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拉塞福的黃金火花

文／周炳辰　臺大科教中心特約撰述
 

每位讀者大概都聽過原子，也聽 過原子是由質子、中子和電子組成的。 像這樣的知識，其實是有漫長的發展 歷史。在很久很久以前，距離今天大 約一百年前，有位叫作湯姆森（Si r Joseph John Thomson，1856-1940）的 科學家。湯姆森很偉大，他發現電子可 以從原子射出，也因此獲得1906年諾貝 爾物理學獎。對於原子的結構，他提 出著名的梅子布丁模型（plum pudding model），認為帶負電荷的電子會均勻 分布於帶正電荷的質子海之中，宛若梅 子均勻分布於美味的梅子布丁之中。這 個模型可以解釋很多事情，所以當初大 家都相信它。 不過，我們今天要說的是他的學 生拉塞福（Ernest Rutherford，1871- 1937）和他的研究夥伴蓋格（Johannes Wilhelm Geiger，1882-1945）和瑪斯 登（Ernest Marsden，1889-1970）的故 事。
拉塞福生於紐西蘭一個有十二個 孩子的貧困家庭。他非常聰明，從小喜 愛數學和物理，大學畢業後即獲得獎 學金成為英國劍橋大學（University of Cambridge）最早錄取的外國研究生之 一，並且追隨湯姆森作研究。在劍橋大 學讀書的拉塞福很愛說話，非常喧鬧但 很友善，好發表評論，對所有的事情都 很感興趣。當時的英國沒有汽車、飛機、電視或收音機，電話和燈尚未普 及，實驗室是陰暗簡陋的小地方，如果 想要作研究，就必須自己製作實驗器材 來用，但也因此拉塞福學會細心地操作 實驗。
圖片來源：
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Ernest+Rutherford+09

在他二十七歲那年，他到加拿大麥 基爾大學（McGill University）擔任教 授。自從古希臘以來人類想到「原子」 都覺得原子很安定，無法切割，無法改 變（原子的希臘文就是「不可 切割」的意思），但是拉塞福不這麼認 為。他認為原子可以衰變，衰變後會產 生輻射。他致力於α和β輻射的研究， 終於因此獲得諾貝爾化學獎。不過他顯 然對此覺得有些尷尬，因為他始終認 為自己是物理學家，常常告訴其他人：「除了物理之外的科學都不過是集郵般 的活動罷了！」

他在 1907 年回到英國作實驗， 在曼徹斯特大學（The University of Manchester）任職物理系主任，年僅 三十五歲。當時他仍在進行α粒子的實 驗，觀察α粒子撞擊金箔的情形。他和 來自德國的實驗夥伴蓋格發明蓋格計數 器（Geiger counter），這對他的實驗有 很大的幫助。拉塞福曾經半開玩笑地 說：「蓋格數粒子的模樣就像守財奴數 他的金子！」 兩年後瑪斯登也加入他的研究團 隊。拉塞福和蓋格為瑪斯登安排研究計 畫，讓瑪斯登負責觀察α粒子撞擊金箔 的實驗。拉塞福的實驗設計很有趣：首 先，α粒子由一個裝有放射線物質的小 鉛盒射出，通過真空的環境，朝著一塊 僅 0.0000086 cm 厚的金箔撞擊。其實 拉塞福為了驗證他的金箔實驗事後嘗試 過許多不同的金屬，包括鋁箔、鐵箔和 鉛箔，但還是以他的金箔實驗最出名。 在金箔的後面他架設了一個可以觀 察火花的觀察孔，拉塞福請瑪斯登特別 注意是否有粒子向後散射的情形，向後 散射的α粒子會撞擊在硫化鋅屏幕上， 產生細小的火花，可以清楚地看到。拉 塞福當時只是隱約覺得梅子布丁模型似 乎沒有辦法解釋他作金箔實驗觀察到的 某些情況，而瑪斯登則認為這是磨練實 驗技巧的好機會，於是相當小心地操作實驗。他先讓自己身處於黑漆的房間裡 至少一小時，讓雙眼習慣黑暗，然後耐 心地看著屏幕…… 結果竟然看到好多小小的火花閃爍 著，約每秒一次！

當時包括拉塞福的科學家都沒有 預料到這個結果。如果電子的分布如他 們所以為的，像好吃的梅子般均勻地分 布在布丁之中，那麼帶正電荷的α粒子 （α粒子其實是少兩個電子的氦離子） 應該會若無其事地穿過金箔，然後從 金箔的另一面散射開來，因為金箔裡帶 正電荷和負電荷的粒子應該是均勻分布 的。可是事實顯然並非如此，居然可 以觀察到有 α 粒子被金箔反彈回來。 「太不可思議了！」拉塞福說：「這就 像你拿大砲朝著衛生紙射擊，砲彈卻彈了回來！」 拉塞福從這個觀察推測―顯然砲 彈（射擊出去的 α 粒子）撞到金原子 中某個位於中心的微小粒子，這個粒子 至少和 α 粒子質量相當，同樣帶有正 電荷的「核」，才有可能讓 α 粒子往 後散射回來。他推測原子的結構是由位 於中心的「核」和環繞在外園的電子所 組成的，這個「核」僅僅只有原子的十 萬分之一大，卻占有原子絕大部分的質 量，而原子大部分是空的，所有的電子 都繞著這個「核」旋轉。拉塞福提出的 模型一點也不像梅子布丁或任何好吃的 布丁，反倒像地球所在的太陽系了。

拉塞福的發現推翻他的老師湯姆森 所提出的梅子布丁模型，然而當時的科 學家還是比較喜歡梅子布丁模型，比較 不喜歡太陽系模型，因為太陽系模型沒 有辦法解釋為什麼原子內部帶負電的電 子不會繞呀繞的最終就被吸引到帶正電 的原子核中心去了。這個問題拉塞福也 沒有辦法答覆，直到數十年後量子力學 的概念發展起來，波爾（Niels Henrik David Bohr，1885-1962）才用量子力學 代替拉塞福回答這個問題。波爾回答這 個問題讓他也得到諾貝爾獎。 就如同波爾將他的許多研究建構於 拉塞福的太陽系模型之上，許多科學家 也將他們的研究構築於波爾修正過的模 型之上。拉塞福昔日的同事或學生之中 共有十一人得到諾貝爾獎。這些研究讓 科學飛快地前進了，我們因此才能夠預 測化學反應的結果，才能夠揣摩宇宙另 一端的星辰的故事。