量子史話(九)玻爾投奔盧瑟福,以及同位素概念的發現

盧瑟福發現了什麼

上回我們說到，玻爾在劍橋受到冷落，1912年3月跑到曼徹斯特投奔盧瑟福，事實證明他的決定是正確的，跟著盧瑟福不僅能夠學到東西，而且工作氛圍相當融洽；

最重要的是，玻爾跟著盧瑟福還學到了如何成為一個好的領導者，如何去關心學生，如何與學生保持亦師亦友的關係。

這為他以後回到哥本哈根建立自己的研究所打下了非常好的基礎。

在玻爾來到曼徹斯特以後，他花了幾個星期的時間惡補了一些關於原子和放射性有關的知識，這是盧瑟福整個實驗室研究的重點課題。

每當傍晚十分，在實驗室工作結束以後，盧瑟福和學生都會坐下來一邊喝著咖啡，吃著麵包，一邊漫天長談；

他們談話的主題基本上都離不開原子，氣氛相當融洽，主要是盧瑟福並不會在意學生們所說的觀點是否粗淺，大家可以暢所欲言，交換意見，不必擔心會說錯話。

在談話的過程中玻爾結識到了一位非常要好的朋友，他叫赫維西，由於他倆都是身在異鄉的外國人，英語都說得非常爛，兩個人就很容易就走到了一起，誰也不嫌棄誰。

赫維西后來也是諾獎的獲得者，因為他發明了放射性示蹤技術，在化學和醫藥上有著廣泛的應用。

現在我們去醫院檢查幽門螺旋桿菌的時候，醫生會先讓你吃一顆藥，裡面就有放射性元素碳14，然後對著檢測板吹氣，就可以非常方便的檢測幽門螺旋桿菌。

書歸正傳，玻爾在於赫維西聊天的過程中，得知了現在在原子方面遇到的問題，首先是盧瑟福原子模型不穩定，其次就是按照原子重量排序的元素週期表，由於人們發現了大量的放射性，這些放射性元素在蛻變以後會生成新的元素，生成的新元素和某些已知元素的化學性質一樣，但是重量卻不一樣。

頓時把元素週期表搞得稀碎，人們不知道應該把這些新元素放在什麼位置合適。比如說鈾元素在經過α衰變以後成為了一個新元素，當時人們叫它鈾X；鐳元素經過一系列的衰變以後形成的元素叫鐳D；

人們發現鈾X和釷元素的化學性質相同，但是重量不同，鈾X的重量是232，釷元素的重量是234；鐳D的化學性質和鉛相同，但是鐳D的重量是210，鉛的重量是207。

要知道當時元素週期表的排列是按照原子量來排列的，很明顯這些形成的新元素和已知的元素化學性質相同，但是重量不同，這樣就把人們徹底搞亂了。

索迪在1910年說，形成的新元素和已知的元素化學性質相同，無法區分，唯一可區分的是他們的重量不同，認為，應該把化學性質相同的元素放在元素週期表的同一位置，這就是同位素的概念。

索迪說得沒有錯，但他這種說法，和當時按照重量來排列的元素週期表相違背。赫維西把這些全告訴了玻爾，還說，現在的物理學太亂了，尤其是元素週期表已經亂到了沒眼看的地步。

這兩個問題玻爾都記在了心裡，不過他覺得原子穩定性的問題比較困難，還是先把元素週期表理順了再說，這個問題並沒有花費玻爾多長時間。

很快玻爾就認識到，元素週期表的排列順序並不是按照原子量來排列的，而是按照原子核中的電荷數來排列的，比如氫核有一個電荷，排在第一位，氦核有兩個電荷排在第二位，一直到92個核電荷的鈾元素，核外的電子數量也跟核電荷的數量相等，且元素的化學性質只跟核外電子數量和排布有關。

這樣一來所有的一切都順理成章，比如人們無法區分的鈾X其實就是釷232，無法區分的鐳D其實就是鉛210，他們原子中的電荷數相等，核外電荷的數量和排列完全相同，只是重量不同，以後區分它們只需要在元素名稱後面加上原子量就行了。

而且玻爾更進一步認為，原子的放射性其實就是一種核現象，原子核釋放一個阿爾法粒子，原子序數就會在元素週期表中向前移兩位；釋放一個β粒子，原子序數就會向後移一位。

玻爾想到這裡非常激動，他認為自己的邏輯完全沒有問題，就立刻把原子序數的概念和位移規律告訴了盧瑟福。

前面我們多次提到過，盧瑟福這個人非常注重實驗，當玻爾把自己的想法告訴盧瑟福以後，盧瑟福告誡玻爾：不要無端的猜測。

玻爾前後找了盧瑟福不下五次，盧瑟福依舊不接受玻爾的想法，他最多相信阿爾法粒子是從原子核中釋放出來的，因為他知道阿爾法粒子就是氦原子核，但是你說β粒子，也就是電子，也是從原子核中釋放出來的，盧瑟福想不通原子核怎樣能釋放出電子。

玻爾也感覺到了盧瑟福被自己搞得有些不耐煩了，就想著說，先把這件事放一放再說，說不定哪一天盧瑟福自己就想通了。

可是，20世紀初的科學瞬息萬變，有想法不趕緊發表，絕對會被別人截胡，提出同位素概念的索迪很快就發現了元素序數的概念和位移規律，和玻爾不同的是他發表文章並不需要經過別人的許可。

因此索迪在1921年就獲得了諾貝爾化學獎，玻爾卻因為盧瑟福的一時大意錯失了一個重要的發現，或許也錯過了一次諾貝爾化學獎。

不過玻爾並沒有怨恨自己的老師，因為他清楚什麼原子序數，什麼位移規律都是一些小問題，而且就在這時，盧瑟福的另外一個學生髮表了一篇論文，研究的是阿爾法粒子散射實驗中，阿爾法粒子在穿過金箔以後動能損失的情況，他認為這是阿爾法粒子與原子中的電子相互作用的結果。

以此對原子中的電子進行思考。這個學生叫查爾斯·高爾頓·達爾文，他的爺爺很牛，就是我們熟知的那個統一人和猴的達爾文。

波爾立馬就意識到解決盧瑟福原子模型穩定性，以及電子排布的問題，刻不容緩，因為別人已經在研究了。

這時玻爾在英國為期一年的求學生涯也即將結束，1912年的7月底他回到了哥本哈根，有一件喜事正等著玻爾，他要和女朋友瑪格麗特結婚了。

8月1日，在丹麥一座小城的市政廳玻爾和妻子舉行了簡短的婚禮，在度蜜月的時候，玻爾和妻子專門去了一趟曼徹斯特，給盧瑟福提交一篇關於阿爾法粒子散射的論文，這篇論文被稱為“曼徹斯特備忘錄”。

9月初蜜月結束，玻爾回到了哥本哈根，在當地的一所技術學院獲得了一個助教的職位，也就是沒有正式編制的講師，當時的丹麥整個國家就只有一所大學，哥本哈根大學。這裡的教授職位很難出現空缺，再加上玻爾此時剛出道，能找到工作已經不錯了。

要知道當年愛因斯坦剛畢業的時候，灰頭土臉，連吃飯都成了問題。最後不得不去當個三級技術員。

在做編外講師的期間，玻爾開始思考盧瑟福原子模型的穩定性問題，以及核外電子的排布，偉大的三部曲《論原子和分子的結構》即將誕生。