研究放射性

与此同时，伦琴已经作出了他的惊人发现。每个人都急忙对X射线进行研究。卢瑟福与汤姆逊合作开始测量由X射线产生的电离。在1897年放射性发现后，他立即把他的经验用到由铀引起的电离的测量中去。

1898年，在卡文迪许实验室的长时期工作中，卢瑟福认识到铀发出两种辐射；他把它们称为α和βo由于它们在物质内的吸收性不同而有区别。在同一时期，居里夫妇正发现了钋和镭。他们，同样还有贝克勒耳，正在研究由放射性物质发出的辐射的性质。他们的努力与卢瑟福以及其他许多研究者的努力以一种复杂的方式相互交迭。错误犯了不少，但是没有几年，得到了这样的结论：β射线是阴极射线，即电子流；而且法国的P.V.维拉德（P.V.Villard）发现了穿透性更强的辐射，叫做γ，类似于有穿透性的X射线。然而，α射线仍然是神秘的。卢瑟福和居里夫妇都猜测他们是粒子，带电的原子，以高速度发射出来。从现象上讲，它们的特征由它们的吸收性及其在磁场中的小偏转表现出来。或许读者熟悉这幅著名的图画，它经常可在溯及居里夫妇和贝克勒耳的那些教科书中找到（图3.3）。人们也猜测α射线有一确定的射程。

图3.3　三种射线：α、β和γ。用它们在垂直于运动方向的磁场中的轨迹可区分之。α射线（氦核）带正电；β射线（电子），轻很多，带负电；γ射线类似于X射线，是电磁辐射量子（光子），由于γ是电中性的，它们在磁场中不会偏转。卢瑟福是这些辐射术语的命名者

1898年，蒙特利尔的麦基尔大学有一个位子空缺，卢瑟福决定申请。这是一个重大的决定。从世界物理学的中心搬到加拿大的一所殖民地大学去是一种鲁莽的行动。但是卢瑟福有一种历险精神，况且，他毕竟是来自新西兰，一个确实不是世界科学中心的地方。再有，卢瑟福总是有一种极大的自信心，这种自信心也是有道理的。他得到了一封J.J.汤姆逊写的推荐信，信中说：“我还没有过一个学生比卢瑟福先生对那些有独创精神的研究工作有更大的热情和能力。我肯定，如果他入选，他会在蒙特利尔建立起一个杰出的物理学派。我认为，任意一个机构能为卢瑟福先生提供物理学教授的就职机会将是幸运的。”这是绝对真实的；不过，我也偶然看到类似的为不同于卢瑟福那样的年轻人写的推荐信。卢瑟福被任命了，他先到新西兰去与玛丽·牛顿结婚，然后与她同去加拿大。他的工资是每年500磅，一笔足够开支的钱，大约为皮埃尔·居里所挣的两倍。这反映了那时与法兰西共和国相比，在英帝国内部的条件。

蒙特利尔的环境，对卢瑟福是非常有利的（图3.4）。他得到了由大学的捐助人、百万富翁威廉·麦克唐纳（William Macdonald）爵士资助新建的物理和化学实验室。系主任约翰·考克斯（John Cox）观察了卢瑟福几星期之后作出了一个决定：“我想最好我代你教课，你还是去做你必须做的事情。”这里体现了明智和宽大为怀。卢瑟福喜欢上了他的同事们，从他的信中可以清楚地看出，他和他们建立了在互助尊重他人贡献这种基础上的最真诚的关系。

卢瑟福得到一些放射性物质，开始研究下面的问题。R.B.欧文斯（R.B.Owens）和卢瑟福已观察到空气流影响由放射性物质产生的电离。卢瑟福猜疑它们发射出放射性气体。居里夫妇早已注意到靠近放射源的物体能获得“感生放射性”。现在我们知道，这是由从放射源逃逸出来的气体释放出的沉淀所引起的。如果不采取预防措施，放射性沉淀的形成会成为不能再现的现象的主要实例。多年后，铀裂变发现时，我也有过这样的经历，虽然我很清楚放射性气体和放射性沉淀的可能性。(https://www.daowen.com)

图3.4　卢瑟福于1905年在蒙特利尔麦基尔大学，这年他开始研究α粒子的性质。后来，α粒子的散射使他发现了存在于原子中的一个重的核心

因此，放射性物质发出放射性气体，同时也发出这三类辐射，这个观念建立起来了。这个发现动摇了化学的基础，为了理解那时感到的困惑，我们必须读读原作。卢瑟福说：“如果它们是气体的话，我要毫无疑问地证明它。”因此，他开始做一个非常简单的实验。按照真正的卢瑟福风格，使用了一个装有一串电极的开管，这些电极与一个静电计相接（图3.5）。他将这些气体与空气混合通过管子。气体从一端进，另一端出。他测量流量，因而就测量了气体速度。他也测量入口处的放射性和沿着整个管子的放射性，测量了放射性对气体速度的依赖关系。根据这些测量，卢瑟福能够决定放射性气体的半衰期。因为这个结论似乎非常奇怪，他也做了其它的实验，以使他自己确信放射性的载体真正是气体。

在这时，威廉·麦克唐纳爵士给了实验室液化空气的设备。卢瑟福让有放射性的空气通过一个用液态空气冷却的铜管以验证放射气体是否凝结。他发现它们冻结，管子回暖时，它们重新气化。然而，当他试图测量气化温度时，却犯了个错误：他以为已经找到了各种各样“射气”（他这样称呼这些气体）性质上的差别。我用“各种各样”这个词是因为它有由钍和铀产生的多种气体。今天，我们知道这些“射气”是同位素，因此，所有的气体有同样的沸点和气化温度。但是，卢瑟福发现了气化的规则性的差别。这表明，甚至像卢瑟福这样的人偶尔也会犯错误。不过，无论如何发现放射性气体存在这件事本身是正确的、非常重要的。这也表明，不知道为什么铀和钍原子会分裂，在它们碎块中竟会有气体。

图3.5　探测钍放射性和测量它的半衰期的装置。通过材料C的空气带着放射气体到右边的管子。电极E，F和H用来测量由该气体引起的电离，由此再根据气体的速度，可得到半衰期

接着的一个问题与α射线的本质有关。它们也是一种气体？卢瑟福对这个假设进行了试验，但结果是否定的。于是，他往另一个方向进行试验。如果它们是带电粒子，它们的荷质比是多少？它们的比电荷是多少？它们在磁场内会不会偏转？对这个重要的问题意见不一，各种各样。卢瑟福发表文章不同意贝克勒耳的意见，贝克勒耳开始认为它们不会被磁场偏转，后来，两人取得了一致意见，认为它们能被磁场偏转。他们考虑了各种假设，得到了一些错误的实验结果，如我们可以在卢瑟福的“论文集”中见到的那样。然而，最后卢瑟福终于得到了这个重要结论：α射线的比电荷与电离了的氦类似。他也发现，当放射性物质被加热时，它们放出氦，放射性矿物也一样。所有这些工作很花费时间，但是在1903到1904年间，卢瑟福变得相信α粒子是氦离子了。现在只是证实他的想法了。