第二章
金箔实验：原子的结构

欧内斯特·卢瑟福 收到当地物理学会的邀请，参加一场辩论时，才刚到蒙特利尔几个月时间。那是1900年，辩题为“比原子还小的实体的存在”。卢瑟福热切参会，并给他之前的导师汤姆孙写信，表示希望驳倒他的对手——弗雷德里克·索迪 ，一位比他小6岁、牛津大学培养的化学家。索迪一直对物理与化学的交叉领域感兴趣，但他将会发现，卢瑟福是一位撼动化学基本原理的物理学家。 这场辩论将引发科学上最令人震惊的系列实验之一，使得不只科学家，还有艺术家、哲学家、历史学家彻底重新思考关于身边世界的假设。

索迪首先发言。他很高大，表情严肃，金发碧眼。他出生在英国南部，是七个孩子里最小的，上学时他克服了口吃，把之前的儿童房变成了一间可以做实验的化学实验室，偶尔会差点让整个房子起火。他有两条坚决持有的价值观：求真与致美。 ^[1]

索迪是来为原子辩护的。他的观点是：汤姆孙和其他人发现的电子，肯定不同于他和其他化学家所知的“物质”。他说：“化学家保有一种信念与崇敬，认为原子是具体的永恒的实体，就算不是永恒不变的，也肯定不是可以转化的。”他向卢瑟福提出挑战：“也许卢瑟福教授可以让我们相信，他所知的物质与我们所知的是同样的物质。”

卢瑟福接着为他的观点辩护。在卢瑟福看来，电子就是普通物质的一部分。他描述了汤姆孙以及之前科学家的工作，比如德国的海因里希·赫兹和菲利普·勒纳 ，法国的让·佩兰 ，英格兰的威廉·克鲁克斯 。他回顾了汤姆孙发现电子的实验，并解释说，既然电子来源于物质，也就必然是组成原子的一部分。卢瑟福把新的实验结果解释得非常好，使得麦吉尔大学的学生和教职工都相信，关于原子是物质最小的不可变的组成部分这一观念，应该转变了。即便卢瑟福赢得了辩论，关于物质的内部图景仍然留有很多问题。化学家和物理学家的意见仍存在分歧。

卢瑟福——朋友叫他埃尔恩，是一位物理学家，但与你通常想象的那种物理学家很内向的刻板印象相比，他却截然不同。他又高又壮，说话声音很大，大到会打扰到实验室里敏感的科学仪器。他的学生很懊恼，最后制作了一个精心设计的发光标识，挂在仪器上方，写着“请轻声说话”。据科学作家理查德·P.布伦南描述，卢瑟福有一条“深信不疑的信念，认为咒骂仪器会让它更好地工作，鉴于他的成果，也许他是对的”。 ^[2]

卢瑟福来到麦吉尔大学，作为物理学教授，他看起来有点太年轻了，由于前导师汤姆孙的强烈推荐，他的职业生涯就像进入了快速通道。就在几年前，卢瑟福从故乡新西兰来到英格兰，赶上了辐射领域的新发现浪潮，这个睿智的年轻人带着热情投入其中，证明了自己，很快脱颖而出，成为剑桥大学的明星校友，展现了自己研究的独立性，而他的导师正忙于他事（不过，公平地说，他的导师当时正忙于发现电子）。

1896年，放射性的发现有些偶然，当时法国物理学家亨利·贝克勒尔 正在研究铀晶体的发光效应。1898年，玛丽·居里发现了钍元素发出的射线，她的丈夫也加入她的研究，他们宣布发现了钋 与镭元素，并在这重要的一年命名了“放射性”。在剑桥的研究生学习期间，卢瑟福就加入这个行列，证明至少有两种不同类型的射线：可以被一张纸挡住的α射线和可以被一块木头挡住的β射线。 ^[3] α、β，以及几年后的γ射线，用了希腊字母表的前三个字母来命名。人们最初并不了解它们的本质，没过多久，1899年贝克勒尔就确认β射线是电子。1907年，卢瑟福指出α射线由失去两个电子的氦原子组成——使其具有两个单位正电荷。不过当时并不清楚γ射线由与X射线类似的高能光构成。卢瑟福关于放射现象的发现当然引起了汤姆孙的注意。

有了麦吉尔大学的新教授职位，以及自己的第一个研究小组和自己的实验室，卢瑟福想要更深入地探究放射现象。和剑桥相比，加拿大提供了相当不同的氛围，其中一点似乎是把他从老派英国大学的社交约束中解放出来，他可以做他想做的了。他把目光放得很高：想要了解原子的结构。

1900年早些时候的辩论之后，索迪和卢瑟福彼此间产生了真正的兴趣与合作，他们对理解对方的工作有了更强烈的好奇心。索迪对了解更多关于射线的内容很感兴趣，他参加了卢瑟福讲授的一门高阶课程，学习X射线、铀和钍的射线，以及怎样使用静电计的实际操作。作为化学家，他印象最深的是静电计，根据钍的辐射量可以探测出其极微小的质量。与化学使用的简单称重相比，这个办法灵敏得多。事实上，电学方法能够探测的物质的量，是最好的分析天平能够探测的物质的量的10 ¹² （1万亿）分之一。

在此期间，卢瑟福招收了自己的第一位研究生：名叫哈丽雅特·布鲁克斯的女生。即便玛丽·居里的成功可能带来了一些影响，但那时女研究生仍然非常少见。布鲁克斯在家里九个孩子中排行第三，来自西部安大略省的一个小镇。她的父亲是一位做面粉生意的旅行商人，经常没有足够食物满足孩子们的需求。遗憾的是，对于她如何发现对物理学的热爱，以及她的性格和风度，我们不得而知：这些事情没有记录下来。 ^[4] 看起来比较明确的是，她意识到更高等的教育会带给她什么：逃离家乡与变得独立的能力。在麦吉尔大学学习四年后，她取得了优异成绩，获得数学和德语的很多奖学金，缓解了家里供她读书的负担。她是一位满怀雄心壮志的学生，卢瑟福本人对女性做研究也没有任何疑虑，因此邀请她一起工作是十分自然的事。

布鲁克斯与卢瑟福一起研究了钍元素，发现它会发射一种神秘的“放射物”，一种他们从未见过的气体。这点太奇特了，但他们还发现，放射物似乎会使附近物体具有放射性。也就是说，当放射物与一个物体接触时，它似乎会影响到物体，使它自发地发出α、β或γ射线，与镭和钋这样的天然放射性物质一样。

1902年，布鲁克斯凭借与卢瑟福合作所完成的博士工作赢得了奖学金，并用它从加拿大旅行到英格兰，与汤姆孙一起工作，她成了第一位在卡文迪什实验室做研究的女性。基于她的研究成果，卢瑟福开始觉得，擅长化学技巧的人可以帮助他理解出现的情况，于是邀请索迪与他合作，索迪立即放弃了先前的研究工作，欣然接受。 ^[5]

索迪使用化学方法继续完成布鲁克斯的工作，尝试搞清楚钍的放射物是否会与不同的化学药剂发生反应，但徒劳无功。他发现实验的温度没有影响，用二氧化碳取代空气做实验也没有影响。放射物看起来似乎是某种惰性气体，并确认不是钍，而是由钍通过某种方式创造的。

终于，一切豁然开朗。钍正变成气体，钍原子自发地转变了形式。并不像炼金术师的梦想那样，把铅转化为黄金，而是原子在改变。索迪“站在那里，呆住了，被这件意义非凡的事震惊了”，惊叫道：“卢瑟福，这就是嬗变！”

现在我们知道，卢瑟福和索迪观察到的是放射性元素的衰变，通过发射α和β粒子转变为其他元素，最终形成稳定的物质。自然界一直在免费施展炼金术。几年以前索迪还坚持认为化学原子是不能改变的，现在却发现了彻底颠覆世界观的证据。

他们接着发现，放射性衰变遵循 指数律 。经过一段被称为“半衰期”的时间，一堆放射性物质中的一半原子会变成另一种原子。如果一开始有一百个氧-15原子（氧的一个放射性类型，原子质量是氢原子的15倍），两分钟后就只剩下50个原子，另外50个转变为氮-15原子。再过两分钟，只有25个原子（50÷2）。再过两分钟就剩下12.5个原子，等等。（严格来说，无法得到半个原子，但是两分钟的“半衰期”时间保持不变。）物质不再像以往那样稳定而不可改变。

以20世纪早期的标准，卢瑟福和索迪的观点十分激进，因此科学共同体有各种反应。在伦敦，作为英国物理学界最年长的人物，开尔文勋爵（威廉·汤姆孙） 完全拒绝相信原子的衰变。坚信物质不灭的化学家，也竭力反对这项工作的意义。在麦吉尔，卢瑟福的古怪和他的放射性理论也开始困扰到其他教授，其他教师认为，他关于物质的非正统观念可能会给大学带来不好的名声：与他和索迪辩论的物理学会成员对此提出了强烈批评，建议他延期宣布，应该更谨慎些。 ^[6] 他的教授同事们一度把他拉去参会，直言不讳告诉他要把事情放缓。卢瑟福气冲冲地走出房间，无法掩饰自己的怒气。

他肯定不会一直听命于此。1904年，在校园里遛弯时，他偶遇了地质学教授弗兰克·道森·亚当斯，开门见山问道地球的年龄应该是多少。亚当斯说，根据当时的各种估算方法，猜测有一百万年。卢瑟福把手伸进口袋，拿出一个黑色石块，说道：“亚当斯，毫无疑问，我知道我手中的这块沥青铀矿有七百万年历史。”然后就离开了。

卢瑟福意识到，可以用自然界中持续衰变的放射性物质估测地球的年龄。石块含有少量他和索迪正在研究的放射性原子。如果知道一种原子衰变为另一种原子的比率，他就可以算出与“子代”粒子相比，有多少未衰变的原子，从而计算出物体已经存在了多久。卢瑟福想出了“放射性定年法”的主意。他之前的估测基于铀-238，其中238指的是原子质量数。具有不同质量数的元素被称为“同位素”，虽然它们是相同的化学元素，但可以有不同的放射性质（1913年索迪发现了同位素，并发明了这个术语）。通过实验室对半衰期的粗略估测，卢瑟福比较了沥青铀矿样品中铀和铅的数量，发现地球的年龄比预想中要大得多。

向地质学教授炫耀是一回事，但他还需要说服物理学家和化学家，他关于原子转化的想法是正确的。卢瑟福去了英格兰，1904年5月20日在皇家学会发表了演讲，展示了有关放射性的发现。在观众中，他发现了开尔文勋爵。开尔文一直在与原子衰变的观念做斗争，卢瑟福清楚，他演讲的最后一部分要谈到地球的年龄，这部分会十分困难。有关地球的年龄问题，开尔文被视为权威人物，他根据地球的冷却速率做出过计算。 卢瑟福回忆说：“让我感到庆幸的是，开尔文很快睡着了，但当我谈到关键点时，我看到这个老油条坐起来，睁开眼睛，凶狠地瞪了我一眼！我突然来了灵感，我说，开尔文勋爵限定了地球的年龄，前提条件是没有发现新的（能量）来源。这一预言涉及的，正是我们今晚正在讨论的，镭！看吧！老男孩对我笑容满面。”

其他实验室也得到了证据，确认了许多元素不稳定且具有半衰期这一想法。在英国科学促进协会的一次会议上，开尔文勋爵公开放弃了先前反对放射性的观点，结果不得不向另一位物理学家瑞利勋爵支付了赌注。共同体的其他人也逐渐认可，确实像卢瑟福和索迪猜测的那样，出现放射现象。

卢瑟福于1908年获得诺贝尔化学奖，他评论说，在实验室里他见证了很多变化，但都没有从物理学家突然变成化学家那样快。由于卢瑟福的提名，索迪凭借对放射化学的贡献获得了1921年诺贝尔奖。谈到哈丽雅特·布鲁克斯，当索迪和卢瑟福1902年发现嬗变时，她正在剑桥，但汤姆孙过于专注自己的事，没有注意到她的工作。1903年她回到加拿大，继续对放射现象做出了出色研究，一直到1905年，她订婚了，而任教的大学告诉她，如果结婚就不得不离职。 她解除了婚约，继续工作。1907年，在巴黎见到居里夫人并与其工作后，布鲁克斯面临艰难的抉择。另一位加拿大教授，她之前的实验室助教，开始用浪漫的方式写信给她。她已经31岁，结婚生子的社会压力很大。卢瑟福那时在曼彻斯特，尝试聘用她，竭尽所能确保她可以经济独立。在推荐信里他作证说，她是在放射性领域仅次于居里夫人的最杰出的女物理学家。最终，布鲁克斯选择接受求婚，搬回加拿大，生了三个孩子。她的物理生涯结束了。直到20世纪80年代，她的工作才得到认可，被视为卢瑟福和索迪关于元素衰变和转化发现不可或缺的一部分。 ^[7]

对绝大多数人而言，诺贝尔奖就是他们职业生涯的巅峰，但对卢瑟福来说，这仅仅是第一步。他仍然没有回答最初的问题：原子的结构是怎样的？想象力的飞跃，以及用简单但有效的实验来实现，这项能力让他颇具盛名。1907年他返回英国，掌管曼彻斯特大学物理系。接下来他的发现，需要物理学家和化学家做出思维上更大的跳跃，基于物理学里最简单但最著名的研究之一：金箔实验。

尽管卢瑟福已经实现了很多进展，但他在1908年搭建的实验仍然十分简陋。对于他的方法，他自己的描述最为贴切：“我们没有钱，所以不得不思考。”卢瑟福研究小组的学生和同事因为使用像锡罐、烟盒、封蜡这样的东西而十分出名，当然还需要很多艰苦工作。使用如此简单但聪明的办法来找到检验自然的方式，其中大有乐趣。他的学生，澳大利亚物理学家马克·奥利芬特后来写道：“他满是想法，但一般也仅仅是想法。他喜欢用语言描述发生的情况。” ^[8] 他对原子的看法也是如此。

20世纪初，卢瑟福把他的原子观念描述为“一个和蔼的硬汉，根据个人口味，颜色有红色或灰色”。微小的原子构成了我们的食物、身体以及星球，我们很容易把原子想象成小台球，通常学校里教的就是这幅图景。 1908年，即便距离汤姆孙发现电子已经过去了十年，物理学家仍然不清楚原子的内部结构究竟如何。但卢瑟福已经开始有了一丝头绪，认为原子的构成与放射现象密切相关。

汤姆孙和其他许多物理学家认为，原子是一个带正电的球体，带负电的电子嵌入其中——这被称为“葡萄干布丁模型”。还有其他几种观点，比如日本物理学家长冈半太郎 提出的“土星”模型，认为“中心是有引力的物质，被一圈圈旋转的电子环绕”。但没有任何证据表明这种模型有任何准确性。 ^[9] 卢瑟福非常尊重汤姆孙，但他开始怀疑前导师了。

卢瑟福的领域在拓展，职责也变多了，现在他在曼彻斯特大学监管着一整个院系，就在一个令人印象深刻的红砖建筑里，里面有专门打造的实验室和办公室，卢瑟福给自己留出了一间，作为私人实验室。和很多其他实验室一样，这里有厚木地板，墙面贴着瓷砖：地面附近是浅黄色的瓷砖，桌子高度是深红色的条纹，淡黄色的瓷砖一直延伸到天花板。可能感觉有些朴素，但绝对是特别务实的风格。卢瑟福可以在这儿认真工作，研究原子的内部结构问题。更确切地说，他的同事和学生可以。

作为实验室主任，卢瑟福实在太忙了，就算他想，但是大部分实验他也没时间亲自动手操作。他的工作是召集一个团队，让大家朝着实验室的目标一起工作，而他顺道过来巡视下，看看实验结果，提些建议，给大家鼓鼓劲。在实验室巡视时，卢瑟福遇到了欧内斯特·“欧内”·马斯登，一名20岁、来自兰开夏郡、充满能量和热情的本科生。与稍微有点矮的马斯登相比，卢瑟福要高不少，当然和其他人相比卢瑟福也更高一些。马斯登是棉纺织工人的儿子，成长过程中非常喜欢音乐、文学和科学，在高中老师的影响下选择了学习物理。他的笑声很具有感染力，据同事说，他经常是大家的开心果。 ^[10] 马斯登正需要本科论文的研究课题，卢瑟福给出了一个想法。

之前在加拿大，卢瑟福就已经观察到，让α粒子通过金属薄片时，它们会在照相底片上形成一幅很模糊的图像。如果拿走金属片，照相底片上的图像就清晰了。α粒子似乎被散射了，也许是被金属中的原子偏折了，但他不清楚原因。这个效应非常微小，绝大部分人很可能会忽略掉。卢瑟福鼓励马斯登做实验，更细致地检验这个效应。

为了指导马斯登，卢瑟福让他在汉斯·盖革的监督下工作。盖革是一位出生在德国的物理学家，比卢瑟福小6岁，出生于莱茵兰巴拉丁的诺伊施塔特，一个非常美丽的葡萄酒产区。他对自然界十分着迷，以做实验为乐趣并感到自豪。他已完成博士学位，在卢瑟福到曼彻斯特的时候来到了这里。后来，他因发明以他名字命名的盖革计数器而闻名于世。卢瑟福把自己的实验室提供给两位年轻人做实验。

卢瑟福的团队成员已经研究了电子通过金属时的散射情况，他们发现电子会经历一系列与金属原子的碰撞，一些电子会在前进的方向上反弹回来。现在的问题是，在相似的实验中α粒子会有怎样的反应。α粒子（或是我们现在所知的氦原子核）大概是电子质量的7000倍，这样重的粒子意味着它在行进过程中需要受到非常大的力才会改变路径。凭直觉来看，它们应该沿直线通过金属薄片。然而事实却是，卢瑟福让α粒子穿过金属片时，观察到α粒子形成了模糊的图像，这点十分有趣。现在问题就明确了：如果将α粒子一个一个向金属发射，金属的厚度将怎样影响它们散射和偏折的路径？

对马斯登而言，帮忙设置实验是一项很棒的训练，这个实验在卢瑟福实验室里相当有代表性。这种实验需要一小时一小时盯着显微镜屏幕，数着α粒子微弱的闪光。这需要时间与精力，盖革和马斯登开始了工作。

实验要依靠各种真空管，但需要的并不是产生电子的阴极射线管，因为他们要用的是α粒子。他们在玻璃管一端放了一个由镭构成的α粒子强放射源，然后把另一端用一片云母封住，α粒子可以穿过这个薄片材料。他们让玻璃管和厚金属片成45度角，在45度角反射方向上放置一个硫化锌探测屏，如果α粒子击中它就会发出闪光。在α放射管和探测器之间放置了铅块，防止走丢的α粒子直接打到探测器，影响实验结果。装置这样设计的目的是只有被金属反射的α粒子才能被记录下来。盖革和马斯登找到合适的位置，观察屏幕上的闪光。

首先，他们观察了α粒子击中厚金属片表面时的情况。和电子一样，少量α粒子被反射了。对于厚金属片，α粒子表现得很像电子。在金属内部，他们预期每个原子造成的α粒子的偏折会很小。厚金属片包含很多层原子，即使α粒子比电子重7000倍，结果仍然证实了他们的预测，甚至这些很重的发射物有时也会在足够的碰撞后反弹回来。金属的类型会有影响吗？似乎有。比起更轻的铝元素，像金这样由较重元素构成的金属会反射更多α粒子。

下一步，盖革和马斯登要检验金属的厚度是否有影响。他们推理说，如果让金箔足够薄，α粒子就会全都沿直线运动，但有可能偏折一点，就像卢瑟福已经观察到的那样。他们选择用金来做这部分实验，因为把金做得很薄比较容易。他们逐渐改变金箔的厚度，检验在屏幕上能观测到多少“闪光”。金箔厚度减小时，α粒子似乎像预期那样开始沿直线穿过。但之后他们注意到了奇特的现象：不管把金箔做得多薄，硫化锌屏幕上仍然不时出现闪光。平均大概8000个α粒子中有一个会被金箔弹回，击中屏幕。这可不是轻推一下，让α粒子稍微改变方向；这个影响非常大，使α粒子完全发生了偏折，被送到屏幕上，就好像被金箔反射了一样。但这怎么可能呢？据他们所知，金原子内部没有任何东西可以产生这样的影响，这似乎违反了所有已知的物理定律。较重的α粒子怎么可能被微小的电子或原子里弥散的正电荷偏折呢？

盖革和马斯登把这个消息告诉了卢瑟福，卢瑟福后来这样描述道：“这是我生命中发生的最不可思议的事，不可思议的程度，就像你朝一张很薄的纸发射一枚15英寸 的炮弹，它居然返回来，又击中了你。”得知实验结果后，卢瑟福不得不思考每一种符合数据的合理解释，然后又一一排除。如果葡萄干布丁模型是正确的，α粒子的偏折就会非常小，但这与盖革和马斯登的观测结果并不相符。他们必须弄清α粒子是怎样被弹回的，而这需要金原子里存在非常大的力。可以考虑的选择有几种：有可能是实验出现了错误；有可能是α粒子被原子吸收又发射出来；或者还有一种可能，原子所有的正电荷都被压缩在内部的中心区域。

这个实验在1907年至1908年进行，1909年公布，但对原子而言这个实验究竟意味着什么，卢瑟福的理论要等到1911年才成熟。在此期间，卢瑟福暂时离开去进行计算工作，还利用这段时间报名参加了一个数学课程，来确保他的计算准确无误。他不断发现与数据相符的解释只有一种：原子一定是由极小而致密的原子核和绝大部分真空组成的。

卢瑟福如果想要推翻公认的原子模型，就必须证明新模型是正确的。随后几年，在盖革发明的测量计数器的协助下，马斯登和盖革进行了另外几个系列的实验，才终于理清了其中的头绪。在此之后卢瑟福才把他的新理论公之于众。原子并不是一个点缀着负电子的葡萄干布丁：其中心部分是一个极小的带正电的原子核，密度大到可以在α粒子靠近时使其偏折。电子也是原子的一部分，但它们在很远处环绕原子核运动。如果原子有教堂那么大，电子在墙的位置，那么原子核则有苍蝇那么大，二者之间空无一物。

盖革和马斯登的实验彻底改变了人们关于原子的观点，进而改变了对宇宙的看法。原子根本不是几千年来人们所认为的坚固实体，而是绝大部分均为真空。这一实验结果让人惊讶的程度难以预估，正如亚瑟·爱丁顿 在1928年写道：

当我们把如今所推断的宇宙与平常预想的宇宙进行对比时，最醒目的变化并非爱因斯坦对时间与空间的重构，而是我们所认为的最坚实的物质消融为漂浮于真空中的小颗粒。对那些认为事物大致如其所见的人而言，这给了他们当头一棒。与天文学揭示的星际的无垠真空相比，现代物理学所揭示的原子内部的真空要更加令人不安。 ^[11]

理解原子的内部结构看起来也许只是个有趣的细节，然而这项发现和理解放射性衰变与嬗变的机制却在数十年间左右了科学、技术，甚至政治。原子由极小、致密、带正电的原子核与周围环绕的带负电的电子组成，这一事实产生了整个“核物理学”领域。

如此简单的实验居然有可能得到海量知识，这使卢瑟福非常兴奋。化学家C. P.斯诺 （他也是卢瑟福在剑桥的合作者之一，后来成了知名作家）回忆说，有一次在英国科学促进会的会议上，卢瑟福突然激动起来，大喊道：“我们生活在科学的伟大时代！”而房间里的其他人目瞪口呆，坐着一言不发。

他的热情理所当然：他看到了理解原子核与放射现象原理的潜力所在。如今，很多人将“原子核”与“放射性”一词，以及这些发现几十年后出现的核能与核武器联系在一起，我们对原子核的探索以及放射现象的隐秘本质所释放的威力，有时会引起恐惧。然而如果不存在放射现象，如果所有元素都是稳定的，如果原子核不是如此复杂，我们、我们的星球和星球上的一切就全都不会存在于此。放射现象的出现正是因为原子有结构，这一结构的发现带领我们对物质的本质有了更加深刻、更为根本的理解，我们已为此追寻了上千年。

放射现象是一个自然过程，体现了这样一种观念：我们生命中的一切，甚至物质自身，都处于一种不断演进的变化状态。这种变化在某些情况下极其缓慢，所以我们说有些原子“很稳定”，意思是我们还没见过它们发生衰变，因为它们的半衰期要远远长于宇宙的年龄。但其他原子很明显是不稳定的，它们的半衰期长则几十亿年，短则几天或几分钟，由于这个原因，它们才显得更加有趣，也通常更为有用——于我们而言。

这些放射性元素存在于天然的岩石、空气中，几乎任何地方都能找到。厨房操作台的花岗岩就可能含有铀、钍以及它们的放射性产物。有些元素，比如钾（化学符号为K），同时具有稳定和不稳定同位素，在原子质量上有区别，因为它们的原子核具有不同数量的中子，比质子的数量多或少都有可能。同种元素的同位素可以具有不同的放射性质。比如，绝大部分钾是稳定的K-39，而0.0012%是多一个中子的K-40，发射的绝大部分是β射线（电子），半衰期为十三亿年。这意味着从理论上讲，即便是香蕉也具有放射性，然而辐射的剂量微不足道，你得一口气吃掉五百万根香蕉才能感受到其副作用。我们的身体也不可避免地含有这些同位素，我们都具有放射性。

如今很多技术都依靠天然放射性元素，比如烟雾报警器（其中有镅作为α粒子放射源，产生微弱的电流，一旦烟雾使α粒子散开，就会触发报警器），还有下放到深孔中用来探测周边岩石成分的放射源，这项技术被称为“钻孔测井”，会激发岩石中元素的γ射线，让使用者用最少的挖掘就可以评估地下深处是否埋藏着重要的矿物、石油、天然气或其他有价值的东西。其他放射源在癌症治疗上已应用多年，也应用于给邮件灭菌，尤其2001年有人试图通过邮件传播炭疽病毒，此后美国政府就采用放射线来给邮件灭菌。

天然放射现象在社会其他领域的应用已经成为我们世界的重要组成部分，我们很容易忘记的是，在卢瑟福、索迪、布鲁克斯、盖革、马斯登的发现之前，它是不存在的。只需看一看卢瑟福的老实验室不远处的博物馆——曼彻斯特博物馆，就足以为证。这里并没有任何陈旧的物理仪器，而是有很多化石（包括名为“斯坦”的巨大霸王龙骨架）。还有个巨大的上石炭纪林木根系的复制品，标牌上显示其年龄在2亿9000万—3亿2300万年。还有一条蛇颈龙，是一群大学生在北约克郡找到的，巨大的玻璃橱窗底部摆放着它1亿8000万年的骨骼化石。我们很容易认为测定化石、岩石、古代文物绝对年龄的技术一直就有，但卢瑟福与地质学教授亚当斯的交流提醒我们，事实并非如此。几乎任何未被记录的历史文物，我们都能够客观地知道其年代，主要原因在于我们拥有关于放射现象的知识。

卢瑟福发现原子核后，物理学家又花了些时间才把核物理学理解透彻，才得以了解不同原子半衰期不同的原因。与此同时，人们发现了自然界许多具有不同半衰期的不稳定原子，带给我们多种工具与技术，可以测定年代的不局限于化石，而是几乎任何东西。要列出用放射性定年法测定的所有已知的东西肯定不可能，但我们可以讨论以下几个。

我们知道都灵裹尸布是中世纪的伪造品， ^[12] 我们可以确定死海古卷的年代。我们知道智人从非洲迁移出来并非一蹴而就，而是经历了多个时期。 ^[13] 我们知道他们如何传遍全球，是因为我们可以确定人类遗迹的年代，比如在俄勒冈州一个洞穴中发现的距今14300年的遗址。 ^[14] 考古学中，我们不仅可以确定物品在当地的时期，还可以比较不同国家甚至不同大陆的时期，从而构建出世界的史前史。我们可以通过冰芯确定冰块的年代，最远可追溯到150万年前， ^[15] 从而理解古代气候。也正是由于放射性定年法，我们才知道恐龙在地球上漫步的时间，以及6500万年前疑似恐龙灭绝的小行星的年代。 ^[16] 继续回溯，我们可以识别出可能为最早动物的化石证据：在南澳大利亚特雷佐纳岩层中发现的距今6亿6500万年的一种早期海绵。 ^[17]

这一知识构成了我们生活与物种的历史文化中丰富的一部分。我们能够把所有这些故事整合在一起，不只因为我们可以将岩层与骨架相互比较，还因为原子可以自发衰变为其他原子：因为卢瑟福，因为他的团队，以及在他之后发展与改进这些方法的其他科学家。在当时看来，寻求理解自然界最小的物体也许是物理学一个复杂难懂的部分，但它构成了我们理解文化、艺术、地质学，以及我们在世界史中位置的基础。

又是几个人做的非常简单的实验，带来了开创性的新知识：在物质的中心位置存在一个极小的原子核。这一发现也提出了很多问题，未来继续解决这些问题十分重要。原子核是怎样聚合在一起的？电子在原子中处于怎样的状态？这些问题的最初答案来自量子力学初期，源于设计研究光的本质以及与物质相互作用的实验。随后，物理学将会发展为越来越复杂的领域，卢瑟福喜欢的那种简洁实验无法再揭示原子的奥秘。即便是自然界中发现的放射性物质，也不再足够有效或足够灵活，最终变成了限制，而非发现的手段。技术与理论将会与实验携手并肩，一起向前。在自然界一些看似不相干的方面，物理学家将开始在它们之间构建惊人的联结。现在，我们的故事要来到这些惊奇中的第一个，光与物质的相互作用，使物理学家在最基本层面上采用一种惊人的全新方式看待我们的世界。

[1] Muriel Howorth，Pioneer Research on the Atom： The Life Story of Frederick Soddy，New World Publications，London，1958.

[2] Richard P. Brennan， Heisenberg Probably Slept Here ： The Lives ， Times and Ideas of the Great Physicists of the 20th Century ，J.Wiley，Hoboken NJ，1997.

[3] Ernest Rutherford，‘Uranium radiation and the electrical conduction produced by it’， Philosophical Magazine ，vol. 57，1899，pp.109-163.

[4] M.F.Rayner-Canham and G.W.Rayner-Canham， Harriet Brooks ： Pioneer Nuclear Scientist ， McGill-Queen’s University Press ，Montreal，1992.

[5] T.J.Trenn， The Self Splitting Atom ： A History of the Rutherford-Soddy Collaboration ，Taylor and Francis，London，1977.

[6] A.S.Eve， Rutherford ： Being the Life and Letters of the Rt.Hon. Lord Rutherford ，Cambridge University Press，Cambridge，1939，p. 88.

[7] Rayner-Canham， Harriet Brooks .

[8] John Campbell， Rutherford ： Scientist Supreme ，AAS Publications，Washington DC，1999.

[9] H. Nagaoka，‘Kinetics of a system of particles illustrating the line and the band spectrum and the phenomena of radioactivity’， Philosophical Magazine ，vol. 7（41），1904.

[10] C.A.Fleming，‘Ernest Marsden 1889-1970’， Biographical Memoirs of Fellows of the Royal Society ，vol. 17，1971，pp. 462-496.

[11] Arthur Eddington， The Nature of the Physical World ，Macmillan，London，1928.

[12] P.E.Damon et al.，‘Radiocarbon dating the Shroud of Turin’， Nature ，vol. 337，1989，pp. 611-615. https：//doi.org/10.1038/337611a0.

[13] C.J.Bae，K. Doouka and M. D. Petraglia，‘On the origin of modern humans：Asian perspectives’， Science ，vol. 358 6368，2017. 10.1126/science.aai9067.

[14] Sarah Zielinski，‘Showing their age：Dating the fossils and artifacts that mark the great human migration’， Smithsonian Magazine ，July 2008. Available online at https：//www.smithsonianmag.com/hist ory/showing-their-age-62874/. Accessed 29 March 2021.

[15] C.Buizert et al.，‘Radiometric 81Kr dating identifies 120,000-year old ice at Taylor Glacier，Antarctica’， Proceedings of the National Academy of Sciences ，vol. 111，2014，pp. 6，876-881. https：//doi.org/10.1073/pnas.1320329111.

[16] 小行星假说最初由物理学家路易斯·阿尔瓦雷茨（见第八章）和他的儿子提出。从那时起就有一场争论，认为那只是火山作用，而非小行星。但在2020年，对这些猜测的建模重新确认了小行星模型是最有可能的，详见Chiarenza et al.，‘Asteroid impact and not volcanism caused the end-Cretaceous dinosaur extinction event， Proceedings of the National Academy of Sciences ，vol. 117，2020，pp. 17，84-93. https：//doi.org/10.1073/pnas.2006087117。

[17] Adam C. Maloof et al.，‘Possible animal-body fossils in pre-Marinoan limestones from South Australia’， Nature Geoscience ，3，2010，pp.653-659.https：//doi.org/10.1038%2Fngeo 934. NyP+YoCXdARCUmhFPwBOXEINYW3vYe39fVV5dLoe4rMeYxPZ3FN3HEcjrPrvRfAJ