盧瑟福
歐內斯特·盧瑟福是一位傑出的物理學家。出生於新西蘭，在這個大洋洲的島國長大，又在英國從事學習和研究。他生活在從19世紀末到20世紀30年代物理學發生革命性變革的時代。他是這個時代勇於進取的開路先鋒之一。他在原子核物理學的研究方麵有許多重大的發現。在盧瑟福之前，原子的概念經過了漫長的古代時期和他之前的近代時期。古代哲學家認為，原子是不可分割的最小物質單元。19世紀末，近代科學家已通過各種各樣的物理和化學的分析研究，形成了關於原子的科學的初步概念。人們知道了電子在原子中的存在，但原子內部情形如何，一直無法解答。盧瑟福通過實驗證實了原子核的存在。他所建立的原子的核模型，為原子核物理學最終確立邁出了決定性的一步。盧瑟福長時期擔任劍橋大學卡文迪許實驗室主任，在他的主持下，卡文迪許實驗室先後有一係列重大發現，成為世界物理學研究的聖地。盧瑟福則被譽為“原子核物理學之父”。
一、早年的求學生涯
1871年8月30日，歐內斯特·盧瑟福出生於新西蘭的泉林村（後來改名為淨水村）村邊的一所小木房裏。這是一個遠離文化中心的偏僻小村。他的祖父是個性格剛毅的蘇格蘭人，父親詹姆斯·盧瑟福3歲時隨其父搭乘帆船遷移到新西蘭。詹姆斯先是幹製造車輪的工作，後來在鋸木廠幹活。
盧瑟福的童年生活是相當愉快的，但也是十分艱苦的。他有5個兄弟和5個姐妹，當他們年齡稍大時，就要幫助父親幹活。盡管如此，農村那廣闊的田野，清新的空氣，充滿童趣的田園生活給孩子們帶來了無盡的樂趣，使盧瑟福從小養成了克服困難和富於幻想的性格。
盧瑟福5歲時，就在福克斯希爾村的一所小學裏開始了他的學校生活。這是一所很簡陋的學校。盧瑟福因成績優良常常受到老師們的稱讚，他們都認為盧瑟福是個很有發展前途的學生。他對周圍發生的一切都感興趣。但當時他最感興趣的兩門課是拉丁文和古典文學。當時學校開設的自然科學課程很薄弱。10歲時，他得到一本科學教科書，這本書的作者是當時曼徹斯特大學的物理學教授鮑爾弗·斯圖亞特。盧瑟福在書上歪歪扭扭地簽上了自己的名字和年齡。
少年時期的盧瑟福就充滿幻想和好奇心。據傳說他曾經發明了一種可以發射“遠射程炮彈”的玩具大炮；他還巧妙地設想出增加“炮擊”距離的方法，從而顯示出他那非凡的創造才能。還有一次，他拆開了一隻報廢的時鍾，大多數孩子都認為這隻壞鍾已經無法修理，隻好報廢。然而使他父親感到非常驚奇的是，壞鍾不僅被修好了，而且以後一直走得很準。還有一次，盧瑟福自製了一架照相機（這類東西在當時是高價商品），他自己衝洗顯影，成了一名入迷的攝影師。
在盧瑟福11歲時，他父親舉家遷到佩洛魯斯海峽邊上的哈夫洛夫。他進入當地一所小學校繼續讀書。他的老師雷諾茲先生。每天上午正式上課前，總是為求知欲較強的學生另外安排1小時的課程，這對盧瑟福提高學習成績起了顯著作用。15歲時，他就得了獎學金。在總分600分的考試中，他一共得了580分。於是，他進入了納爾遜學院，被安置在五年級學習。
當時的學校裏，自然科學課程僅被列為選修課，而且許多男孩子都討厭這門課程。隻有盧瑟福選了這門課，成為自然科學班裏唯一的一名學生。這件事引起了利特爾約翰院長的注意。此後，人們經常可以看到盧瑟福和利特爾約翰先生沿著離學校不遠的黑姆登大街，一邊散步，一邊討論著某些科學問題，並且還不時在地上畫著圖。
利特爾約翰博士本來是古典文學教員，但他設法自修了化學和物理。盧瑟福後來在科學上的偉大貢獻，首先應歸功於這位誨人不倦的教師。正是他使盧瑟福真正懂得科學工作的重大意義，從而為他確立終生獻身於科學研究的誌向，打下了牢固的基礎。
盧瑟福還注意參加校內的各項活動。他常常去農場幫父母幹活。
當盧瑟福在納爾遜學院畢業時，他除了數學獲得獎金外，還獲得了曆史、英國文學、法語和拉丁語等學科獎金。
1889年，18歲的盧瑟福參加了初級大學獎學金的考試。如果考上了，他就可以進入新西蘭，結果他考上了。當他母親告訴他這一消息時，他正在菜園裏挖馬鈴薯。當他聽明白了母親的話時，就用力一揮，甩掉手中的鐵鍬，緩慢而平靜地說：“這也許就是我要挖的最後一顆馬鈴薯吧！”
於是盧瑟福進入坎特伯雷學院學習。這個學院在1889年隻有150名學生，7名教師。盧瑟福學習認真，到1892年，順利通過了拉丁文、英文、數學、機械學、法學和物理學等各門課程，取得了文學士學位。當時學理科課程的學生也被授予文學學士學位。在數學方麵，他還獲得了高級大學獎學金。他專心致誌地學習，但也注意參加各項活動，他因身材高大，在足球隊充當前鋒。他還積極參加辯證學會所組織的各種討論會和辯論會。
因為盧瑟福獲得了高級大學獎學金，他可以繼續在學院裏學習一年。他刻苦鑽研功課，第二年就獲得了碩士學位。在物理學和數學這兩門一直被認為是他首屈一指的主要科目方麵，他還得了“兩個第一”。他母親興奮地將這一消息寫信告訴了盧瑟福在福克斯希爾求學時的第一位校長。
盧瑟福決心在大學再學一年，再爭取獲得理科學士學位。想要取得這一學位的學生，必須進行某些有獨創性的科學研究。盧瑟福打算對科學家布蘭利的“粉末檢波器”（一種檢測赫茲波的儀器）進行改進。他自己動手，利用最簡單、最廉價的材料來製造所需要的儀器，他在一個“簡陋、寒冷、四麵透風的水泥地板的地下室”裏安置了一部赫茲波發生器，然後開始實驗。經過努力，他製成了一種更加靈敏的“檢波器”。他的學位論文《使用高頻放電法使鐵磁化》發表在《新西蘭協會會報》上，許多國家的科學家都讀到了這篇論文，這位青年立即成了知名人物之一。他取得了理科學博士學位。
他又對檢波器進行改進，用它來檢測遠距離的無線電波。不久，他向實驗室工作人員和學生們驗證了從天線發出電波並從遠處檢測電波的方法。他在60英尺的距離內發射了一份電報。這是越過新西蘭上空的第一份無線電報。
盧瑟福曾在一所中學裏擔任過短期的代課教員，但他並不是一個理想的教員。他很快就了解到他在新西蘭所進行的科學研究已經引起了社會上人們的重視。
當時，很多青年向往到英國的牛津或劍橋這樣的古老大學學習。有一種“1851年獎學金”授予學習成績特別出色、具有培養前途的學生，使他們能夠進入英國高等學府學習。1895年，新西蘭大學推選了兩名候選人——馬克洛林和歐內斯特·盧瑟福。兩位主考人認為盧瑟福的研究論文表明他更有發展前途，最後幾經周折，盧瑟福成為獎學金的獲得者。
在盧瑟福離開新西蘭之前，他與一位名叫瑪麗·牛頓的姑娘非正式地訂了婚，一年之後，他們正式宣布訂婚。
1895年，盧瑟福離開新西蘭，登上開往英國的輪船。為了去英國求學，他不得不向人籌借旅費。他隨身帶著比克頓教授寫的一封介紹信。信中寫道：“盧瑟福先生才華橫溢，通曉數學的分析法和圖解法，對於電學及其絕對測定法之最新成就具有極為廣博的知識。盧瑟福先生為人誠懇，和藹可親，樂於助人，凡與他有過交往的人莫不竭誠讚許，尊為良師益友。我們衷心地祝願他在英國的科學研究同他在新西蘭一樣，取得非凡的成就。”
二、在卡文迪許顯露才華
歐內斯特·盧瑟福即將去從事科學研究的單位是當時著名的劍橋大學卡文迪許實驗室。這個實驗室成立不過24年，與盧瑟福同齡。它是在狄馮夏爾·卡文迪許公爵資助下建立起來的。當時的主任是因揭示物質結構的奧秘而早已聞名的湯姆生博士。
開始時，人們對這位頗有名氣的年輕人投入以極不信任的目光。有兩位大學職員，每次路過盧瑟福的房門時，總要吃吃地笑上幾聲。有一次，他們在盧瑟福門前經過，盧瑟福請他們進去幫他解決工作中的一些困難。他的檢波器在房間裏擺著，他們茫然地望著它，不知如何是好，因為他們從來就沒有見過這一類東西。他們這才感到自慚形穢。從此以後，他們再也不來打擾盧瑟福了。
盧瑟福初到劍橋大學時，仍然致力於赫茲波磁性檢波器的研究。1896年，湯姆生在倫敦皇家協會上宣讀了他與盧瑟福合寫的一篇論文：《通過高頻放電使電磁化以及關於短鋼針效應的研究》。論文論述了在離發射源半英裏的地方檢測無線電波的方法。同時，無線電波也通過了劍橋市人口稠密的地區，因而，盧瑟福就表明了無線電波不僅適用於農村廣闊的空間，也適用於大城市的繁華地區。
盧瑟福所使用的儀器都是他自己動手製成的。由此不難看出他作為一個實驗家的驚人技巧和耐力。
盧瑟福的發射機是由兩個大金屬片組成的，中間為金屬棒，兩端是相距約半英寸的磨光銅鈕。兩個銅鈕之間可使電火花通過。接收機設在大約半英裏以外的地方，由兩個各長2英尺的金屬棒製成。連接它們的是纏成線圈的優質金屬絲，中間放置著一束極細（直徑為1毫米的7％）的磁化鋼針。線圈上附有一麵與小磁體相連接的鏡子。當信號到達時，電火花在銅鈕之間通過，鋼針就暫時失去磁性，磁體也隨之脫落，因此就使鏡子發生偏轉。盧瑟福還成功地證明了這些信號也能通過磚、灰泥以及人體。這是應用科學中的光輝成就。盧瑟福後來曾不無自豪感地指出，在馬可尼著手進行無線電報的實驗之前（這些實驗以後曾導致無線電和電視的發展），他就已經進行了在半英裏之外來檢測從天線發出的信號的實驗了。
不久，盧瑟福的研究興趣從赫茲波的實驗轉向某些新的領域。很久以來，湯姆生就進行著通過稀薄氣體放電的試驗。當大部分氣體已被抽出真空管時，負電極（陰極）就發生奇怪的放電現象。這種放電起因於已知的陰極射線，即帶負電的粒子，也就是現在所稱的電子。湯姆生認為，既然磁場能使這些射線發生偏轉，它們就決不是一般含義所指的“射線”。他很快證明，電子的重量大約是氫原子重量的1/1800。
湯姆生在稀薄氣體中輸送電荷時，由於儀器變得很熱而使電火花經常出現，無法看清產生了什麼，也無法得到前後一致的結果。X射線的出現徹底改變了上述困難，它們使氣體具有更強的導電性，從而使電荷在較低的電壓下通過氣體成為可能。湯姆生建議盧瑟福從事X射線及其對氣體效應的研究。
盧瑟福立即投入了對X射線的研究。1896年秋天，在不列顛學會（人們有時稱它為“不列顛科學的議會”）上，湯姆生介紹了他與盧瑟福的研究成果。他敘述了經過X射線照射後的氣體中，電傳導的研究工作。他們曾經發現，這種氣體在X射線消失之後，仍然保持一段時間的導電性。
盧瑟福試圖鑒定鈾所放射的射線，並要弄清，它們在某些情況下，是否可能與從其他來源獲得的射線有關。通過反複地試驗他發現，鈾放射出來的射線是多種多樣的，它們各以不同的方式受到磁力的作用，因此，有些明顯地帶正電荷，有些帶負電荷，有些則根本不帶電荷。他用希臘文的頭3個字母分別給這幾種射線取名，他把帶正電荷的叫做α射線，把帶負電荷的稱為β射線，不帶電荷的叫作γ射線。不久，實驗證明，所謂γ射線，其實就是X射線，因為它在活化即電離氣體時，具有與從其他來源獲得的X射線相同的效果。
盧瑟福的研究工作受到了湯姆生的熱烈讚許，不久，也使整個科學界為之轟動。
1898年，盧瑟福開始研究一項與X射線有關的問題。他發現鋅板經過紫外線的照射後，會放射出某些帶電粒子（離子）。通過多次實驗，他證明鋅所放射的離子全部帶有負電荷，而這些離子正好與X射線穿過空氣時所放射的離子具有相同的活動方式。他還推算出離子在兩片之間移動的精確速率。盧瑟福的卓越成果使他躍居科學研究的前列。
卡文迪許實驗室聚集了一批聲名卓著的科學研究人員。他們常常在一起熱烈地爭論現代物理學上的許多問題，有時在室主任房間舉辦茶會，各抒己見。盧瑟福給人的印象是：體魄健壯，精力充沛，謙虛而友善。他經常不分晝夜地工作著，決不滿足於一知半解。
盧瑟福早期在劍橋度過的最後一些日子，主要用於鑒別鈾所放射的各種不同的射線。α射線、β射線和γ射線究竟是什麼，一時尚未徹底弄清楚。γ射線很容易被認為是X射線的另一種形式，但其餘兩種，雖然起初也稱作射線，但不久卻發現它們是由粒子構成的，因此，α粒子和β粒子就成為他以後一段時期內主要的研究對象了。
正在此時，加拿大蒙特利爾的麥克吉爾大學到英國物色一名物理學教授。實驗室很多研究人員躍躍欲試。盡管湯姆生先生舍不得放走盧瑟福這位才華橫溢的年青助手，但他也不願從中作梗。他熱情地給麥克吉爾大學校長寫推薦書：“在獨創性的科學研究中，我從未見過有比盧瑟福先生更加熱情和幹煉有為的學生……我認為，不論哪個大學，若能請到盧瑟福先生去擔任物理學教授，將是十分幸運的。”
麥克吉爾大學接受了盧瑟福擔任物理係教授。1898年9月，盧瑟福登上輪船橫渡大西洋。他深信自己能勝任未來的研究工作，並希望能夠指導助手和研究生的科學研究。他要繼續進行他在劍橋業已開始的種種探索。
三、29歲的年青教授
當時的麥克吉爾大學還處於初創階段，這個學校的物理實驗室是在一位大富豪麥克唐納的資助下建立起來的。盧瑟福來到這裏擔負實驗室的領導工作時，才不過29歲。但他在物理實驗工作中所取得的聲望，卻遠遠超過了年齡比他大一倍的大多數工作人員。
開始時，盧瑟福的講課效果並不理想。他過高地估計了學生的水平，學生們抱怨他“講解過深”。但是他平易近人，經常從百忙中擠出時間同學生交談，解答他們的疑難問題，或向他們解釋聽課時沒有理解的某些觀點。他本人不知疲倦的工作態度，也使學生們受到鼓舞。在8年內，以他的名義發表在學術性科學雜誌上的論文就達50篇之多！他立即贏得了學生們的讚賞和尊敬。
在盧瑟福到來之前，麥克斯博士曾感歎地認為，現階段的物理學差不多已經到頭了，所有留待以後去做的工作隻不過是填補某些冷門知識，以便完成這幅業已勾畫出總輪廓的畫圖。盧瑟福來到麥克吉爾大學後僅僅幾個月，就使麥克斯改變了看法。原因是盧瑟福對鈾的研究工作很快地表明了某些正在發生的變化。
來到蒙特利爾後，盧瑟福繼續投入到對α粒子和β粒子的研究之中了。
盧瑟福向青年工程師歐文斯建議，用金屬釷重複試驗一下即將完成的鈾的實驗。實驗結果出乎意料，釷出現了某些沒有出現過的情況。他們確信其中一定有某種奇妙的新物質。他們兩人整天在一起研究、觀察，爭論各種疑難問題。盧瑟福將這種來自釷，但與α和β粒子截然不同的新物質稱為“釷射氣”。
盧瑟福對釷的興趣與日俱增，他很快發現在釷的周圍存在著另一種奇異的東西，具有“感生”放射性。他受到居裏夫婦和其他科學家關於鐳及其射氣的著作的啟發，親自用鐳重做了某些研究，他發現鐳射氣在幾分鍾之內就失去了放射性，而釷射氣卻能連續保持好幾周的放射性。他們不久就證明，鐳射氣是一種放射性氣體，而釷射氣是一種和氦相當相象的氣體。
結婚的念頭不時湧上他的心頭，然而經濟上的窘迫又使他苦惱，他不得不兼任一部分校外工作，借此得到一點額外收入。直到1900年夏天，他才回到新西蘭同瑪麗結了婚。第二年，他們有了獨生女兒——愛琳·瑪麗。
同年秋天，牛津人弗雷德裏克·索迪來到蒙特利爾實驗室，成為盧瑟福的助手。索迪是個化學家，當時隻有27歲。他和盧瑟福成功地從釷中分離出一種新物質——釷-X。這就是盧瑟福研究多年的釷放射性的主要來源。他們發現，這種釷-X的放射性逐漸地減弱，以致最後消失，無論加進何種化學物質，這種衰變絲毫不受影響，而改變物理條件，如提高或降低溫度時，似乎也不能影響衰變的速度。隨後，他們又發現鈾也發生了類似的一係列變化。鈾隻能放出α粒子，而鈾-X隻能放出β粒子。
由此他們認識到，原子並不是像具體的小型彈子球一類的東西，而是可以分割成更小的東西。他們確鑿無疑地證明，鈾原子、鐳或釷確實是可以分裂的——在分裂過程中，它們產生了α粒子和β粒子。
1899年，盧瑟福發現了鐳的兩種輻射。其中之一，不能貫穿比1/50毫米更厚的鋁片，但能產生顯著的電效應；而另一種輻射卻能貫穿約半毫米厚的鋁片，然後強度減少一半，並且能穿過包裝紙使照相底片感光。盧瑟福把前者命名為α射線，把後者命名為β射線。
1903年，盧瑟福獲得了最高的國家榮譽——被選為英國皇家學會的會員。第二年，他以自己創立的放射理論寫成的《放射學》一書出版了。此書立即成為這一學科的經典著作。後經多次修訂再版。1906年的修訂本出版，英國皇家學會主席、物理學家雷利爵士評述此書時說：“他的驚人的活動能力已經激起了社會上的普遍讚揚，在他鼓勵下的學生，幾年來，差不多每個月都給這門科學做出重要的貢獻。”
盧瑟福在蒙特利爾度過了整整9個年頭的科學生涯後，於1907年接受了英國曼徹斯特大學的聘請，擔任教授並主持曼徹斯特實驗室的工作。在他離校之際，玻維博士充滿惋惜之情地說：“盧瑟福自始至終都把麥克唐納物理實驗室與具有深遠意義的發現聯係在一起，這些出現對於物理世界的概念的最終影響，確實是難以預言的。”
四、發現原子核的存在
1907年5月24日，盧瑟福一家到達英國。
盧瑟福在其光輝的科學生涯中，曾經不止一次地避開研究課題中的某些次要方麵，而把主要精力貫注於最重要的方麵，這是他的一種超人的才幹。來到曼徹斯特後，他把α粒子作為主要的研究課題。
當時很多科學家認為原子裏所包含的全都是電子，但是盧瑟福認為，自然界從來就不像人們想象的那麼簡單，電子是這樣輕，隻相當於已知的最輕原子——氫原子重量的1/1800，而且它總是帶一個負電荷，很明顯，在原子內部一定存在著某些別的東西。
早在1903年以前，拉姆齊和索迪就提出，可以從鐳的樣品中出現氦原子——而這種去掉電子後的氦原子正是盧瑟福長期以來一直試圖鑒別的神秘的α粒子。
在年青的助手漢斯·蓋革的協助下，盧瑟福設計出一種用來計算由鐳放射出的α粒子的方法。根據這種方法，他們製成了計數器，用來探測放射性粒子。這種計數器後來被稱為蓋革計數器。
他們很快地又把這種方法應用於各種不同的放射性物質，人們第一次在實驗室裏觀察到單個的原子。計算一下進入計數器內的α粒子數，就可能算出α粒子帶電的總數。盧瑟福不久就宣布，α粒子的電荷數是氫離子電荷數的兩倍。通過實驗，他也證實了過去一直被人懷疑的說法——α粒子就是帶電的氫原子。
盡管盧瑟福已經取得了如此輝煌的成就，他的經濟狀況仍然沒有獲得徹底的改善，這與他緊張忘我的工作是不協調的。由於他全力以赴地埋頭於工作中，他的夫人和女兒很難得見他一麵。他感到欣慰的是他有一位理解他的夫人和一個可愛的女兒。
盧瑟福在放射現象的研究中所取得的成就得到了公認，它揭開了物理學史上新的一頁。也使盧瑟福達到了科學家們都希望達到的最顯要的地位。1908年11月，盧瑟福和他的妻子應邀前往斯德哥爾摩，接受瑞典國王頒發的諾貝爾獎金。作為世界上最偉大的物理學家，他對接受化學獎金感到有點驚訝。這是因為他在物理學上的偉大成績顯然同化學有密切的聯係。接受獎金後，盧瑟福發表了演說，他講到，在他一生中，曾經曆過各種不同的變化，但最快的變化要算這一次了——他竟從物理學家一下子變成了化學家。
獲得榮譽是他引以為榮的，至少7000英鎊獎金使他一直操心的經濟困難得到了圓滿的解決。
到了1908年，在盧瑟福的周圍聚集起一批當時蘭開夏最傑出的青年學生和研究助手。他已將自己正常的事務工作安排就緒了，他可以把更多的時間用在實驗室裏指導他的學生和助手。他定時講課，並經常到其他大學和實驗室參觀訪問。
他決定解決現存的問題之一——原子核問題。他已經證實，電子是原子外殼的一部分，α粒子一定存在於原子內部的某處。他開始把原子想象為微型太陽係，原子核好比太陽，是它的中心，電子就像是行星，圍繞著原子核運轉。
他認為隻有采用打碎原子核的方法才能獲得關於原子核的更為詳盡的知識。1911年，盧瑟福完成了聞名的α粒子散射實驗。
人們對於原子模型曾作過各種各樣的猜測。湯姆生提出：球形的原子內部均勻地分布著正電荷，帶負電的電子夾雜其中。這個原子模型在科學史上被稱為“西瓜模型”，因為它很像一個切開的西瓜。按照西瓜模型，如果用α粒子轟擊原子，α粒子會很輕易地穿過這個原子，而不致於發生α粒子的散射現象，然而當盧瑟福以高能量的α粒子流來轟擊金屬箔時，發現了一種奇妙的現象。