卢瑟福 1919：天然 α 打氮怎样放出氢核，并把核组成第一次改写成实验室对象

破除误解：不是金箔劈开原子，不是 1932 年的加速器，也不是制氢口诀或中子判决#

第一个误解，是把“第一次劈开原子”写成 1911 年的金箔，或把两页并成一句“卢瑟福发现了原子核并把它打开”。1911 年问的是正电荷摊开还是挤在中心。判决物是薄箔上的大角闪光，以及后来盖革与马斯登按 $1/\sin^{4}(\theta/2)$ 排开的计数。金箔没有改写核里有什么，只逼出核这个位置。本页问的是：已经挤进去的那个中心，能不能在一次足够近的碰撞里放出氢核。并成“劈开原子”，会把角分布删掉，也会把氮上的长射程闪光删掉。一边是核式几何。一边是核组成第一次成为实验室里可以被改写的对象。

第二个误解，是把 1919 年与 1932 年并成一句“人工打破原子核”，或把本页写成倍压电路与质子加速的前传。考克饶夫与瓦尔顿的入射质子，动能来自实验室的高压；短讯写明从大约十二万五千伏起就能看见闪光。电压在那一页只是能量标尺。本页的入射体是镭 C 放出的 α，没有经过电场加速。产物也不同：那边是氦核加一笔质量亏损账，这边是长射程氢核，还没有把静质量差写成动能。并成“加速器史第一页”，会把天然 α 删掉；并成“第一次嬗变已经把质能等价对上账”，又会把 1932 年那笔账提前写进 1919 年。迈特纳–弗里施 1938把钡读成重核液滴分裂。本页既不是锂上的两颗氦，也不是铀里的钡。

第三个误解，是把本页写成“如何用氮制氢”的配方，或写成放射源制备与照射步骤。第四篇回答的是：屏上那些长射程闪光，是不是氮核被改写后飞出的氢核。证据来自空气与氧、二氧化碳的对照，来自化学制备的氮与空气的计数比，来自压强与体积，来自吸收超过氮、氧反冲原子射程之后仍然剩下的闪光。本页不写源如何处理，也不把“氮里放出氢”写成产额口诀。射程数字是证据的尺子：α 本身大约 7 厘米空气，氮、氧反冲原子大约 9 厘米，长射程闪光大约 28 厘米。尺子用来把三种粒子切开。切开之后，没有一份制氢工艺。

第四个误解，是把本页写成中子已经被证明。1919 年飞出的是带正电、能打亮硫化锌、射程与氢里被撞出的 H 粒子同类的粒子。查德威克要回答的是另一套管：铍辐射几乎不自己电离，却能把石蜡里的质子打出来。本页的闪光是带电的。卢瑟福 1920 年贝克讲座里那个中性结合体，是工作假说，不是本页屏上已经数到的东西。本页只负责：氮核里有氢核可以被打出来。

装置：天然 α、氮、闪烁屏、射程门#

判决链从入射体开始。α 来自金属盒里那层镭 C 淀积自己的衰变，不是实验室高压加速出来的质子。盒子一端的开口覆着阻止本领约合 6 厘米空气的银片，硫化锌屏装在银片外侧，中间可以插入吸收箔；整套装置放在强磁场里，把 β 偏开。屏把看不见的碰撞翻译成可数的闪光，不是一份装配步骤。第一篇已经写过：即便把空气抽走，源本身也会在 α 射程之外留下一些“天然”闪光，亮度和射程都像氢里被撞出的 H 粒子，可能来自源里夹带的氢。本页的未知数，是在扣掉这本底之后，氮会不会再给出一份长射程闪光。

对照必须先把氮、氧反冲原子挡住。第三篇已经量过：α 打氮或氧，会打出明亮的反冲原子，射程大约 9 厘米空气。第四篇因此把全部计数放在吸收大于 9 厘米的地方。挡在这道门之外，屏上若还有闪光，就不再是被撞飞的氮核或氧核。抽空之后只剩源的本底。放进干燥的氧或二氧化碳，闪光按气体的阻止本领下降，没有多出来的长射程成分。放进干燥空气，闪光不但不降，反而升高；吸收约合 19 厘米空气时，计数大约是抽空时的两倍。多出来的闪光与 H 粒子同样亮。这一份必须解释。

污染解释一条条被关掉。彻底干燥只使计数略降，降幅对不上水汽里的氢。湿氧或湿二氧化碳代替干空气，计数仍远小于干空气。室内、室外、在水上存放数日的空气没有可分辨的差别；过滤尘核也没有把效应拿掉。氧和二氧化碳都不给出这份长射程，剩下的候选是氮。化学制备的氮在同样条件下给出的闪光多于空气，比值是 1.25，正是按氮的体积份额所预期的数。压强改变时，计数按气体柱里的碰撞变化；把吸收屏靠近源，长射程按入射 α 被削短的比例缩短。表面效应和源上的花样一起关掉。闪光来自体积里的 α–氮碰撞。

射程把“像氢”写成一个数，也把 1919 年的限制写进同一句。用镭 C 的 α，氢里撞出的 H 粒子射程大约 28 厘米。空气里那份异常闪光看起来也止于大约 28 厘米。计数太少、闪光太弱，末端并不硬。卢瑟福把源移近去找更远的闪光，没有得到可以确定的证据，于是更倾向：氮里打出的粒子并不明显更远，只是投影更靠近 α 的前进方向。1921 年他与查德威克改进显微镜光学之后，才把氮的产物读到大约 40 厘米，而氢里的 H 粒子过不了大约 29 厘米。40 厘米属于后一年。本页停在已经印出的门：大于 9 厘米，大约止于 28 厘米，亮度像 H。他把二氧化碳与已知压强的氢配成与空气同样的阻止本领，空气的效应大约相当于 6 厘米压强的氢。由此得到：每 12 次能打出 9 厘米氮反冲原子的近碰撞里，只有一次打出长射程粒子。稀，说明这不是按体积摊开的氢污染，而是少数足够近的碰撞。

为什么是氮，论文写了两条。实验上，氧和二氧化碳没有这份长射程，空气有，纯氮更多。结构上，当时轻核原子量多半写成 $4n$ 或 $4n+3$，氮是唯一的 $4n+2$。卢瑟福推测氮核是三个氦核外加两个氢核，或一个质量为 2 的核；氢核若在质量 12 的核心外围，α 要同时对付两套场，打到最大速度的机会就会比自由氢更少。这可以解释长射程为什么稀。推测是读法，不是屏上已经看见的砖块清单。磁场偏转本应把“像氢”钉死。平行板那次预备实验里，最强磁场只把计数压下约百分之三十，氢与二氧化碳的混合物也差不多。卢瑟福写明：指示方向对，计数和偏转都太小，不足依赖。本页把这句话留下来，以免把预备实验写成已经量出的荷质比。计数是威廉·凯（William Kay）帮着数的。第四篇末尾点名致谢。闪光弱、事件稀，眼睛把一次闪光从本底里分出来，本身就是证据链的一环。装置停在已经发表的对照、射程与那句 1/12。停住，是为了不让盒子和银片被读成可照做的下一步。

它测到了什么，没有测到什么#

上面那些对照已经把闪光钉在氮柱里的近碰撞：19 厘米附近大约是抽空本底的两倍，氮与空气的计数比约为 1.25，产额大约每 12 次近碰撞一次长射程，末端大约 28 厘米。它没有给出可靠的磁偏转曲线，因此“是氢核”在 1919 年仍带“很可能”，文中还并列了质量为 2 的可能性。它没有把静质量差与动能写成同一笔账。结合能与质量亏损那一页的曲线与铁峰，以及考克饶夫与瓦尔顿用阿斯顿表做的那笔减，都不在这面屏上。1919 年没有 Q 值，也没有大约十七兆电子伏。

它也没有看见残余核是氧。课堂后来常把反应写成氮-14 加 α 变成氧-17 加质子。那是后裔读法。帕特里克·布莱克特（Patrick Blackett）1925 年在 威尔逊云室里看到分叉径迹，才把“α 被留下、氢核飞走”从闪光推进到几何。对象页见 布莱克特 1925。1919 年的未知数不是氧的质量数，而是氮核会不会放出氢核。放出，已经足够把核组成改写成实验室对象。它也没有测量中子，没有把铍辐射改判，没有在铀里找到钡。它更没有把天然 α 换成电场加速的质子。伽莫夫 1928 年的势垒穿透是后话，解释不了 1919 年的屏。1919 年的入射能量来自衰变，不是来自电压旋钮。

限制还要写进“人工”这个词。卢瑟福与弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）早在世纪之交就把天然放射性读成一种元素变成另一种。那是核自己会走的衰变。本页新的一步，是碰撞诱发的改写：入射体仍是天然 α，靶却是普通的氮，产物是氢核。叫它人工，是相对于自发衰变，不是相对于加速器。加速器那一页会把“人工”再收窄一次：入射动能来自实验室高压。两次收窄不要并成一句。

深一层：氢核作为砖块、4n+2 的读法、以及同一双眼睛下的金箔#

氢核必须从“质子已经被命名”的后裔叙事里拆出来。1919 年的论文写的是氢原子、H 粒子、氢核。质子这个词是卢瑟福 1920 年贝克讲座里才公开使用的。本页若把命名提前写进 4 月的手稿，会把证据对象改成一个后来的标签。证据对象是射程与亮度。三个氦核加两个氢核，是按原子量模 4 做的积木游戏，加上放射数据里氦核已经作为 α 出现这一事实。积木能解释氮为什么特别、长射程为什么稀。它不是核壳层，不是中子，也不是后来的 $^{14}\mathrm{N}(\alpha,p)^{17}\mathrm{O}$。中子补进去之后，氮-14 是七个质子加七个中子。1919 年没有这张表。没有这张表，并不削弱屏上的判决：氮被改写了，飞出去的是氢核这一档。

第四篇落款是曼彻斯特大学，1919 年 4 月。卢瑟福随后前往剑桥主持卡文迪许。1932 年的锂与中子都在那栋楼里做完。本页的屏还在曼彻斯特。卡文迪许后来把天然 α 换成加速质子，把氢核从产物换成入射体。对调之后，未知数才变成氦与质量账。对调不是本页的内容。本页要保住的判断只有一句：在电场加速成为实验室手段之前，天然 α 已经把氮核里的氢核打到了屏上。

金箔与氮实验共用硫化锌和显微镜，未知数却差了八年。1911 年的屏问一次遭遇能不能转到直角；1919 年的屏问 9 厘米之外那点闪光是不是氢核。几何在箔上，组成在氮里。马斯登战前已看过 α 打氢的长射程 H 粒子，本页只把它当作对照。凯数闪光。查德威克 1921 年把末端推到 40 厘米，布莱克特的云室补上残余核。本页是第一截：天然 α，氮，长射程氢核。

跨域连接#

• 考克饶夫–瓦尔顿 1932：考克饶夫页把本页写成必须对照的前史，并写明自己新的一步是入射质子的动能来自高压。本对象停在天然 α 与氮上的氢核，没有氦产物，也没有阿斯顿质量差。不要把大约 28 厘米的 H 射程画成锂产物的 8.4 厘米，也不要把镭 C 的衰变能量画成十二万五千伏。一边问不加速的 α 能不能改写氮核。一边问加速过的质子能不能让锂放出氦，并且放能能不能用静质量差记账。入射体来源不同，出射体不同，账本不同。
• 卢瑟福 1911：金箔页用大角闪光证明正电荷挤在核里。本页仍借用硫化锌与显微镜，问的却是挤进去的那个中心会不会放出氢核。不要把 28 厘米射程画成 $1/\sin^{4}(\theta/2)$，也不要把氮柱画成薄金箔。一边是散射角分布。一边是产物的射程门。1911 年没有改写核组成。1919 年没有测量中心电荷的角分布公式。
• 查德威克 1932：查德威克页把铍辐射判成质量近质子、电荷为零的撞击体。本页飞出的粒子能打亮硫化锌，射程像氢核，是带电产物，不是又一次中子发现。不要把石蜡质子写成氮里的长射程闪光，也不要把 1.25 比值写成氮反冲的离子对数。1932 年的未知数是入射体的质量与电荷。1919 年的未知数是氮核会不会放出氢核。
• 原子结构：化学课里的原子结构总览从硬球写到电子云，核常常被画成已经装好质子与中子的豌豆。本对象提供的是核组成第一次被实验室改写的那一截：氢核从氮里飞出，而不是从示意图里被标出来。不要把 28 厘米射程画成玻尔轨道，也不要把 1/12 的近碰撞比例写成电子云的概率密度。内部被改写的第一张判决，仍是氮上那些长射程闪光。
• 放射性的发现：贝克勒尔与居里夫妇把铀自己会放出的射线写成化学分析的对象；卢瑟福与索迪把自发衰变写成一种元素变成另一种。本页的 α 仍来自那条自发的链，靶却换成普通氮，产物是碰撞打出的氢核。不要把抽屉里的底片画成 19 厘米处的差曲线，也不要把自发衰变写成 1919 年这套管。一边是核自己会走。一边是实验室用投射物去改写。
• 莫塞莱 1913：莫塞莱用特征 X 射线的频率把原子序数写成一条直线，整数后来被读成核电荷。本页没有重测那条直线，却第一次在实验室里改写了一个格子所对应的核：氮放出氢核，元素身份不再是化学意义上的不可拆单元。不要把硫化锌闪光画成 K 系谱线，也不要把 28 厘米射程写成 $\sqrt{\nu}$ 对整数的斜率。一边是格点编号。一边是格点内部能不能被碰撞改写。
• 科学哲学：科学哲学页把判决性实验从波普尔的干净冒险读回辅助假设。本页几乎是一份辅助假设清单：水汽、尘核、源里的氢、表面效应、质量为 2 的原子，每一条都用对照关掉或留作限制。闪光计数依赖眼睛，凯的劳动是证据的一部分。不要把 1.25 比值写成一次证伪的拍板，也不要把尚未钉死的磁偏转写成已经完成的判决。收窄到“氮核放出了氢核这一档”，已经够改写实验室对象。

参考文献#

1. Rutherford, E. “Collision of α Particles with Light Atoms. I. Hydrogen.” Philosophical Magazine 37 (1919): 537–561.
2. Rutherford, E. “Collision of α Particles with Light Atoms. II. Velocity of the Hydrogen Atom.” Philosophical Magazine 37 (1919): 562–571.
3. Rutherford, E. “Collision of α Particles with Light Atoms. III. Nitrogen and Oxygen Atoms.” Philosophical Magazine 37 (1919): 571–580.
4. Rutherford, E. “Collision of α Particles with Light Atoms. IV. An Anomalous Effect in Nitrogen.” Philosophical Magazine 37 (1919): 581–587.
5. Rutherford, E., and J. Chadwick. “The Artificial Disintegration of Light Elements.” Philosophical Magazine 42 (1921): 809–825. 射程末端推到约 40 厘米属于后一年。本页对象仍是 1919 年已经印出的 9 厘米门与大约 28 厘米。

延伸阅读#

• 与 考克饶夫–瓦尔顿 1932、结合能与质量亏损 对读：天然 α 打氮怎样停在氢核产物，而不把 1932 年的氦与质量账提前写进硫化锌屏。
• 与 卢瑟福 1911、查德威克 1932 对读：核式几何、氮上的氢核、铍辐射的中性判决，三套管如何分开，而不并成一句“原子核被打开”。
• Blackett, P. M. S. “The Ejection of Protons from Nitrogen Nuclei, Photographed by the Wilson Method.” Proceedings of the Royal Society A 107 (1925): 349–360. 云室里的分叉径迹是后裔。本页的对象仍是 1919 年的闪光、对照与射程门。