存在，原子内部狀态發生變化，可能轉化為另一種原子，有别于原子都不發生變化的化學反應。為了驗證他的想法，盧瑟福用α粒子轟擊了氮原子，通過分析α粒子散射後的偏轉路徑，他發現其實原子内部是有結構的。真正和α粒子發生對撞的僅僅隻有原子中心的一小部分——原子核，而原子核外部都是帶負電的電子。

更深入的研究讓盧瑟福于1919年發現了原子核内部存在帶正電的粒子——質子。盧瑟福以無可辯駁的實驗證明了原子具有内部結構，它并不是我們世界最小單元！正是如此，後人才依據他的實驗基礎提出了各種原子模型，并最終催産了量子力學！這些人群中，諸多是盧瑟福的學生或者助手。盧瑟福可謂是世界上“桃李滿天下”中的佼佼者，他的學生和助手中有近10位鼎鼎大名的諾貝爾獎獲得者。為了紀念盧瑟福的科學貢獻，英國特地成立了盧瑟福實驗室，之後和阿普爾頓合并，稱為盧瑟福.阿爾普頓實驗室，是目前世界上幾個著名的科學實驗室之一。

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