主题：【原创翻译】《量子》----第一部·量子 -- 奔波儿

1907年，人们发现在放射性衰变过程中所产生的钍和放射性钍（Radiothorium）虽然具有不同的物理特性，但它们的化学特征却是毫无二致，任何想通过化学实验将它们区分开的努力均归于失败。在随后的几年中，人们又陆陆续续发现了其它一些具有相同化学特性的元素。这时，在格拉斯哥大学任教的索迪认为这些新发现的放射性元素，与它们那些具有“完全相同化学特性的近亲”的唯一区别，是它们具有不同的原子量。它们就像是一对长得一模一样的双胞胎，区别只是在于彼此的重量有稍许的差异。

索迪在1910年提出一种观点：这些化学特性一致的放射性元素，即他后来所命名的“同位素（Isotopes）”，只是同一元素的不同形式而已，因而应该在元素周期表上占据相同的位置。当时，在元素周期表中，所有的元素根据原子量（Atom Weight），以增序排列，氢打头，铀居末，而索迪的观点显然是非常另类。但是，越来越多的事实表明诸如放射性钍、放射性锕（Radioactinium）、锿（Ionium）以及铀-X（Uranium-X）在化学特性上是相同的，这些证据都有力地验证了索迪的同位素理论。

在与海韦西聊天之前，玻尔对卢瑟福的原子模型并不感兴趣。但他现在有了一个新的观点：要想仅仅凭其物理和化学特性来区分开原子是不够的；应该通过原子核和原子现象进行区分。玻尔开始认真考虑卢瑟福的原子核模型，同时忽略了这一模型必然产生的解体问题，他试着将同位素与原子量结合起来对元素周期表进行排序。后来，他回忆说“条理一下子就清晰起来”。

按照玻尔的理解，卢瑟福的原子模型中，原子核的电荷数目决定了原子所拥有的电子数目。因为原子是中性的，总体上电荷为零，他认为这是因为原子核的正电荷数目应该与其电子所带的负电荷数目一致。因此，按照卢瑟福的理论所构建的氢原子，应该是由一个的电荷为+1的原子核与一个电荷为-1的电子组成。而对于氦原子，则是由电荷为+2的原子核和两个电子组成。随着原子核所带电荷数的增加，电子的数相应同步增长，利用这种方法可以一直构建到当时已知的最重的元素铀，其原子核的电荷数为92。

玻尔对自己的这个观点很有信心，即原子在元素周期表中的位置应该是由原子核所带的电荷数而不是什么原子量决定的。基于这一认识，他找到了通向同位素这一概念的一条捷径。也正是玻尔，而不是索迪认识到原子核的电荷数目是将所有那些具有相同化学特性但不同物理特性的放射性元素联系在一起的基石。元素周期表足以容纳所有的放射性元素；人们要做的只是根据它们的原子核所带电荷数目给它们分配房间。

恍如醍醐灌顶，玻尔忽然明白为什么海韦西无法将将铅与镭-D（Radium-D）区分开。如果电子数目决定了元素的化学特性，那么任何两个具有相同电子数目和分布模式的元素就像是一对双胞胎，在化学特性上应该也是如出一辙的，铅和镭-D的原子核都拥有相同的电荷数，即82，，因此它们所拥有的电子数目应该也同样都是82，这就导致它们具有“相同的化学性质”。但是，依据其物理特性却可以将它们区分开，因为它们的原子核具有不同的质量：铅为207，而镭-D为210。玻尔发现镭-D实质上就是铅的一个同位素，因此根本无法通过化学方法对它们进行分辨。后来，所有的同位素都被标记为其所属的元素名称，再加上其原子量。例如，镭-D被标记为铅-210。

第三章·金色的丹麦人（11）

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回到剑桥以后，玻尔一直试图与汤姆森建立一种学术上的关系，但却最终未能如愿以偿。多年以后，玻尔谈到了造成这一失败的主要原因：“我的英语太烂，因此不知道该如何表达我自己的思想。我所能说的话只是这是不对的，而他对这种只有结论的对话漠不关心。”汤姆森对同行或学生们的论文和信件一向以熟视无睹而出名，另外，他对电子物理也不是很感兴趣。

随着日子一天天过去，玻尔觉得越来越失望，直到他在卡文迪许实验室举行的一年一度的研究生晚餐会遇见了卢瑟福。晚餐会是在十二月初举行的，这是一次宾客济济的非正式聚会，在祝酒词、歌曲和打油诗之后，还提供有一顿由十道菜组成的大餐。玻尔再一次地被卢瑟福的独特的人格魅力所吸引，他开始认真考虑离开剑桥和汤姆森，而转到曼彻斯特，投入卢瑟福的麾下。月底的时候，他前往曼彻斯特，和卢瑟福谈论这件事情。作为一位和未婚妻天各一方的年轻人，玻尔迫不及待地想做出点什么能拿得出手的成就来打发这段牛郎织女的日子。玻尔告诉汤姆森他想“了解一下放射性的相关事宜”，并获准在新学期的期末离开剑桥。“剑桥的日子生活非常有意思，”他后来坦承，“但却是彻头彻尾地浪费时间”。

玻尔在1912年的3月中旬来到了曼彻斯特，选修了一门为期七周的课程，学习内容是与放射性研究相关的实验技术，这时距离他离开英格兰只有四个月了。为了充分利用时间，玻尔用晚上的时间学习电子物理的知识，想更深入地理解金属的物理特性。在包括盖革和马斯登在内的很多人的辅导之下，他成功地完成了课程，而且卢瑟福还他布置了一个小的研究课题。

“卢瑟福不是那种好糊弄的人，”玻尔在写给哈纳德的信中说，“他会定时来听取工作进展情况，而且能谈到每一个细节问题。”与从来不关心学生进展何如的汤姆森形成鲜明对照，卢瑟福“对身边所有人的工作都非常感兴趣”。他对科学发现有着神奇的感知能力。他的11名学生和几位紧密的合作伙伴，最终都获得了诺贝尔奖。玻尔抵达曼彻斯特的时候，卢瑟福在给朋友的信中写道：“玻尔，一位丹麦小伙子，已经抛弃了剑桥，跑到这儿想获取点放射性研究的经验。”但是，玻尔在实验室的作为并没有显示出他和其他那些渴望成功的小伙子有什么区别，除了他是一个理论学家。

卢瑟福对那些只会夸夸其谈理论的人没什么好感，而且一向不避讳在大庭广众下宣扬这一观点。“他们只会用符号做游戏，”他曾经对一位同行说，“但我们却能发现大自然最真实的面目。”有一次，有人邀请他对现代物理学的发展趋势写一篇文章的，他回复说：“我没法写这样的论文，真写的话也只需花费我两分钟时间。我能说的就是每当那帮子理论物理学家们在那儿翘尾巴的时候，就又该轮到我们实验物理学家上场，一把抓住他们的尾巴，再一次把他们拽趴下！”然而，他却很快就喜欢上这位26岁的丹麦小伙子。“玻尔和别人不一样，”他会说，“他是一位足球运动员。”

每天下午晚些时候，实验室的工作会停下来，研究生与员工们会聚在一起，一边聊天，一边喝茶，吃点蛋糕或者涂着黄油的切片面包。卢瑟福是逢场必到，坐在椅子上，侃侃而谈，涉猎甚广。但是，大部分时间，话题都围绕着物理问题，特别是原子和放射性。卢瑟福成功地塑造出一种文化氛围，连那儿的空气都充盈着发现的渴望，人们以合作的态度坦承交流和讨论着各自的观点，每一个人，甚至是新来者，都能畅所欲言。谈话的主角是卢瑟福，在玻尔眼中，他总是时刻准备着“倾听每一位年轻人，只要他感到对方有什么话要说，而且他是如此地谦和”。卢瑟福唯一不能忍受的是那种“浮夸的言辞”。玻尔，是一个喜欢聊天的人。

与谈话和写作都很流利的爱因斯坦不同，玻尔时不时需要停顿一下，那是他在试图找出合适的词语来表达自己的观点，这种情况在他说丹麦语、英语或者德语的时候都经常出现。当玻尔说话的时候，只有他的思维是清晰的。喝茶的时候，他结识了乔治·冯·海韦西（Georg von Hevesy：1885～1966），这位匈牙利人后来由于发展了放射性示踪技术（Technique of Radioactive Tracing）在1943年获得了诺贝尔化学奖，该技术在医学领域是一项强大的诊断工具，而且在化学和生物学领域得到了广泛的运用。

身为外国人，在陌生的国度说着一种两人都费劲心思想掌握的语言，这些共同点让两人很快就结下了终其一生的友谊。海韦西只比玻尔年长几个月，他热情帮助玻尔迅速融入到实验室的群体中去，“他知道如何去帮助一个外国人，”玻尔在回忆当时的情景时说。在他们俩聊天的时候，海韦西谈到人们发现了越来越多的放射性元素，以至于元素周期表根本没地方把它们都放进去，这让玻尔第一次开始把注意力放在原子上面。在核衰变过程中，一种原子变成另一种原子，从而诞生出一系列“放射性元素（Radioelements）”，但人们对它们在原子王国中的真实位置缺乏确定的认识，甚至有些稀里糊涂，因此给它们命名为诸如：铀-X（Uranium-X），锕-B（Actinium-B）、钍-C（Thorium-C）。但是，海韦西告诉玻尔，有一种可能的解决方案，这是由卢瑟福在蒙特利尔时期的前合作伙伴弗雷德里克·索迪提出的。

第三章·金色的丹麦人（10）

• 【原创】《量子》----第三章·金色的丹麦人（8）
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1911年3月7日，卢瑟福在曼彻斯特文学与哲学协会（Manchester Literaru and Philosophical Society）的一次会议上发表了一篇论文，首次公开了自己的原子模型。四天以后，他收到了利兹大学的物理学教授威廉·亨利·布拉格（William Henry Bragg：1862～1942）写来的一封信，谈到“大约在五、六年前，”日本物理学家长冈半太郎（Hantaro Nagaoka：1865～1950）也曾建立过一个拥有“正电荷的核”的原子模型。但布拉格不清楚的是，早在一年前的夏天，长冈在欧洲访问了一系列顶尖实验室，期间也曾拜访过卢瑟福。在收到布拉格的信件约两周以后，卢瑟福又收到了一封寄自东京的来信。长冈在信中“对您在我访问曼彻斯特期间予以的盛情接待”表示分外感谢，同时指出在1904年的时候，他就曾经提出一个“土星式”的原子模型。该模型有一个体积庞大且高质量的核，周边的电子以环状围绕其运行。

“您可能注意到我所提出的原子模型在一定程度上与您几年前在一篇文章中所提出的模型有些类似，”卢瑟福在回信中对此坦承相认。尽管存在相似的地方，但这两个模型有着着重要的区别。在长冈的模型中，其内核带有正电荷，高质量，且在这个“扁平蛋糕式样的”原子模型中占据大部分空间。但是，在卢瑟福的球状模型中，其内核是一个带正电荷的微小粒子，同时拥有大部分的质量，而原子中的大部分空间是一无所有的。然而，这两个模型都存在致命的缺陷，很少有物理学家能对其有更多的关注。

如果一个原子中存在带正电荷的核，而其电子的位置则相对固定，这样的原子是不稳定的，因为带负电荷的电子会在吸引力的作用下飞向原子核。假定它们像行星围绕太阳运行那样，环绕着原子核运动，同样会引起原子的崩塌。牛顿早在多年以前就提出任何以环状路径运行的物体都具有加速度。根据麦克斯韦的电磁理论，带电粒子，例如电子，在其加速运行时，会以电磁辐射的形式不断散失能量，一个环行的电子将在万亿分之一秒内沿着螺线状轨迹被吸入到原子核。大千世界所反映出来的现实情况与卢瑟福的原子核模型相左。

长久以来，他就明白这个问题看上去难以克服。“加速度运行的电子会散失能量，”卢瑟福在他发表于1906年的《放射性转化（Radioative Transformation）》一书中写道“在建立稳定原子模型的道路上，这一问题是一道最难克服的障碍”。但是，在1911年，他决定忽略掉这一困难：“在当前阶段，没必要去考虑什么原子稳定性的问题，因为这将关系到原子的瞬时结构，以及其所带有的电荷的运动模式。”

盖革为验证卢瑟福的散射公式而做的实验虽然很快就得到结果，但毕竟只是在有限的测量范围内进行的。现在，马斯登也加入进来，他们在随后的一年中花费了很多时间，进行了一次更加详尽的调查。1912年7月，他们的实验结果验证了散射公式和卢瑟福所提出的理论的主要观点。“彻底的检验工作，”马斯登后来回忆说，“繁重不堪，但却让人很兴奋。”在这一过程中，他们还发现在考虑到实验误差的前提下，原子核的电荷数大约为原子重量（注：此处所说的“原子重量”为相对重量）的一半。唯一的特例是原子重量为一的氢原子，除此而外，所有其它原子的电子数目大体为原子重量的一半。例如，对于氦原子，其电子的数目被缩减为2，而根据以前的理论这个数值最多可以为4。但是，电子数目的减半说明卢瑟福的原子模型所释放的辐射能量要比他以前所估计的更强。

卢瑟福回顾说他在第一次索尔维会议上从玻尔那儿得到的有益的帮助，但是对布鲁塞尔的经历他却不堪回首，因为在那次会议上无论是他或者其他任何人都没有讨论他的原子核模型。

第三章·金色的丹麦人（9）

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1903年，汤姆森提出了一种原子模型，即原子应该是一个质量为零的带正电荷的球体，被带负电荷的电子（汤姆森在六年前发现了电子）所包围着，就像是浸在布丁里的梅子一样。由于正电荷的存在，电子之间的排斥力彼此抵消掉，因而不会将原子撕裂。汤姆森认为，对于任何元素而言，其原子所拥有的电子是以一系列同心环状进行分布的，且该分布模式是独一无二的。他提出正是由于其电子的数目及分布模式的差异能让金和铅这样的金属之间相互区分。但是，在汤姆森所提出的原子模型中，只有电子是有质量的，因此哪怕是最轻的原子也必须包含成千上万个电子。

恰好在100年前的1803年，英国化学家约翰·道尔顿（John Dolton：1766～1844）首先提出了任何元素的原子都具有自己独特的重量，从而能凭此与其它原子相区分。由于无法直接观测原子的重量，道尔顿只能通过分析化合物中不同元素所占的比例来估算其相对重量。首先，他需要一个参考点。氢是已知的最轻的元素，道尔顿因此设定其原子重量为1，则其它各种元素的原子重量都可以依据氢原子相应地固定下来。

汤姆森在研究了包括X射线和β粒子在内的很多原子实验结果后，意识到自己的原子模型是错误的，他高估了电子的数目。根据他的最新计算结果，原子拥有的电子数目不能超过由其原子重量所决定的一个定值。不同元素所拥有的电子数目还只是一个未知数，但第一步可以先确定一个最高值，至少这是一个正确的方向。原子重量为1的氢原子可能仅仅拥有一个电子，但是，原子重量为4的氦原子则有可能有二、三甚至是四个电子，对于其它元素也存在类似的推断。

（相对于汤姆森以前所提出的旧模型，）电子的数量大幅度下降，这就说明原子的大部分质量应该是来自于那个带有正电荷的球体。汤姆森当初提出原子模型时，主要是为了保证原子的稳定性和中性，但在这电光火石的一刹那间，他头脑中的这个模型终于接近了它的真实面目。然而，这个改进的新模型既无法解释α粒子的散射效应，也无法给出任一原子中的电子的准确数目。

卢瑟福认为α粒子之所以产生散射，是因为在原子内部存在着非常强的电场。但在汤姆森所提出的原子模型中，正电荷是均匀分布的，因此无法形成较强的电场，另外这一模型更不可能把α粒子反弹回去。1910年12月，卢瑟福竭精殚智，最终“建立了一个远远超越汤姆森的原子模型”。“现在，”他告诉盖革，“我终于弄清楚了原子到底是什么模样！”他所提出的模型与汤姆森的迥然不同。

卢瑟福的原子模型包含一个带有正电荷的内核，即原子核（Nucleus），几乎拥有原子的全部质量。它的尺寸比原子小十万倍，仅仅占据微不足道的体积，“就好比是一座教堂里的一头苍蝇”。卢瑟福明白原子内部的电子并不足以引起α粒子的偏转，因此没有必要去描述电子到底是如何围绕着原子核分布的。大嘴巴的卢瑟福曾经说过他一直以来就坚信原子“是一种又硬又靓的东西，而且能根据人们口味显现成红色或灰色”，但现在他与这种观点分道扬镳了。

尽管存在着视觉上的“碰撞”，但大部分α粒都能以直线状态穿越卢瑟福的原子，因为这些粒子与微小的原子核遥遥相距，因而不会被撞偏。少数粒子在遇到原子核的电场时会有微小的转向，这也就是人们所观察到的微弱偏转。粒子离原子核越近，则电场的排斥效应就越强，因而α粒子偏离其直线轨距的角度就越大。但是，如果α粒子迎头撞上了原子核，两者之间的排斥力将导致α粒子被径直弹回来，就像是一个撞上了一面砖墙的皮球。正如盖革和马斯登所观测到了，这种反弹现象出现的几率微乎其微。按照卢瑟福的说法，这就好比“是晚上的时候在阿尔伯特音乐厅（Albert Hall）里用枪打蚊子”。

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利用自己提出的模型，卢瑟福推算出一个简单的公式，从而能够定量计算出以任意角度偏转的α粒子所占的比例。在对α粒子的分布角度所做的认真的统计工作完成之前，卢瑟福并没有急着对外公布自己的原子模型。盖革接受了这项工作，发现α粒子的分布状态与卢瑟福的理论计算值完全吻合。

第三章·金色的丹麦人（8）

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当卢瑟福和盖革忙着揭示α粒子的奥秘时，他经常抱怨说：“散射就是魔鬼”。其实早在两年前，当他还在蒙特利尔的时候就注意到这一效应：α粒子的运行轨迹本应该是一条直线，但是一些粒子穿过云母片以后会发生轻微的偏离现象，并导致显像相纸上面一片模糊。卢瑟福对此印象颇深，在他抵达曼彻斯特不久，他就列出一个包含各种潜在研究课题的项目表。现在，卢瑟福要求盖革着手其中的一个项目，即调查一下α粒子的散射效应。

俩人一起设计了一个简单的实验：让α粒子穿过一张薄薄的金箔，击中一张涂满硫化锌的纸屏，则这些α粒子会在纸屏上打出一些细小的光点，他们要做的就是统计一下这些闪光点的数目。这项计数工作枯燥乏味，要求他们得长时间呆在黑暗的环境下。但让卢瑟福感到欣慰的是，盖革是“一个工作狂，他能够通宵在那儿统计光点，而且还乐在其中”。他发现，α粒子或者是直线通过金箔，或者是偏离一、两度。这种结果在卢瑟福意料之中，但真正让他比较吃惊的是盖革向他汇报的一种现象---有一部分α粒子“偏离角度比较大”。

卢瑟福对盖革的实验结果迷惑不解，但这个时候传来一则好消息。由于卢瑟福发现了放射性反映出一种元素向另一种元素转化，他被授予了诺贝尔化学奖。对这位一向认为“科学，除了物理学之外，就是收集邮票”的人而言，他自己明明是个物理学家，却被当成是化学家，这简直有点滑稽搞笑。在卢瑟福从斯德哥尔摩带着诺贝尔奖返回以后，他开始学着利用概率方法来研究α粒子的散射角度问题。他的计算结果显示α粒子穿过金箔以后出现大角度偏离的概率非常小，几近于零。

还在卢瑟福忙着对实验结果做计算的时候，盖革建议他给一位叫欧内斯特·马斯登（Ernest Marsden：1889～1970）的出色的本科生分派一点工作。“好啊，”卢瑟福说，“干嘛不让他看看α粒子是否能够以大角度散射？”没想到马斯登很快观察到了这种现象，这使卢瑟福倍感惊讶。但随着搜索范围的加大，预计中将以更大角度散射且会在硫化锌纸屏上击出一个个光点的的α粒子并没有出现。

卢瑟福苦苦思索着这个问题，试图理解“到底是什么样强大的电力或磁力让一束α粒子发生偏转或者散射”，同时他让马斯登检查一下是否还存在一些被反弹回来的粒子。其实，卢瑟福并不指望马斯登能发现啥东西，但当马斯登告诉他说确实有一些α粒子从金箔上反弹回来时，卢瑟福被吓了一跳。卢瑟福说：“这简直是太不可思议了！你能想象得出一枚15英寸的炮弹击中一张薄如蝉翼的纸片，然后再被弹回来打中你自己吗？”

盖革和马斯登开始利用不同的金属做对比实验，他们发现金所能弹回来的α粒子的数量比银高两倍，且比铝要高二十倍以上。当α粒子束击中铂以后，每8000个粒子中仅有一个被弹回来。1909年6月，他们将这些观测结果发表出来，但只仅仅做了简单的现象描述，而没有做进一步的评述。卢瑟福对这些结果也百思不得其解，在其后的十八个月中，他一直苦苦思索这个问题，试图找到一个合理的解释。

在整个19世纪，关于原子是否存在是一个在科学和哲学上被持续争议的问题，但到了1909年，原子的存在已经得到广泛而理性的认同。那些对原子理论持批判态度的人士在越来越多的证据面前闭上了嘴巴，而这些证据中有两个是最关键的，其中一个是爱因斯坦关于布朗运动的理论解释被证实，而另一个就是卢瑟福所发现的不同元素之间可以通过放射现象实现转化。在以前的几十年中，很多杰出的物理学家和化学家都否认原子的存在，而同时大家最为认同的有关原子的描述是汤姆森所提出的梅子布丁模型（Plum-pudding Model）。

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第三章·金色的丹麦人（7）

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