袁育才

看过电影《董存瑞》后，人们无不称赞这位英雄的机智勇敢。在攻打隆化前的一个晚上，他带领几个侦察兵到敌人的阵地里去侦察敌情，被敌人发觉了，密集的枪声划破了黑夜的宁静，董存瑞将计就计，也端起了冲锋机向敌人猛扫过去，换来了更密集的枪弹，他就在黑暗中沉着、细心地观察，摸清了敌人火力配置的第一手资料，胜利地完成了侦察任务，为战役的胜利创造了条件。

巧得很，物理学家们在研究物质的微观结构时，用显微镜、电子显微镜来放大作为侦察手段都归失效，也就不得不借助火力侦察术了。

为什么不管使用多精密的仪器都看不见物质的微观结构呢？这是因为我们看任何东西都需要用光来照明，靠反射光生成的像来达到看的目的。问题就出在光是电磁波上。在所有的波中，我们最熟悉的莫过于水波了，水波的最大特点是容易转弯，若光与水波一样容易转弯则就不能“照明”物体生成物体像。幸亏光的波长比水波短得多，研究表明，波长越短的波，愈不容易转弯，用来“照明”物体成像的功能愈佳，这就是光之所以能够照明物体成像的机理。然而波的直线性与弯曲性是相对的，只有被照明物体比光波波长大得很多时，光就表现为直线性，光在此情况下，就能照明物体为人们看见；而当物体很小时，小到与波长差不多、或者比波长更小时，正如水池中的泡沫对水波不起影响一样，光是“照明”不了这种极小的物体的。此时，仪器的放大率再高也不行，本来是模糊的，放大后仍然模糊。

可见光的波长在3800～7600埃的范围内，比原子直径(1埃左右）大得多，用它来照明原子也就自然看不见，更别说结构格外小巧的原子内幕了。电子显微镜中使用的电子也可以看成是波，其波长比可见光、甚至比Χ射线都短得很多，人眼虽不能直接观察，但采取各种显示设备，可以看见原子，但仍然看不见更小的粒子。直到目前为止，物理学家尚未摆脱这个困境。看不见也要研究，搞科学研究的人们就是这么顽强，为此，他们不得不去另辟蹊径了。

十九世纪，人们认为组成物质的最小单位是原子，但在上世纪末，英国著名的物理学家汤姆逊发现了电子，这就动摇了原子为物质结构最小单位的成见，那么原子的结构应如何呢？汤姆逊提出了设想的原子结构西瓜模型，他认为原子的整体是个带正电的西瓜，而电子就像瓜子一样镶嵌在瓜瓤之中，两者电量正好相等，符号相反，故原子呈中性。他为什么这样来设计其原子模型呢？日常生活中所碰到的物质给很多人造成一个结构似乎很紧密的印象，使人们产生了一个认为物质结构没有空隙的错觉，于是汤姆逊就设想物质为这种“西瓜”所排满。模型一经提出，马上得到科学界的公认。想象毕竟是想象，靠不靠得住总得要验证一下才有把握，但又无法窥视原子内部，怎么办呢？得想一个巧妙的办法才行!于是火力侦察术就应运而生了。

有趣的是这个火力侦察术是学生启发老师发明的。1908年，卢瑟福的学生盖革根据放射性粒子可以使气体电离而发明了计数管，用来测量通过该管放射性粒子的数量。第二年，他就与卢瑟福的另一名学生马斯登一起用这管子做实验，他们用放射性元素射出来的α粒子α为希腊字母，读作“阿尔法”。为放射性元素镭蜕变时放出的射线，镭放出的还有β（倍塔)与γ（伽马）两种射线。α射线为氦原子的核，带正电荷，β射线为电子，带负电荷，γ射线为比Χ射线波长还要短的光。——原注束来“轰击”金箔，盖革计数管就测出了α粒子穿过金箔被散射时的分布。学生们的研究成果引起了老师极大的兴趣，卢瑟福直觉到学生们的实验价值巨大，有待进一步研究，于是他就以他非凡的才能和丝丝入扣的仔细从更周全的角度来设计这个实验，结果是：大部分α粒子穿过金箔后，不显著偏离原来的方向；少部分有较大的偏转；极个别的则向回跑，卢瑟福特别注意这些很少量的回跑粒子，测量结果是每八千发到一万发α粒子“炮弹”中，有一发“炮弹”被弹了回来。一般人都会忽视这个现象，认为这万分之一应当是可原谅的“意外”，可是卢瑟福超人之处在于他抓住了这个“意外”，事后他回忆地写道：“在我的生命过程中，那是一件发生在我身上最难以置信的事，就像一颗口径15英寸的炮弹打在一张薄纸时立刻被弹回打到你自己一样。”

卢瑟福为什么会以这个比方来突出这万分之一呢？因为按照西瓜模型，用α粒子轰击时，只可能发生两种情况：若原子的西瓜模型结构很紧密不可入，则α粒子会像无数乒乓球扔向结实的墙上，全部都被弹回，显然这与实验事实不符，不可能。第二种情况只能假定原子的西瓜模型结构不紧密而可入，这时，因为西瓜模型中的瓜子——电子——的质量为α粒子质量的七千分之一，它对α粒子的作用正像汽车路上的小石子对汽车没什么阻碍作用一样，所以在此情况下，α粒子都可自由地穿过金箔，决没有万分之一的粒子被弹回的机会，第二种情况也不可能。

为了解释新发现的结果，只有放弃汤姆逊的西瓜模型，假定金原子是一个空空荡荡的整体，它有一个质量比α粒子质量大得多、但大小又比原子小得多的东西存在，它应集中了原子所有正电荷与几乎全部的质量，居于原子的正中央，叫原子核，而相比起来极轻的电子则远远地围绕着核作旋转运动。这情景正好比原子核是太阳，电子是行星，原子中的空荡空间是渺茫无物的星际空间。这就是当年卢瑟福提出的原子结构太阳系模型。

用这个模型，可以很轻易地解释α粒子的散射实验，在这实验中，α粒子极易穿过空荡荡的金箔原子空间而不会偏转(或偏转甚微）；但当α粒子中有少数粒子会从原子核的旁边飞过，就会有较大的偏转；还有极个别的正对着核运动，当它很接近核时，受核的静电斥力也愈来愈大，最后到10-12厘米时，α粒子就被反弹回来。卢瑟福根据这个理论推算核的直径约为10-13厘米，比原子直径小十万倍左右。

从此以后，随着原子模型的完善，卢瑟福及其学生们的火力侦察术逐渐为物理学家们重视起来。开始，人们以放射性元素发射的粒子作为“炮弹”，继而用中子作为“炮弹”，侦察到了物质的很多“内幕”，后来，科学家们更进一步，设计了各种古怪的粒子“大炮”，如静电加速器、回旋加速器、同步加速器、对撞机等，发现了极多的新鲜事。

卢瑟福被誉称为核物理之父。

(选自《物理奇境》，1982年)