卢瑟福发现α射线和β射线

节选自“改变世界的科学”丛书之《物理学的足迹》

图1. 卢瑟福

1896年贝克勒尔发现天然放射性之后，居里夫妇从沥青中提取出了天然放射性单质元素钋和镭，用信服的实验结果证实了自然界中确实存在放射性元素，从此拉开了放射性研究的序幕。为了进一步了解所谓的“放射性”究竟是什么物质，英国的物理学家卢瑟福开展了几个关键性物理实验，并由此建立起了物理学的一个新的分支——原子物理学。

1897到1899年间，剑桥大学的卢瑟福在贝克勒尔的发现基础上，针对放射元素铀的发出的射线做了深入的研究。我们知道天然射线穿透能力很强，可以使厚纸包裹的底片感光。为了研究天然射线究竟能穿透什么材料，卢瑟福试着用层层铝箔把铀盐包裹起来。他发现天然射线实际上存在两种，一种可以很轻易地用纸或单层铝箔就可以挡住，而另一种需要多层铝箔才能包住。

于是卢瑟福用希腊字母把前者命名为α（阿尔法）射线，后者命名为β（贝塔）射线。不久，法国物理学家维拉尔从铀盐中又发现了一种穿透力更强的射线，称为γ（伽马）射线。三种射线如何区别呢？物理学家们发现三种放射线其实带电特征不同，α射线带正电，β射线带负电，γ射线不带电。根据电磁学的基本原理，带电粒子在磁场中会发生偏转，因此辨认三种射线可以简单用磁铁来做到。把放射物质放在带小孔的铅盒中，射线路径上加上磁场，不带电的γ射线将保持直线传播，而带正电的α射线和带负电的β射线则偏转方向相反并和磁场方向有关。

图2. 三种放射线的偏转

如今，物理学家已经清楚三种射线的本质，α射线是失去两个电子的氦原子，即氦原子核，含有两个质子，所以带正电，具有较大的质量；β射线实际上就是电子流，所以带负电，质量较轻；γ射线属于电磁波，是光子束，其静止质量为零。从质量上也可以看出，三种射线穿透能力属γ射线最强。一般来说，人的皮肤或者一张纸就可以挡住α射线，一块厘米厚度的木板或者毫米厚度的铝箔就可以阻挡β射线，而能量很高的γ射线能够轻易穿透人体组织，只有采用厚厚的混凝土或者达几个厘米厚的铅板才能阻挡它！除此之外，核反应中释放的中子也会造成核辐射，四种射线都属于电离辐射。

图3. 常见电离辐射的防护方法

天然放射性在自然界普遍存在，地表的土壤和岩石和建筑用的花岗岩等都含有一定量的天然放射性元素，我们所饮用的水和食用的食物都可能含有少量的放射性物质，而在医疗检查或者放射性治疗中用到的X射线和γ射线都是人工辐射源。稀有气体氡气是天然放射的主要来源之一，过量的辐射会引起人体的不适甚至病变，积累过多的辐射会导致死亡。许多所谓的“鬼屋”其实是因为含有大量的氡气和其他惰性气体，容易使人产生幻觉并且对身体造成伤害，以至于某些抵抗力差的人会离奇地死亡。

图4. 生活中的辐射来源及比例

发现天然放射性的类别之后，卢瑟福进一步思考这些放射性的物理本质，他认为放射性其实来自原子内部，由于放射性的存在，原子内部状态发生变化，可能转化为另一种原子，有别于原子都不发生变化的化学反应。为了验证他的想法，卢瑟福用α粒子轰击了氮原子，通过分析α粒子散射后的偏转路径，他发现其实原子内部是有结构的。真正和α粒子发生对撞的仅仅只有原子中心的一小部分——原子核，而原子核外部都是带负电的电子。

更深入的研究让卢瑟福于1919年发现了原子核内部存在带正电的粒子——质子。卢瑟福以无可辩驳的实验证明了原子具有内部结构，它并不是我们世界最小单元！正是如此，后人才依据他的实验基础提出了各种原子模型，并最终催产了量子力学！这些人群中，诸多是卢瑟福的学生或者助手。卢瑟福可谓是世界上“桃李满天下”中的佼佼者，他的学生和助手中有近10位鼎鼎大名的诺贝尔奖获得者。为了纪念卢瑟福的科学贡献，英国特地成立了卢瑟福实验室，之后和阿普尔顿合并，称为卢瑟福.阿尔普顿实验室，是目前世界上几个著名的科学实验室之一。