澳门威斯尼斯人网址化学奖却送物理人,数理化

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摘要:气体中的放电现象 上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部,发现了电子并提出一个原子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢?“不对!”汤姆生万没有想到说这个话的正是他的从

  气体中的放电现象

  上回说到汤姆生的研究已经深入到原子内部,发现了电子并提出一个原子“均匀模型”。这个模型到底对不对呢?“不对!”汤姆生万没有想到说这个话的正是他的从大西洋那边归来的一个学生卢瑟福(1871-1937)。

著名物理学家开尔文说:“19世纪已经将物理大厦全部建成,今后物理学家只是修饰和完美这所大厦。”

  花开两朵,各表一枝。自从放电管问世以来,人们纷纷研究真空放电,无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了X射线,贝克勒尔又从对X射线的研究发现了铀的天然放射性,居里夫妇又进一步从对铀矿的研究发现了镭。镭可以自己发光发热,这又给物理学提出了一个无法解释的大难题。从阴极射线引出的一个链条,环环相扣,续续而生,未有穷尽。但是阴极射线本身到底是什么呢?自然有人会考虑这个问题,这个人就是英国物理学家汤姆生(1856-1940)。

索迪(FrederickSoddy,1877一1956),19世纪、20世纪之交发生的物理因此而生长出一批富有活力的新学科,促成了一系列新技术和新的实验手段的出现,揭开了现代自然科学的序幕,在这场伟大的科技革命中,一些化学家也建立了永载史册的业绩,居里夫人、索迪就是其中的代表。索迪于1910年提出了同位素假说,1913年发现了放射性元素的位移规律,为放射化学、核物理学这两门新学科的建立奠定了重要基础。因此荣获了1921年的诺贝尔化学奖。

  19世纪末,物理学的天空,猛然闪出了三道金色的闪电,照亮了正在世纪末的阴云下艰难跋涉的人们,人类的目光终于不再凝重。

  卢瑟福1871年出生于新西兰一个偏僻的小村庄,家里有兄弟姐妹共十二人,这样的家庭自然不能对他娇生惯养,因此小卢瑟福倒尽得自然的优惠。他和伙伴们或山上放牛,或海边捕鱼,风风雨雨练出好一副强健的身骨,到后来他处于文弱的科学家堆中,无人不羡慕他的体格;另一方面潮涨潮落,那大自然的奥妙又启发了他的智慧,他从小就不满足于只学点能糊口的手艺,而向往解释宇宙,向往发明,向往创造。1889年,当他十八岁的时候便勇敢地去报考新西兰大学的奖学金,无疑这将决定一个农家孩子的命运。这天他正在菜地里挖土豆,他母亲突然气喘吁吁地跑来,还不到地头便兴奋地喊道:“孩子,你得到了!得到了!”

但这种固步自封的思想很快被打破。19世纪末物理学的三大发现(X射线1895年、放射线1896年、电子1897年),揭开了物理学革命的序幕,它标志着物理学的研究由宏观进入到微观,标志着现代物理学的产生。列宁曾谈到,现代物理学的临产诞生了辩证唯物主义。

  汤姆生1856年12月18日生于英国的曼彻斯特。他父亲本是一个摆摊卖书报的小贩,后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的著名的书商。他从自己的切身经历中深知没有知识的苦衷,但发誓要教子成材,请了家庭教师指导儿子的学业,并注意培养他的艺术素养。老汤姆生虽是一名书商,可是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授,屋里也还有点书香气。汤姆生有严父督教,又有这样一个环境薰陶,学业大进,十四岁便考进了曼彻斯特大学,二十岁被保送到剑桥大学三一学院,二十七岁就被选为皇家物理学会的会员。1884年卡文迪许实验室主任瑞利年老体表宣布辞职,大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界最引人注目的职位,结果瑞利却推荐了汤姆生,这年他才刚满28岁。

1877年9月2日索迪生于英国伦敦一个商人家庭。少年时就立志将来作一位有成就的科学家,为此,从小学到大学他都努力学习,学习成绩年年优秀,还曾多次获得奖学金,1898年,他以荣获一级荣誉学位的优异成绩毕业于牛津大学。

  这三道闪电就是:1895年伦琴发现的X射线;1896年柏克勒尔发现的天然放射性;1897年汤姆生发现的电子,正所谓一年一道闪电,道道辉煌灿烂。

  “得到甚么了?”卢瑟福还不知是什么事。

一、1895年,妙手偶得之的“X”光

  这时一场旷日持久的大争论正在等待他的加入。六十年代英国物理学家克鲁克斯发明了一种管子——克鲁克斯管,在一个玻璃管里嵌上相对的两块金属板,两板各与一条电路相联,一块是阴极,一块是阳极,管内空气抽得越来越稀薄时,就会出现种种不同的颜色,这种光是由阴极发出的。它到底是什么呢?以德国物理学家赫兹、林纳德为首的一派认为阴极射线是类似于光的东西,是电磁波,以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为这是一束带负电的粒子流。赫兹说,既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内它们路径上的各种屏障,而又不给屏上穿出洞呢?只有波才有这种特性;克鲁克斯说,既然是光一类的波,为什么我把一块磁铁靠近管子时,它就发生偏转呢?只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就像当年牛顿和胡克、惠更斯争论光的波粒性一样,又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威,这场辩论竟持续了20多年没有结果。就在1896年,汤姆生正好40岁时;英国科学促进会最高委员会将汤姆生召来要他的实验室来解决这桩悬案。

1899年英国化学家克鲁克斯在分离铀矿物过程中,发现一部分铀具有放射性,另一部分铀却无放射性。其他一些科学家也发现了这一现象。同时还发现,钍、镭等放射性元素不仅能产生具有放射性的物质,而且还能使与它有接触的物质也产生放射性。这种放射性还会随着时间流逝而减弱,最后会消失。这些奇异的、当时无法解释的现象引起了当时正在加拿大蒙特利尔大学任实验物理学教授的卢瑟福的极大兴趣。他决定开展这一课题的研究,然而他觉得开展这项研究,必须为自己配备一个精通化学的实验助手。正当卢瑟福为自己寻找助手时,恰逢索迪到蒙特利尔大学访问。索迪一眼就被卢瑟福相中。就这样索迪刚出校门不久,就很幸运地成为卢瑟福的助手。事实已证明他们的合作是卓有成效的。

  以这著名的三大发现作为坚实的基础,人们又进一步研究发现了原子的可变性的大量化学同位素。

  “奖学金,考上了!”

1895年11月8日晚, 德国的维尔芝堡大学的伦琴用黑的厚纸板把阴极射线管子包起来,意外的发现1米以外的荧光屏在闪光,而这绝不是阴极射线,因阴极射线穿不透玻璃,只能行进几厘米远。

  好个汤姆生,由他来担当此任真是再合适不过了,他在电磁学方面有极扎实的功底,又有一手高超的实验技术。接受任务后他先将以往的研究成果仔细回顾一番,发现其实早在1834年法拉第总结电解定律时已经初步涉及到这个问题。实验证明,所有化合价为一价的元素,电解出一克化学当量的物质,都需要96493库仑的电量。而一克当量物质所含的粒子数正是阿弗加德罗常量,即6.0238×10^23个。这样就可算出每个粒子上所带的电量为4,802×10^-10绝对静电量,它是电的最小单位。就是说电是由这么一点点的小东西集结而成的,揭示了电的粒子性。阿弗加德罗常量是1870年才确定的,七十年代、八十年代,对这个问题的研究更加深入。1874年英国物理学家斯通尼明确提出用“电子”一词来表示电的一个最小单位。但是为什么还是争论不休呢?因为到此为止也还只是一种理论计算,就像当初居里夫妇发现镭的放射性,但并没有测出镭的原子量,化学家就直摇头一样。现在只推算出电子,而不知道他的重量、性质,物理学家们自然不服,于是汤姆生毅然决定要称称电子的重量。

他们首先对钍的放射性做了大量的实验。他们将硝酸钍溶液用氨处理,沉淀出氢氧化钍,过滤后检查干燥的沉淀,其放射性显著降低,而将滤液蒸干除去硝酸铵后的残渣,却有极强的放射性、但过了一个月后,残渣的放射性消失,而钍却又恢复了原有的放射性。他们证实钍的放射性的确变化无常。他们还发现,如果把钍放在密闭的器皿中,其放射性强度较稳定,如果放在一个敞开的器皿中,其放射性强度就会变化不定,尤其容易受表面掠过的空气的影响。他们推测这可能是由于有某种物质放射出来,不久他们便证明这种被放射出来的物质是一种气体;他们称它为钍射气。

澳门威斯尼斯人网址化学奖却送物理人,数理化通俗演义。  与此同时,人类认识也开始长驱直入到原子核内部。原子不可分的神话被毫不留情地打破,为现代电子技术这座摩天大楼夯下了厚重的基础。

  卢瑟福闻言将手中的铁揪用力摔在地上,他让自己激跳的心稍稍平静下来,然后说:“这是我挖的最后一颗土豆了。”

伦琴断定这是一种新射线,用它拍出了一张手掌照片,一时引起轰动。

  这可真是异想天开,你要捉一个原子来放在天平上都不可能,一个电子又如何称法?这个主意只有汤姆生想得到,也只有他能做到。他既是一个理论物理学家,又是一个实验物理学家,设计实验是他的拿手好戏。他立即把学生们叫到一起,准备好一个阴极射线管,射线从阴极一端发出后,穿过两个很窄的缝,成一细束,打在管子的底部,而底部已准备好精确的刻度,以便观察射线的偏转。在射线经过的路上,上下各准备两块金属电极板,形成一个电场。当金属板不通电时射线沿直线打在管底一个点上,通电后射线受电场的影响发生偏转,并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时再加一个磁场,使它沿相反方向偏转,又校正到原来的位置。这真是一个极妙的实验,一丝阴极射线随着电场和磁场的强弱变化忽上忽下,就像有两只无形的手来回争着将它拉过来拉过去。汤姆生最后让它固定在正中的位置上,对他的学生说:“现在我们可以来称电子的重量了。这时磁场力和电场力的大小正好相等,方向相反。根据这个条件我们先来求出阴极射线微粒的飞行速度。知道了速度就可进一步测其他物理量。比如,我现在撤掉电场,粒子只受磁场力作曲线运动,我们就可求得它的电荷与质量之比。有了这许多数据我们就可以去推算质量。只是那法拉第等人当初是通过电解定律来推算每个粒子上所带的电量,为了证明这个数据我们最好另换一种方法。”

他们对有放射性的镭、锕进行实验研究,也发现存在同钍一样的现象。他们把镭放射出来的气体称为镭射气,锕放射出来的气体叫锕射气。根据这些实验结果,1902年卢瑟福、索迪提出元素蜕变假说:放射性是由于原子本身分裂或蜕变为另一种元素的原子而引起的。这与一般的化学反应不同,它不是原子间或分子间的变化,而是原子本身的自发变化,放射出a、b、g射线,变成新的放射性元素。同时他们将这些实验结果和上述假说整理写成论文:“放射性的变化”。他们关于元素蜕变的假说一提出来,立即引起物理学界、化学界的强烈反对,因为认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子的观点,打破了长期以来认为元素的原子不能变的传统观念。周围的同事们也纷纷告诫他们,千万要小心,以免愚弄自己。开始时卢瑟福也有点犹豫,但是尊重实验事实的朴素唯物主义思想和科学家的责任感,促使卢瑟福和索迪勇敢地决定,一定要使论文发表。

  这三大发现是科学技术从19世纪进入20世纪的隆隆礼炮,它庄严地宣告:科学技术新时代来到了。

  他大学毕业后先当了一段时间的中学教师,这时英国剑桥大学又给了新西兰一个享受奖学金留学的名额,而卢瑟福在大学时就自己动手制成一种灵敏的检波器,试验了在新西兰大地上的第一次电报,并且还发表了电磁学方面的论文。商人的资本是钱,学者的资本是论文,卢瑟福就靠这几篇论文来敲剑桥的大门,果然很灵。他的老师克顿教授为他为了一封很不平常的推荐信:“卢瑟福先生才华横溢,通晓数学的分析法和图解法,对于电学及其绝对测定法之最新成就具有极为广博的知识。卢瑟福先生为人诚恳,和蔼可亲,乐于帮助他人克服困难,凡与他有过交往的人莫不竭诚赞许,尊为良师益友。我们衷心地祝愿他在英国的科学研究同他在新西兰一样,取得非凡的成就。”

由于X射线与原子中内层电子的跃迁有关,这说明了物理学还存在亟待搜索的未知领域。X射线本身在医疗、研究物质结构等方面都有很多的实用价值。

  这时在座的一位学生应声答道:“我这里有一种办法可以一试。”

他们将论文寄到当时在科学界颇有影响的《哲学杂志》时,遭到杂志主编开耳芬勋爵的拒绝。开耳芬勋爵是英国科学界的泰斗,19世纪最杰出的物理学家之一。在学术问题上开耳芬有一种观点,他认为实验仅是验证理论的一种方法。另外,晚年以思想保守而著称的开耳芬实际上是反对元素蜕变理论。卢瑟福和索迪在提出元素蜕变假说时,根据放射性元素在自发地发射射线的同时,还不断地放出能量这一事实,提出了“原子能”的概念。卢瑟福还用这理论说明太阳能和地热的来源,平息了物理学家和地质学家对此的长期争论。开耳芬则是物理学家的代表,主张这种能源来自引力收缩。开耳芬显然不愿意发表卢瑟福和索迪的论文。在这种情况下,卢瑟福只好赶回剑桥,求助于他的导师汤姆逊。通过实验测定了电子的荷质比,从而证实了电子的存在的汤姆逊,对新的科学发现和理论遭受白眼是很有感触的,因此他毫不迟疑地支持卢瑟福。汤姆逊亲自找到开耳芬,向开耳芬保证这篇文章由他负责,开耳芬才不得不同意刊登卢瑟福和索迪的论文。

  而新物理学完全可以说是从1895年,德国的伦琴(1845~1923)教授发现了X射线时开始的。

  卢瑟福从大洋彼岸的乡村来到剑桥的卡文迪许实验室这个物理精英荟萃的地方,他一身土气还没有退去。大都市里来的同学都有点瞧他不起,见他每天只知道埋头读书,便悄悄给他起了一个绰号——从安梯普斯山上抓来的一只光会挖土的野兔子。一天这些同学从外面归来,卢瑟福正在屋里看书,便请他们进屋,顺便请教几个问题。他们自然答不上卢瑟福提的问题,而且发现他桌上有二个从未见的检波器,那手工之精令他们叹为观止。这是由一根全长仅六英寸的金属线缠绕八十匝而成的线圈,中心一根钢针,长不过一厘米,直径只有一毫米的百分之七。过了几天卢瑟福就用这个检波器在半英里外检测电波,并且证明电波可以穿过闹市区、穿过人体和厚墙。而这时马可尼还没有试验成功他的检波器呢。这件事使汤姆生对卢瑟福刮目相看。他说:“在卡文迪许的所有学生中还没一人对研究所的热情能比过卢瑟福的。”那些原来瞧不起卢瑟福的学生自然也就十分敬重“这只光会挖土的野兔子”了。

很多人都曾观察到过X射线的现象,但未深究而错过机会。伦琴善于观察,精心分析,因此他发现了“X”光。1901年,伦琴获首届诺贝尔物理奖,当之无愧。

  汤姆生一看,说话的正是威尔逊(1869-1959)。原来,这汤姆生身边高徒满座,他们一个个都年轻聪明,基础扎实又各有所长。现在说话的这个威尔逊对大气电学有特殊的兴趣,1894年他到海拔4000多米的尼维斯山顶旅游,被那里奇丽的雾景所吸引,便深入钻研,终于弄懂这是气压低的缘故。于是他就在实验室里人工造雾,先是让水分凝结在空气中的尘粒上,后来X射线的发现使他想到空气中离子的存在可能导致云雾的形成。威尔逊想阴极射线若真是电子粒,虽然这电子粒看不见,可是造成一个条件使带电粒子和水一起凝结成雾珠,不就可见而且可以测算了吗?威尔逊当即向老师装好一个简单的仪器。一个大玻璃筒,下面有一个底盘与验电器相连接,筒内充进潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提,空气膨胀造成云雾,水滴开始缓缓地向底盘上落去。就是这么个简单的装置却演示出一个很了不起的成果。他们可以根据云雾向圆盘降落的速度来求雾滴的大小,又根据雾滴的大小和蒸气的总量来求出雾滴的总数,再以验电器收到的总电量除以雾滴的总数,就得出每个雾滴上的电荷值,与法拉第电解定律的求法殊途同归。这真是拐着弯儿作学问。

关于元素蜕变假说的论文的发表,引起的轰动是可想而知的。起初,甚至连居里夫人也表示不能轻易相信。门捷列夫则不但自己表示怀疑,还号召其他科学家不要相信。至于开耳芬,尽管同意发表了这篇论文,他还是在1906年和1907年英国科学促进协会的两次年会上一再发起挑战,认为镭产生新元素并不能证明原子的蜕变,而可能镭本身就含有该元素的化合物。卢瑟福、索迪、居里夫人都对开耳芬进行了反驳,而最有力的反驳莫过于实验事实。在提出元素蜕变假说后,卢瑟福、素迪开始了对放射性元素的进一步深入研究。

  当然,在这之前,已经有无数的学者对气体中的放电投入了特别的关注,并进行了大量的实验,尤其是法拉第、普吕克尔、盖斯勒、克鲁克斯和汤姆生爵士。

  如果卢瑟福果真沿着研究电磁波的路子走下去,也许物理史就要重写。是他的老师把他领到了另一个路口上。从这里眺望开去,似乎前景更加美好。因为这时汤姆生正在研究阴极射线,并且已经找到了电子。居里夫妇在很困难的情况发现了镭,并且正在全力以赴地提炼它。镭的放射性已引起科学界的大轰动。电子也好,放射性也好,X光也好,这些发现都将人们的视线引向一点——原子内部到底还有什么未知的秘密。汤姆生建议卢瑟福就来研究这个课题。而卢瑟福生来是个探险家的性格,他也觉得检波器方面已无甚么可再搞的了,便欣然开始了对原子的探试。

二、1896年,天然放射性现象的发现

  好了,现在我们来看汤姆生对电子的称量结果:阴极射线是由带负电的粒子组成,这种粒子的飞行速度是每秒十万公里;它的质量是氢原子的1840分之1;它的电荷是4.8×10^-10个静电单位。汤姆生还不放心,又把阴极材料几次更换,结果都可以发出同样的粒子流。他还发现:不只在阴极射线中,在其他情况下,如将金属加热到一定高的温度,金属或其他物质受光,特别是受紫外线照射时,也都能放出电子。后来威尔逊不断改进他的云雾室,居然实实在在地观察到了电子的轨迹。现在的问题就不只是一个简单的阴极射线是什么了,它又导出了一个伟大的发现——任何元素中都含有电子。

1899年卢瑟福曾发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种,一种极易被吸收、他命名为a射线:另人种有较强的穿透本领,他称之为b射线。为了探索a、b射线的本质,卢瑟福和索迪利用空气液化机在低温条件下浓缩射气,证明射气是一种气体,这气体与拉姆塞曾发现的惰性气体很相像。继续研究时,他们又发现镭衰变时放射出氦离子,于是他们推测a射线就是氦离子流。为了验证这一推测,1903年3月索迪离开了卢瑟福实验室,回到伦敦,和以发现和研究惰性气体商闻名于世的拉姆塞合作,研究放射性镭所放射的气体。不久他们的实验就确认了卢瑟福和索迪的上述推测,a、射线就是带正电荷的氦离子流。卢瑟福则证明该射线就是电子流。他们的共同努力,终于揭示了放射线的本质。

  其实早在18世纪上半叶,德国的文克勒先生,就曾经用一架起电机,使在抽去了一部分空气的玻璃瓶里,因放电而产生了一种前所未见的光。令人遗憾的是,文克勒只是记录下了这种神秘的光,却没有能够深入持久地研究下去。

  探试的第一步就是抓住镭放射出的射线,若它到底是些什么东西,然后就可以顺藤摸瓜追踪原子内的秘密。卢瑟福天生是个实验好手,他立即设计了一个实验,用一个铅块,钻上小孔,孔内放一点镭。这样射线只能从这个小孔里发出,然后将射线放在一个磁场里。奇怪的现象出现了,一束射线立即分成三股,有一股靠近N极偏转,有一股靠近S极偏转,还有一股不偏不倚一直向前。卢瑟福一一给它们取了名字,分别叫α、β和γ射钱。又经过测定,发现β射线原来和阴极射线一样,就是汤姆生证明的电子流。不过阴极射线是在真空放电时从阴极表面发射出来的,电子速度小,只有光速的百分之几,β射线是原子内部发出的,速度可达光速均百分之三十至百分之九十九,就是说每秒最少九万公里。它速度快,穿透力就强,在空气中可走几十米远,碰到几毫米厚的铝片也能穿过,难怪当年贝克勒尔把底片无论藏在何处都要漏光,正是它在作怪。

法国巴黎的贝克勒尔在一次阴雨绵绵的日子,将用黑纸包的感光底片与铀盐一起锁进了抽屉,结果底片仍旧被铀盐感光了,这是人类第一次发现某些元素自身也具有自发辐射现象,引起了人们对原子核问题的关注。 贝克勒尔因此获1903 年诺贝尔奖。原子核物理学起源于放射性的研究,1933年中子的发现,核物理学诞生。核能的开发利用,大大促进了核物理和高能物理的发展,这其中居里夫妇功不可没。

  这电子的质量极小,只有9×10^-28克,就是只有一万亿亿亿分之一克。这么小的东西汤姆生也将他称出来了,妙就妙在他能迂回曲折,借助电场、磁场、雾滴,正如本生借光谱识元素,居里夫妇借电流强度识别射线强度一样,善于抓住事物间的联系,步步摸索,终于达到目的。不过这回汤姆生绕的圈子也实在够大了,他的这个实验在科学史上也就特别的著名。

卢瑟福、索迪的开创性工作吸引了许多年轻的科学家。就在1903年以后的几年,人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素。到1907年、被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30种,多到周期表中没有可容纳它们的空位。这就产生了矛盾,怀疑周期表对放射性元素是否适用,另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后,发现有些放射性不同的元素化学性质则完全一样。例如钍与由它蜕变生成的射钍,尽管放射性显著不同,可是将它们混合后,却难以用化学方法使它们分离。化学性质则完全一样。这类事实积累得愈来愈多。素迪根据这类事实,于1910年提出了著名的同位素假说:存在不同原子量和放射性,但其它物理、化学性质完全一样的化学元素变种,这些变种应该处在周期表的同一位置上,因而命名为同位素。接着索迪根据原子蜕变时放出a射线相当于分裂出一个氦的正离子,放出b射线相当于放出一个电子,从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。放射性元素在进行以a蜕变后,在周期表上向前移两位,即原子序数减2,原子量减4。发生b蜕变后,向后移一位,即原子序数增1,原子量不变。德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则。

  1836年,卓越的法拉第先生也饶有兴趣地注意到了低压气体中的神秘的放电现象。他并且还企图来试验一下真空放电。然而,由于无法获得高真空,他的这一想法也只能流产。

  α射线和β射线相反,粒子带的是正电荷,质量大,为4个原子质量单位,速度小,只有光速的十分之一,又慢又笨,穿透能力弱。一张薄薄的铝箔、一层裹底片的黑纸,甚至人体皮肤的角质层,都能将它挡住。

居里夫人(1867-1934) 波兰中学毕业,获金质奖章,由于波兰当时女子不能上大学,做了8年家庭教师,筹了费用,于1891年到巴黎大学学习。1893年获物理硕士学位。1894年与法国物理学家皮埃尔·居里相恋。1903年获诺贝尔物理奖,1911年获诺贝尔化学奖。

  正是:

根据同位素假说,他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列:铀-镭系、钍系、锕系。这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题,而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论,三个放射系列的最终产物都是铅,但各系列产生的铅的原子量却不一样。为了验证同位素假说和位移规则的准确性,1914年美国化学家里查兹完成了此项工作。1919年,英国化学家阿斯顿研制成质谱仪,使人们对同位素有了更清晰的认识。(如需转载,请注明来源自科技世界网)

  接下来,历史的重任又落到了德国波恩大学的普吕克尔的肩上。

  γ射线不带电荷,非正非负,处于正中,不受磁场的影响而偏转,它是X射线,不过比X射线的波长还要短,还不到一百亿分之一厘米。

居里夫妇进行了艰苦的提炼工作,从铀矿渣中提炼出了钋,它比纯铀放射性强400倍!1898年7月,为纪念自己的祖国波兰,居里夫人宣布这种元素为“钋”。1898年12月,居里夫人又宣布发现了镭!

  曲径通幽处,科学无近路。
  目的难直达,请君绕几步。

  普吕克尔总是在思考着这样一个问题:当电在不同的大气压下,通过空气或者其他气体的时候,究竟会发生什么样的现象呢?

  好个卢瑟福,真是出手不凡。十九世纪最后十年的二大发现在他这一个实验里全部得到解释。老师汤姆生发现的电子流就是他左手中的β射线,伦琴的X光就是他右手中的γ射线,而贝克勒尔、居里夫妇千辛万苦发现的放射性却不过是α、β、γ这三个希腊字母。镭为甚么会发光发热,原来它在自己放出能量做功呢。当然这里还有许多问题有待探寻,但这些发现足可以教他和他的同事们高兴一番了。

居里夫人自传中写到:“为达到这样的目的,设备是极其简陋的,——我们没有资金,没有适宜的实验室,没有任何帮助。” 镭矿渣非常贵,奥地利送了一吨,在低矮的棚屋里,居里夫妇工作了四年,在1902年,终于从8吨矿渣中提炼出0.1克的镭盐,并宣布镭的原子量为225!镭可以治狼疮和癌肿,0.1克镭就值75万金法郎!一个美国公司想收买专利,都被生活并不富裕的居里夫妇谢绝了。

  却说汤姆生终于捕捉到电子后,他的学生们围着他七嘴八舌地问道:“这个方法也不算太难,为甚么过去争吵了二十多年就没有人去做个实验呢?”

  这个问题苦苦地折磨着他,无论醒里梦里,无论白日黑夜,普吕克尔决心搞清楚这个问题,不然,他会永无宁日的。

  却说卢瑟福将这些新发现兴冲冲地去向汤姆生汇报,汤姆生自然高兴。但是他听完汇报后却露出一种怅惘之情,卢瑟福似有所觉便恭敬地问道:“老师有什么重要吩咐吗?”

居里夫人由于长期接触放射性物质,患上了恶性贫血症,她的丈夫居里1906 年死于车祸,居里夫人在精神打击和身体折磨的双重压力下,仍然初衷不改,献身于科学事业。她的高风亮节,赢得了人们的敬重。

  “事情并不这样简单,我刚开始实验时,曾在两块金属板之间加上一个电场,射线并不偏转。这是由于有气体的存在压力太高。要解决这个问题就先要解决真空条件,而当时真空技术才刚刚使用,很不完善。可知一项研究总是和当时的技术发展水平相联系的。所以,电子的发现并不是我个人特别聪明,这是前人经过许多知识和技术方面的积累,到现在才水到渠成了。”

  普吕克尔找到了优秀的玻璃工匠盖斯勒先生,因为要想找到问题的答案,得需要一个玻璃管,而且在管的两端封入装上输入电流用的金属体,并需要能把玻璃管内的压力减少到最低值的抽气泵。

  “是的,正有一件大事要与你商量。最近加拿大麦克吉耳大学物理系教授应聘到伦敦担任教职。为了挑选下个他的继任者加拿大方面特意派了代表来剑桥商谈此事。我考虑再三,恐怕你是一个最适合的人选。”

由于镭的引人瞩目的放射性,卢瑟福等科学家对镭的放射性进行了研究。卢瑟福(1871-1937)发现了:α射线、β射线、法国人维拉德发现γ射线是一种波长极短的电磁波,比X射线的波长还要短。

  “老师,这个积累是全社会共享的,为甚么同一个时间,同一个实验室,有人能够利用它去实现新的突破,有的人就做不到呢?”

  盖斯勒先生没有辜负普吕克尔的殷切厚望,1850年,成功地研制出稀薄气体放电用的玻璃管。普吕克尔真是激动万分,久久地握住盖斯勒的手不放,他打心眼里感激这位厚道的工匠。

  “老师,我是远涉重洋来向您学习的,现在还没有学到多少东西怎能离去?”

三、1897年,电子的发现

  “所以,我要给你们立两条规矩:第一,接受一个新题目后,首先要将这方面的知识系统复习,特别要注意前人已有的成果,这样既避免重复劳动,又可站在巨人的肩膀上登攀。第二,必须学习好实验技术,全套仪器都要亲手制作,尽且不使用现成的。”

  利用这个玻璃管,普吕克尔实现了低压放电发光,再次捕捉到了那道神秘的电光,并把这种电光深深地铭刻在心。

  “不,你现在已完全能独立开展研究了。像你这样的人才总给我作助手反而压抑了你的才华,你应该有自己的学生,自己的助手,自己的实验室,放开手脚大干一番了。再者你离开了新西兰时就已订婚,也早该成家了,经济收入也不能不考虑,那边年薪500英镑,是一笔可观的收入。上任之后你就可以接来家眷,一心研究了。”

J·J·汤姆逊任剑桥大学卡文迪什实验室主任,属于“弦丝挂、火漆封”派。培养的学生有卢瑟福、玻尔、威尔逊等多人荣获诺贝尔奖。

  学生中不知谁怯生生地说了一句,“这样不是太费时间了吗?”

  科学的道路是没有尽头的。盖斯勒不无遗憾地发现,抽空的玻璃管放电发光的亮度不同,是同玻璃管抽成真空的程度有关系的。

  “不过,我今年才29岁,我怕自己太年轻,做一个高等学府的教授,人家不一定看得起。"

汤姆逊于1897年4月30 日在英国皇家学院作了“阴极射线”的报告,正式宣布发现了阴极射线的本质。1899年,J·J·汤姆逊正式将其命名为电子。这宣告了原子是可分的。为进行电子和原子的研究开创了新的实验技术。

  “不,费点时间有利于培养你们的创造力。实验室是培养会思考、有独立工作能力的人,不是要造就一些死成品。你们不仅是实验的观察者,更重要的是实验的创造者。老师不能教给你所有的知识,两你们掌握了创造能力后却可以得到前人都得不到的知识。”

  而普吕克尔也多么地希望有一台真正的抽气机,从而创造出一段绝对的真空啊!

  “不,年龄是次要的,主要是你有没有挑重担的勇气。我接替瑞利先生任这个卡文迪许实验室主任时,比你现在的年龄还小一岁呢。这正是干事业、闯禁区的最好年龄,你决不可随俗沉浮而作贱了自己的才华。机遇本就不可多得,得到机遇而又失去更会终生遗憾。况且你现在的名声已足可以和那些四、五十岁的教授相匹敌了,希望你勇敢地去上任吧。我这里已写好一封推荐信,他们会尊重你的。”

J·J·汤姆逊于1906年获诺贝尔奖。

  这些本就十分聪明的高材生们毕恭毕敬地围在汤姆生身边聆听师训,他们以后牢记这一教诲,刻苦读书,勇敢创造,这一批学生中竟出了50多名卓有成绩的大物理学家,其中便有威尔逊、玻尔、卢瑟福等九人获得诺贝尔奖金。汤姆生在卡文迪许实验室任教授和主任辛苦执教34年,桃李满天下,育人成果早超过了那些具体的物理发现。

  两人不谋而合。这对科学上的真正的朋友,再度携起手来,向着未知的世界一路求索而去。

  卢瑟福接过信一看,上面写道:“在独创性的科学研究中,我从未见过有比卢瑟福先生更热情和干练有为的学生。我认为,不论那个大学,若能请到卢瑟福先生去担任物理教授,将是十分幸运的。”

  再说汤姆生发现电子,一时名声大震,许多国家纷纷请他去讲学。但他有个习惯,就是多做少说,轻易不愿登台报告。美国著名的普林斯顿大学几次恳求,他才去讲了六小时,而内容却极为精炼。英国皇家物理学会规定每星期五晚上要举行一次学术报告会。委员会早就为他安排好了讲演时间,他埋头电子的研究竟拖了三年。直到1897年4月30日晚上,他终于登台了。这天大厅里灯火辉煌,他将关于发现电子的实验一一讲给同行们,在座的物理学家无论是克鲁克斯派的还是赫兹派的人无不点头叹服,一个比原子还小的基本粒子发现了,汤姆生被誉为“一位最先打开通向基本粒子物理学大门的伟人”。1906年荣获诺贝尔物理学奖。电子的发现,和X光、放射性一起,成为十九世纪末物理学的二大发现。汤姆生在那个晚上的演讲中说,电子是世界上最轻量级的运动员,它如此轻微却联合成一支庞大的队伍,形成了近代工业中最重要的动力源泉。

  在科学史上,托里拆利曾经用水银代替水,形成了“托里拆利真空”,这对盖斯勒震动很大,他因此则设想,流水式抽气泵要是改用流汞效果一定会更好一些的。

澳门威斯尼斯人网址化学奖却送物理人,数理化通俗演义。  卢瑟福听了老师这番话,又看了这封信,十分激动。他感谢汤姆生的知遇之恩,便问临行前老师还有什么指点。

  电子是发现了,但是它在原子中的位置呢?有带负电荷的电子必定还有一种带正电荷的粒子与之相平衡,它们两者是谁绕着谁运动呢?这又是一个新问题。汤姆生构想了一个原子模型,就像一块西瓜瓤或者是一块来有葡萄乾的面包。电子就像西瓜籽或葡萄乾一样均匀地分布在带正电的粒子中,这就是有名的“均匀模型”。现在无论是居里夫妇发现镭的自动放热还是汤姆生发现电子,问题都集中到原子内部来了,一个原子物理的时代就要到来。汤姆生最先设计的“均匀模型”到底对不对呢?且听下回分解。

  盖斯勒找来了有关抽气机用水银的大量资料,又经过无数次试验,最后决定利用水银比水重13倍的比重差,来提高流水式抽气泵的性能。

  汤姆生说:“你这一去要当老师了,但要注意向学生学习,敢向自己的学生学习的人永不会骄傲。你要主持一个实验室了,要选好助手,红花要绿叶不只为了陪衬,还要向他们吸取养分。要能在自己周围团结起一批人。”

  功夫不负有心人。无数次的失败以后,盖斯勒终于研制成功一种实用、简单而且可靠的水银泵,用这种泵几乎可以全部抽空玻璃管中的空气,人类制造真空的梦想终于成真。

  1898年9月卢瑟福牢记师嘱,横渡大西洋到加拿大走马上任。

  用水银泵抽成真空的低压放电管,使普吕克尔先生完成了对低压放电现象的研究。后人为了纪念这位不同寻常的玻璃工人,就把低压放电管命名为

  他到加拿大之后讲了半年课,利用假期回新西兰结了婚。当他带着妻子返回学校时,高兴地发现蒙特利尔实验室来了一个新工作人员,叫索迪。他是这里唯一年龄比卢瑟福小的助手,化学知识却极为丰富,这正弥补了作为物理学家的卢瑟福在化学知识方面均不足。教授和学生,一个30岁,一个23岁,但是卢瑟福谨记汤姆生的教诲,与索迪密切合作,他们在一起只有两年时间,但成果为人,这种师生的亲密关系和工作效率在科学史上是极少见的。

  “盖斯勒管”。

  索迪还是从研究物质的放射性入手,他很快从钍中分离出一种神秘物质,它与钍只有原子量不同,其他方面都相同。聪明的索迪立即把这种除重量不同,其他方面都相同,在元素周期表中占同一位置的元素叫了一个新名字——同位素。比如钍,便有钍232、钍228,而碳的同位素就更多,从碳10一直到碳14。同位素不同在放射性方面也有差异,如铀的同位素,有的放出α粒子,有的放出β粒子。这样对原子内部的秘密探讨得就更细一步了。原来这些肉眼看不到的原子就是在悄悄地放出不同的粒子而起变化的啊。

  普吕克尔利用盖斯勒管进行了一系列的低压放电实验,他一次又一次地为盖斯勒管阴极管壁上所出现的美丽的绿色辉光而叹为观止。

  这时卢瑟福又想起在剑桥时就遇到的一个老问题,α粒子从所具有的电量和质量来看很像一种已知元素——氦。现在有索迪帮忙,他们立即来验证这件事。他们将少量的镭盐放进一个小玻璃管内,外面再套上一个大玻璃管,两层管壁间密封并抽成真空。几天之后他们将内外管之间的气体抽出来用光谱分析法一化验,果然干真万确,就是氦。这只能有一种解释,是镭放射出的。粒子穿过内管的薄壁进入两层管子之间,看来α射线就是氦流。那么镭放出α射线后剩下的又是什么物质呢,再一细查,又是一种已知元素——氡。难怪当时居里夫人在寻找镭时总发现它和氡在一起,其实是镭在不断地生成着氡。它们的变化用一个简单的式子来表示就是:

  1868年,为科学事业贡献了毕生精力的普吕克尔先生,因劳累过度,心脏停止了跳动。死的时候,他的眼睛没有闭上,他没有完成他的事业。

  22688Ra = 22286Rn 42He γ

  为他送葬的他的学生约翰·希托夫看到此情此景,不禁泪如泉涌,他决心沿着老师没有走完的道路,继续走下去。

  原子序数为88、质量为226的镭经过自发放射变成了原子序数为86、质量为222的氡和原子序数为2质量为4的氦,还伴有电荷数和静止质量都为0的γ射线。

  而与此同时,一位英国物理学家,叫做威廉·克鲁克斯的,也成了普吕克尔的这一未竟事业的继承者。

  以往的化学都是讨论酸呀、碱呀、盐呀等物质之间的化分、化合,而卢瑟福和索迪现在一下就钻入原子壳内去写他们的反应式了。卢瑟福宣布“放射性既是原子现象又是生成新物质的化学变化的伴随物。”化学与物理殊途同归了。

  当他们把一只装有铂电极的玻璃管,用抽气机逐渐地抽空的时候,他们发现,管内的放电在性质上,经历了许多次的变化,最后在玻璃管壁上或者管内的其他固体上产生了磷光效应。

  一种元素转变成另一种元素的放射性现象叫做“衰变”或“蜕变”。当物质的放射性减少到一半时所用的时间叫“半衰期”。半衰期有长有短,铀的半衰期是45亿年,镭的半衰期是1,560年。而有的物质半衰期还不到一秒钟。你看,原子就是这样以无法控制的力量进行衰变,它不断地“爆炸”,飞出自己的碎片——α、β粒子,还释放出以γ射线出现的其他能量。只β粒子的速度就可达光速的一半,一个小小的原子里含有多大的能量啊。卢瑟福立即发现了一个新的世界,其意义就如哥伦布发现新大陆,牛顿发现了宇宙。一时卢瑟福成了人们议论的中心,连居里夫人也呼吁物理界的同行仍要注意卢瑟福的研究。

  1896年,希托夫经过反复的实验证明,置放在阴极与玻璃壁之间的障碍物,可以在玻璃壁上投射阴影。同时,从阴极发射出来的光线能够产生荧光,当它碰到玻璃管壁或者硫化锌等物质的时候,这种光就更强。

  1907年10月卢瑟福又重返英国到曼彻斯特大学任教,他的学生们又从世界各地追随而来,他荣誉越多却越谦虚谨慎。卢瑟福本来就身体魁梧,又从小在农村长大,所以做除了紧张的科学实验外还自己收拾了一个大花园,种草植树,常亲自挖土施肥。他也常在广场上的小咖啡馆里和进城的农民边喝咖啡边聊起今年的收成,讲得非常内行。可是有时他碰到合适的对手又会突然谈起高深的原子物理。一次一个记者向咖啡馆的老板打听道:“这个农民是谁?”老板告他:“这就是卢瑟福。”那个记者惊得伸出舌头竟半天收不回去。

  1876年,戈尔茨坦重复并证实了希托夫的实验结果,并且把这种从阴极发射出的能产生荧光的射线,正式命名为“阴极射线”。

  再说那个刚来英国时被人称为“野兔”,现在又被人当成“农民”的卢瑟福,这天正在实验室里安心工作,他的学生罗兹突然跑进来喊道:“快看,瑞典寄来的邮件!”

  克鲁克斯也提供了他所获得的证据,比如说,这些射线在磁场中发生偏转,这就说明它们是由阴极射出的荷电质点,因撞击而产生磷光。

  卢瑟福接过一看,是颁发诺贝尔奖的通知书。实验室立即沸腾起来,学生们都围上来激动地祝贺、欢呼。

  人们还发现了阴极射线的一系列物理现象。

  可是当卢瑟福打开信细读时不由的大笑起来:“你们看,他们给我发的是化学奖,这真是太妙了。我这一生研究了许多变化,但是最大的变化是这一次,我从一个物理学家变成了一个化学家。”

  例如,1890年,舒斯特观察了阴极射线在磁场中的偏转度,测量了这些假想质点的电荷与其质量的比率。他还假定这些质点的大小与原子一样,推测出气体离子的电荷远比液体离子大得多。

  正是:

  阴极射线的发现,犹如晴空里一声霹雳,引出了诸如X射线、放射性和电子等一系列重大的发现。

  海军也有陆战队,空军不能无伞兵,
  科学本是总体战,物理化学不可分。

  伦琴发现X射线

  却说卢瑟福收到颁发诺贝尔奖金的通知,大家正闹哄哄地议论如何去领奖,卢瑟福却说:“这奖金放在那里总是跑不掉的。现在要紧的是要抓紧实验,我们已经发现了原子内的这许多小东西,它们在原子内到底怎样摆布呢?”

  在对阴极射线情有独钟的人群中,德国的物理学家威尔海姆·伦琴很快取得了非同凡响的收获,并把自己的名字永远刻在了天地之间。

  毕竟卢瑟福说出一个什么样的原子结构,且听下回分解。

  1845年3月27日,在德国鲁尔地区一个人杰地灵的小镇——莱尼斯,随着“哇”的一声啼哭,伦琴来到了人世间。

  伦琴是个聪明而又勤奋的孩子,在读书期间,他就以优异的成绩而深受好评。

  从1888年起,他从国外学成回国后,担任了巴伐利亚州维尔茨堡大学物理研究所所长。正是在这个研究所期间,他独具慧眼,发现了具有极强穿透力的X射线,从而声名远播。

  自从担任物理所所长之后,他就一直孜孜不倦地研究着阴极射线,无论遇到多大的挫折,他始终都没有放弃。

  在研究过程中,伦琴发现,由于克鲁克斯管的高真空度,低压放电时没有荧光产生。

  1894年,一位德国物理学家改进了克鲁克斯管,他把阴极射线碰到管壁放出荧光的地方,用一块薄薄的铝片替换了原来的玻璃,结果,奇迹发生了,从阴极射线管中发射出来的射线,穿透薄铝片,射到外边来了。

  这位物理学家就是勒那德。勒那德还在阴极射线管的玻璃壁上打开一个薄铝窗口,出乎意料地把阴极射线引出了管外。

  他接着又用一种荧光物质铂氰化钡涂在玻璃板上,从而创造出了能够探测阴极射线的荧光板。当阴极射线碰到荧光板时,荧光板就会在茫茫黑夜中发出令人头晕目眩的光亮。

  伦琴不止一次地重复了勒那德的实验。

  1895年11月8日晚,劳累了一天的伦琴刚刚躺上了床,正想美美地做个梦。突然,好像有一股神奇的清风吹入了伦琴的灵魂深处,他赶紧一骨碌跳下了床,又好似有一个无形的神灵,牵引着他,他走到了他所熟悉的仪器旁,再次重复了勒那德的实验。

  命中注定,一项石破天惊的科学奇迹产生了。伦琴欣喜地发现,这种阴极射线能够使一米以外的荧光屏上出现闪光。

  为了防止荧光板受偶尔出现的管内闪光的影响,伦琴用一张包相纸的黑纸,把整个管子里三层外三层地裹得严严实实。

  在子夜时分,伦琴打开阴极射线管的电源,当他把荧光板靠近阴极射线管上的铝片洞口的时候,顿时荧光板亮了,而距离稍微远一点,荧光板又不亮了。

  伦琴还发现,前一段时间紧密封存的一张底片,尽管丝毫都没有暴露在光线下,但是因为他当时随手就把它放在放电管的附近,现在打开一看,底片已经变得灰黑,快要坏了。这说明管内发出某种能穿透底片封套的光线。

  伦琴发现,一个涂有磷光质的屏幕放在这种电管附近时,即发亮光;金属的厚片放在管与磷光屏中间时,即投射阴影;而比较轻的物质,如铝片或木片,平时不透光,在这种射线内投射的阴影却几乎看不见。

  而它们所吸收的射线的数量大致和吸收体的厚度与密度成正比。同时,真空管内的气体越少,线的穿透性就越高。

  为了获得更加完美的实验结果,伦琴又把一个完整的梨形阴极射线管包裹好,然后打开开关,然后他便看到了非常奇特的现象:尽管阴极射线管一点亮光也不露,但是放在远处的荧光板竟然调皮地亮了起来。

  伦琴真是欣喜若狂,他顺手拿起闪闪发亮的荧光板,想吻它一下,突然,一个完整手骨的影子鬼使神差般地出现在荧光板上。

  伦琴顿时吓得不知所措,他不知这到底是在做梦,还是在做实验,他狠狠地在手上咬了一口,手被咬得生疼,他意识到自己不是在做梦,这一切都是真的。

  伦琴赶紧开亮电灯,认真检查了一遍有关的仪器,又做起了这个实验。这时,天光已经微微发亮,在重重云层下,一轮美丽的红日,即将喷薄而出,给整个人类带来她无穷无尽的光和热。

  伦琴没有时间去想别的东西。他看到,那道奇妙的光线又被荧光板捕捉到了。他又有意识地把手放到阴极射线管和荧光板之间,一副完整的手骨影子又出现在荧光板上。

  伦琴终于明白,这种射线原来具有极强的穿透力和相当的硬度,可以使肌肉内的骨骼在磷光片或照片上投下阴影。

  这时,伦琴的夫人走了过来,给伦琴披上了一件大衣,然后轻声地劝伦琴该去休息了。伦琴却一把抓住了夫人的手,放在荧光板和阴极射线管之间,荧光板上又出现了夫人那完整的手骨影子。

  这是事实,千真万确的事实。伦琴一下子抱住了夫人,在实验室里足足转了五个圈子,他太激动了,激动得不知如何是好,两行热泪止不住地流了下来……

  次日,伦琴便开始思考这一新发现的事实,他想,这很显然不是阴极射线,阴极射线无法穿透玻璃,这种射线却具有巨大的能量,它能穿透玻璃,遮光的黑纸和人的手掌。

  为了验证它还能穿透些什么样的物质,伦琴几乎把手边能够拿到的东西,如木片、橡胶皮、金属片等,都拿来做了实验。

  他把这些东西一一放在射线管与荧光板之间,这种神奇的具有相当硬度的射线把它们全穿透了。伦琴又拿了一块铅板来,这种光线才停止了它前进的脚步。

  然而,限于当时的条件,伦琴对这种射线所产生的原因及性质却知之甚少。但他在潜意识中意识到,这种射线对于人类来说,虽然是个未和的领域,但是有可能具有非常大的利用价值。

  为了鼓舞和鞭策更多的人们去继续关注它,研究它,了解它并利用它,伦琴就把他所发现的这种具有无穷魅力的射线,叫做“X射线”。

  1895年12月28日,伦琴把发现X射线的论文,和用X射线照出的手骨照片,一同送交维尔茨堡物理医学学会出版。

  这件事,成了轰动一时的科学新闻。伦琴的论文和照片,在三个月内被连续翻印5次。大家共同分享着伦琴发现X射线的巨大欢乐。

  X射线的发现,给医学和物质结构的研究带来了新的希望,此后,产生了一系列的新发现和与之相联系的新技术。

  就在伦琴宣布发现X射线的第四天,一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹。从此,对于医学来说,X射线就成了神奇的医疗手段。

  柏克勒尔

  如果从纯粹科学的观点来看,继X射线这一重大发现之后,1896年,汤姆生等人又有一个更重要的发现:当这些射线通过气体时,它们就使气体变成异电体,在这个研究范围内,液体电解质的离子说已经指明液体中的导电现象有着类似的机制。

  在X射线通过气体以后,再加以切断,气体的导电性仍然可以维持一会儿,然后就慢慢地消失了。

  汤姆生发现,当由于X射线的射入而变成导体的气体,通过玻璃绵或两个电性相反的带电板之间时,其导电性就消失了。这就说明,气体之所以能够导电,是由于含有荷电的质点,这些荷电的质点一旦与玻璃绵或带电板之一相接触,就放出电荷。

  从这些实验可以明白,虽然离子是液体电解质中平常而永久的构造的一部分,但是,在气体中,只有X射线或其他电离剂施加作用时才会产生离子。

  如果顺其自然,离子就会渐渐重新结合乃至最终消失。玻璃面的表面很大,可能吸收离子或帮助离子重新结合。

  如果外加的电动势相当高,便可以使离子一产生出来就马上跑到电极上去,因而电动势再增高,电流也不能再加大。

  伦琴的发现还开创了另一研究领域,即放射现象的领域。

  既然X射线能对磷光质发生显著的效应,人们很自然地就会提出这样的问题,这种磷光质或其他天然物体,是否也可以产生类似于X射线那样的射线呢?

  在这一研究中首先获得成功的是法国物理学家亨利·柏克勒尔。

  柏克勒尔出身于科学世家,他的整个家族一直都在默默地研究着荧光、磷光等发光现象。他的父亲对荧光的研究在当时堪称世界一流水平,提出了铀化合物发生荧光的详细机制。

  柏克勒尔自幼就对物理学相当痴迷,他不止一次地在内心深处宣读誓言,一定要超出祖父、父亲所作出的贡献,为此,他作出了不知超过常人多少倍的努力。

  那一天,当他冒着刺骨的冷风,参观完伦琴X射线的照片后,他既为伦琴的发现所激动,又为自己的无所建树而汗颜。他浮想联翩,猜想X射线肯定与他长期研究的荧光现象有着密切的关系。

  在19世纪末物理大发现的辉煌乐章中,柏克勒尔注定要演奏主旋律部分了。

  为了进一步证实X射线与荧光的关系,他从父亲那里找来荧光物质铀盐,立即投入到紧张而又有条不紊的实验中。

  他十分迫切地想知道铀盐的荧光辐射中是否含X射线,他把这种铀盐放在用黑纸密封的照相底片上。

  他在心里想,黑色密封纸可以避阳光,不会使底片感光,如果太阳光激发出的荧光中含有X射线,就会穿透黑纸使照相底片感光。真不知道密封底片能否感光成功。

  1896年2月,柏克勒尔把铀盐和密封的底片,一起放在晚冬的太阳光下,一连曝晒了好几个小时。

  晚上,当他从暗室里大喊大叫着冲出来的时候,他激动得快要发疯了,他所梦寐以求的现象终于出现:铀盐使底片感了光!

  他又一连重复了好几次这样的实验,后来,他又用金属片放在密封的感光底片和铀盐之间,发现X射线是可以穿透它们使底片感光的。如果不能穿透金属片就不是X射线。这样作了几次以后,他发现底片感光了,X射线穿透了他放置的铝片和铜片。

  这似乎更加证明,铀盐这种荧光物质在照射阳光之后,除了发出荧光,也发出了X射线。

  1896年2月24日,柏克勒尔把上述成果在科学院的会议上作了报告。

  但是,大约只过了五六天,事情就出人意料地发生了变化。

  柏克勒尔正想重做以上的实验时,连续几天的阴雨天,太阳躲在厚厚的云层里,怎么喊也喊不出来,他只好把包好的铀盐连同感光底片一起锁在了抽屉里。

  1896年3月1日,他试着冲洗和铀盐一起放过的底片,发现底片照常感光了。

  铀盐不经过太阳光的照射,也能使底片感光。善于留心实验细节的柏克勒尔一下子抓住了问题的症结。

  从此,他对自己在2月24日的报告,产生了怀疑,他决心一切推倒重来。

  这次,他又增加了另外几种荧光物质。实验结果再度表明,铀盐使照相底片感光,与是否被阳光照射没有直接的关系。柏克勒尔推测,感光必是铀盐自发地发出某种神秘射线造成的。

  此后,柏克勒尔便把研究重心转移到研究含铀物质上面来了,他发现所有含铀的物质都能够发射出一种神秘的射线,他把这种射线叫做“铀射线”。

  3月2日,他在科学院的例会上报告了这一发现。他是含着喜悦的泪水向与会者报告这一切的。

  后来经研究他又发现,铀盐所发出的射线,不光能够使照相底片感光,还能够使气体发生电离,放电激发温度变化。铀以不同的化合物存在,对铀发出的射线都没有影响,只要化学元素铀存在,就有放射性存在。

  柏克勒尔的发现,被称作“柏克勒尔现象”,后来吸引了许多物理学家来研究这一现象。

  因研究这一现象而获得重大发现的是波兰出生,后来移居法国的女物理学家居里夫人。她挺身而出,冲向研究铀矿石的最前沿。

  没有多久,皮埃尔·居里也加入了妻子的行列。他们不知吃了多少苦头,才相继提炼出钋、镭等放射性元素,引起了全人类的高度重视。

  居里夫人也因为这一卓越的研究工作,荣获了1903年诺贝尔物理学奖,1911年诺贝尔化学奖也授予了她,她成了一生中两次获诺贝尔奖的少数科学家之一。

  X射线的发现,把人类引进了一个完全陌生的微观国度。

  X射线的发现,直接地揭开了原子的秘密,为人类深入到原子内部的科学研究,打破了坚冰,开通了航道。

  镭的发现

  在柏克勒尔对于铀的放射性质进行了开创先河的观察和研究以后,跟着便发现铀的射线也像X射线,能使空气和其他气体产生导电性,而钍的化合物也经人发现有着类似的性质。

  1896年起,居里夫人和她的丈夫一起进行了系统的发现,在各种元素与其化合物以及天然物中寻找这种效应。

  玛丽亚·斯可罗多夫斯卡娅,即著名的居里夫人,1867年11月7日诞生于波兰华沙的一个书香门第之家。父亲是大家的物理教授,母亲是钢琴家。玛丽亚具有父亲的智慧和母亲的灵巧,从小就对科学实验发生了浓厚的兴趣。

  1891年,她到巴黎求学。学业完成后,她原本打算回到正在遭受着沙皇铁蹄践踏的祖国,去为祖国竭尽自己的绵薄之力,同时,也为父母尽一个女儿的孝心。

  但是,同法国物理学家皮埃尔·居里先生的相识、相恋和成为终身伴侣,彻底改变了她原来的计划,她只好侨居法国,并于1897年生了一个可爱的女儿。

  柏克勒尔现象,引起了居里夫妇的浓厚兴趣,射线放出来的力量究竟是从哪里来的呢?这种放射的性质又是什么呢?

  居里夫人把自己的全部身心都投入到铀盐的研究中去了,她广为搜罗并研究了各种铀盐矿石,她被铀盐矿石神奇的射线所吸引,她把特别的爱奉献给了这种特别的矿石。

  接受过严格而又系统的高等化学教育的居里夫人,在研究铀盐矿石时想到,没有任何理由可以证明铀是唯一能发射射线的化学元素。她猜想,一定还会有别的元素也具有同样的力量,只不过人们目前还不知道罢了。

  她依据门捷列夫的元素周期律排列的元素,逐一进行测定,结果很快发现另外一种钍元素的化合物,也自动发出射线,与铀射线相似,强度也较接近。

  居里夫人认识到,这种现象决不只是铀的特性,必须给它一个新名称,居里夫人就把它命名为“放射性”,铀、钍等有这种特殊“放射”功能的物质,叫做“放射性元素”。

  后来,在她的丈夫皮埃尔先生的帮助下,她又测定了能够收集到的所有矿物,她想知道还有哪些矿物具有放射性。

  在测量中,她获得了又一个戏剧性的发现,在一种来自当时的捷克斯洛伐克的沥青铀矿中,她发现,其放射性强度比原先设想的要大不知多少倍。

  那么,这种不正常的而且过度的放射性又是从哪里来的呢?用这些沥青铀矿中的铀和针的含量,决不能解释她观察到的放射性的强度。

  因此,只能有一种解释,这些沥青矿物中含有一种比铀和针的放射性作用强得多的新元素,而且不是当时人类所已经知道的元素,它一定是一种未知的元素。

  居里夫人的发现吸引了皮埃尔先生的注意,居里夫妇携起手来,并驾齐驱,向科学的未知领域发起强有力的进攻。

  在条件极其简陋的实验室里,经过居里夫妇锲而不舍的长期努力,1898年7月,他们宣布发现了这种新元素,它比纯铀放射性要高出400倍。

  为了纪念她饱经磨难的祖国波兰,新元素被命名为钋(即波兰的意思)。

  1898年12月,居里夫妇又根据大量的实验事实宣布,他们又发现了第二种放射性元素,这种新元素的放射性比钋还强,他们把这种新元素命名为

  “镭”。

  但是,由于没有钋和镭的样品,也没有钋和镭的原子量,当时的科学界,几乎没有人愿意相信他们的这个惊世骇俗的新发现。

  居里夫妇决心,无论付出什么样的代价,都要提炼出钋和镭的样品,这一方面是为了证实它们的存在,另一方面,也已为了使自己更有把握。

  当然,这是一件非常困难的事情。

  因为藏有钋和镭的沥青铀矿,是一种价格昂贵的矿物,这种矿物主要在波希米亚的圣约阿希姆斯塔尔矿,通过对这种矿物的冶炼,人们可以提取出制造彩色玻璃用的铀盐。

  居里夫妇是一对经济相当拈据的知识分子,他们无力支付购买沥青铀矿所需的高昂的费用。但他们没有被眼前的这只“拦路虎”所吓倒,他们几乎想尽了各种各样的办法。

  经过无数次的周折,奥地利政府这才正式决定,先捐赠一吨重的残矿渣给居里夫妇,并且许诺,如果他们将来还需要大量的矿渣,可以在最优惠的条件下供应给他们。

  居里夫妇这才长长地松了一口气,他们从朋友那里东挪西借,筹到了一笔钱,因为他们仍须购买这种原料,并且还需要付出运到巴黎的运费。

  他们再次陷入漫长的等待之中。

  一天凌晨,太阳刚刚升起来,一辆像运煤货车似的载重马车,便停在了居里夫妇的家门口。

  居里夫人高兴极了,她所日夜期待的沥青铀矿终于运到了,她所梦绕魂牵的镭就藏在这里呵!

  她急急忙忙地用刀割断绳子,一把扯开那些粗布口袋,把一双纤纤细手深深地插进那棕色矿物中,她一定要从中提炼出镭来。

  居里夫人立即投入了繁重的提取工作中去,她每次把 20多公斤的废矿渣放入冶炼锅里加热熔化,连续几个小时不间断地用一根粗大的铁棍搅动沸腾的渣液,而后从中提取仅含百万分之一的微量物质。

  从1898年到1902年,经过无数次的提取,处理了几十吨矿石残渣,终于得到了0.1克的镭盐,并测定出了它的原子量是225。

  镭终于横空出世了!

  镭的发现在科学界爆发了一次真正的革命,1903年,居里夫妇因此而双双获得了诺贝尔物理学奖。居里夫人这一巨大成功绝不是轻而易举就能获得的,它凝聚了居里夫人多少汗水、多少泪水,完全是居里夫人心血的结晶。

  居里夫人

  居里夫人从小就孜孜不倦地追求真理,渴求知识。她有着过目不忘的惊人的记忆力和洞察入微的敏锐的观察力,中学毕业时,就曾经获得过金质奖章。

  但在当时的波兰,是不准女人上大学的,她也曾经哭过,也曾经闹过,但都无济于事。在她的母亲去世以后,她和姐姐相依为命,患难与共,她俩都渴望能去巴黎上大学。

  16岁的她,为了凑足姐姐去巴黎上学的路费,同时也为自己出国做好准备工作,到人家去当了家庭教师,以挣取微薄的收入,在8年中,先后为三户人家当过家庭教师,过着寄人篱下,困苦不堪的生活。

  1891年,24岁的她只身来到了灯红酒绿的巴黎,并以优异的成绩考入了她向往已久的巴黎大学。

  一开始的时候,她住在姐姐的家里,但是因为路途太远,她只好在学校附近租了一间小阁楼,冬天奇冷无比,夏天又酷热难当,没有钱吃些好的,经常靠嚼生硬的干面包艰难度日。

  尽管日子过得跟苦行僧似的,但她的学习成绩是那样地出类拔萃,只用了两年的时间,就获得了物理学硕士学位,又过了一年,获得数学硕士学位。

  苦难的生活越发磨砺了她坚强不屈的意志,她自始至终地沿着科学的道路,一如既往地求索下去。

  居里夫人在一生中获得了许多荣誉,除两次获诺贝尔奖以外,还获得其他奖金8次,各种科学奖章16枚,各种荣誉称号、学位称号107个。

  她无愧于她的时代,她成了本世纪最伟大的科学家之一,然而,金钱和荣誉都没有阻止她前进。引用现代物理学之父爱因斯坦的话说,居里夫人是一位“没有被荣誉腐蚀的人”。

  居里夫人不仅仅在早年求学的道路上,倍尝人世间的种种艰辛,作为一个女科学家,在成名之后,也曾经遭受过数不清的压制、诽谤和攻击,这真是做人难,做女人更难,做名女人更是难上加难。

  1911年法国科学院要选举新院士,接替去世的热内尔。在保守派的操纵下,拒绝接受富有开拓精神而又卓有成就的居里夫人。

  1911年11月4日,法国的一家下流报纸还对居里夫人进行了无耻的人身攻击,他们捏造居里夫人所谓的私生活方面的问题,企图把她置于死地而后快。

  原来,居里先生生前有个学生叫朗之万 (1872~1946),后来成了著名的物理学家,他几乎和爱因斯坦同时发现了质能关系式。居里逝世后,他和居里夫人合作,开展了许多颇有成效的研究工作。

  但法国封建保守势力为了达到他们不可告人的目的,乘居里夫人赴布鲁塞尔参加索尔威物理学会议期间,对她进行了恶毒的人身攻击,说她和朗之万关系不正当,出现过所谓的“实验室中的罗曼史”。

  他们还花钱雇佣了一批流氓地痞,围攻居里夫人的住宅,向里面扔石头,砸玻璃,喊下流口号,然后又在报纸上大肆渲染。

  事后,给她散布流言的一些人承认了错误,但这件事使居里夫人百感交集,感慨万千,更加认清了世态炎凉,人情冷暖。

  居里夫人因长期接触和研究放射性物质,受到了放射性的严重伤害。1934年春天就开始卧床不起,7月4日溘然长逝,一代伟人就这样永远地离开了我们。

  继居里夫人发现镭之后,另外一些新的放射性元素如锕等也相继被发现。从此,探讨放射现象的规律以及放射性的本质成为科学界的热门话题。

  随着X射线、放射性和下面即将叙述的电子的发现,原本就脆弱的以古典物理学理论为基础的传统观念,被震撼得摇摇欲坠,整个物理学都处于危机之中。向原子内部发动总攻和分裂原子,已成为世纪更替时期科学领域中最振奋人心的口号。

  卢瑟福

  1899年,蒙特利尔的卢瑟福教授,通过大量的实验,发现铀的辐射里有两部分,一部分无力贯穿比1/50毫米更厚的铝片,另一部分则能贯穿约半毫米的铝片,然后,强度就减少一半。

  卢瑟福把前者命名为α射线,这种射线能够产生最显著的电效应;把后者命名为β射线,这种射线贯穿性较强,能通过不漏光的遮幕,使照相底片变质。

  两年以后,法国化学家维拉尔(1871~1937)又发现了更富贯穿性的辐射,这就是γ射线,这种射线在贯穿1厘米厚的铅片之后,还能照相,并使验电器放电。

  而居里夫人的镭放射所有这三种射线,比铀都容易得多,与其一般活动性成比例,所以,研究这些辐射,也以用镭最为便利。

  后来,柏克勒尔确定,β射线是电子流,它非常易于为磁铁所偏转,也非常易于为电场所偏转。

  经过进一步的研究,柏克勒尔证明,β射线在所有方面都类似于阴极射线,尽管它的速度大约为光速的60%至95%,但比已经试验过的任何阴极射线的速度都大,所以,β射线就是阴性的微粒或电子流。

  卢瑟福确定,α射线是氦离子。因为强度足以使β射线产生相当大的偏转的磁场和电场,并不足以影响很容易被吸收的α射线。它能够为磁场和电场所偏转,但其方向与β射线偏转的方向相反。

  卢瑟福又通过大量的实验证明,α射线是氦的组成物,并由此可知,α质点是荷有两倍于单价离子的氦原子,其原子量为4,而它们的速度约为光速的1/10。

  贯穿性最强的γ射线,不能为磁力或电力所偏转,它是一种电磁辐射,它与其他两类射线不是同类的,而和X射线相似,由一种与光同性质的波所组成,其波长经科学测量,远比光波为小。它似乎同某些X射线一样,含有发射体所特有的各种单色成分。

  1899年,卢瑟福教授发现,从针发出的辐射变化无常,尤其容易被吹过放射物质表面的空气流所影响。

  卢瑟福认为这种效应是由于有一种物质放射出的缘故,这种物质的性质好像一种有暂时放射性的重气体,这就是当时所谓的“射气”。

  这种射气慢慢地扩散到大气里去,犹如挥发性液体的蒸汽一般。它的作用像是以高速度依直线进行的辐射的独立源泉,然而随着时光的流逝,其活动性就变得衰弱起来。

  同年,居里夫妇发现,如果把一根铁棒或木棒暴露在镭射气里,那么,铁棒或木棒自身也能够获得放射性质。

  而卢瑟福从钍那里也得到了相同的结果,并且进行了更为详细的研究。

  如果把铁棒或水棒从装有射气的容器内取出来,然后再塞入检验筒内,那么,这根铁棒或木棒就可以使筒内的气体电离。

  如果把暴露于钍射气而得到放射性的铂丝,用硝酸溶液充分地进行洗涤,铂丝的放射性丝毫也不会受到损失。

  但是,如果用硫酸或盐酸溶液来进行洗涤,铂丝的放射性就差不多会全部丧失。而把酸液蒸于,就可以得到含有放射性的渣滓。

  这些结果,都表明铂丝的放射性是由于积有某种新的放射物的缘故,这种放射物与各种化学试剂有其一定的反应。这种新的放射物当是它由之形成的那种射气分裂的产物。

  后来,威廉·克鲁克斯先生发现,如果用碳酸氨使铀从其溶液中沉淀,而再次溶化其沉淀物于过量的试剂之中,那么,所剩下来的就是少量不再溶化的渣滓。

  克鲁克斯把这点渣滓称为铀—X,运用照相法来加以试验,发现它异常活跃,而那些再次溶解了的铀,却不再有照相效应。

  柏克勒尔也获得了类似的结果,他发现异常活跃的渣滓如果放置一年,就会丧失其活动性,而不活动的铀反而恢复了它所固有的辐射性。

  卢瑟福和索迪发现钍也有相同效应,当它被氨溶液沉淀时,钍的活动性,就消失了一部分。

  而把滤液蒸干以后,就得到了放射性非常强的渣滓。然而,经过一个月以后,渣滓的活动性就全部丧失,钍则恢复其原有的辐射性。

  这种活性的渣滓,卢瑟福把它叫做钍—X,它毫无疑问地是另外一种化学物质,因为它只能够被氨全部分开,其他的溶液即使能使钍沉淀,也不能使它与钍—X分离开来。

  因此,卢瑟福断定这些未知的化合物,应当是另外的个体,不断地由母体发出,而渐渐丧失其活动性。

  放射物质所发散出来的射气量是非常少的。科学家们从几分克的溴化镭里,只能得到一个极小极小的射气泡。

  在通常情况下,它的数量之微小,远不足以影响抽空器内的压力,除了利用其放射性探察它之外,还无法运用其他的方法去探察它。通常所能够得到的,是它与大量空气的混合物,并且只能和空气同时从一个容器输入另外一个容器。

  卢瑟福教授还进一步研究了钍—X放射性的衰变率,并且获得了相当重要的发现,也就是在每一段短时间内的衰变率与这段时间开始时的放射物的强度成比例。

  并且,铀—X也有着类似的现象,这与化合物按每个分子分解为比较简单的物体时,在量上的减少遵循着同样的定律。但是,当两个或多个分子互相反应引起化学变化时,两者所遵循的定律就不一样了。

  卢瑟福根据自己对于射气与其遗留下来的放射物的实验结果,提出了一个学说来解释所有已知的事实。

  这个学说就是,放射性是基本原子的爆炸分裂造成的。

  在数以百万计的原子中,这里或那里,不知道什么时候,就忽然有一个爆炸开来,射出一个α质点,或一个β质点和一个γ射线,所遗留下来的部分就成为另外一个不同的原子。

  如果射出的是一个α质点,这个新元素的原子量就会有所减少,减少的数值是一个氦原子的原子量的四个单位。

  科学家们还注意到一个非常奇怪的现象,这就是镭的化合物可以不断地发热,通过实验得知,每1克纯镭每小时可以发热大约 100卡。

  以后的结果表明,1克镭与其产物平衡的时候,每小时发热135卡。这种热能的发出率,无论把镭盐放在高温或者液态空气的低温下,都不会改变,甚至在液态氢的温度下也不至于减少。

  卢瑟福认为,热能的发射同放射性有关系。丧失了射气的镭,如果以电的方法加以测量,其放射性的恢复与其发热本领的恢复保持同一速率,而其分离出来的射气发热量的变化,也与其放射性的变化相应。

  在过去的漫长岁月里,人类一直无法证明有单个原子存在,我们只能够依照成万成亿的数目对原子作统计式的处理。

  而现在,利用放射性,我们完全可以探索单个α质点的效应了。

  如果我们运用比激发火花所必需的强度稍弱的电场对几毫米水银柱压力下的气体施加作用,这种气体就进入非常灵敏的状态。

  一个α质点,因为速度极大,从而与气体分子发生碰撞,而产生成千上万的离子。这些离子,受到强电场的作用,也作急速的运动,通过碰撞而产生其他离子。

  这样一来,一个α质点的总效应,就会成倍地增加,并足以使灵敏静电计的指针,在标尺上大约有20毫米或者更大的偏转。

  卢瑟福用一个非常薄的放射物质膜,使指针转动减少到每分钟三四次,而计出所发射的α质点的数目,由此估算出镭的寿命。计算结果表明,镭的质量在1600年中减少一半。

  卢瑟福关于放射性的研究,最后指明了物质嬗变的可能性。

  当然,一直到了后来,人们才发现了加速这些变化的人为的方法,尤其是控制住这些变化的人为的方法。

  这些变化的发生完全取决于原子内部的偶然情况,并且变化发生的频率也符合人们所熟知的概率的定律。

  后来,卢瑟福又发现,运用α射线进行撞击时,可以引起几种元素的原子的变化,如氮。氮的原子量为14,它的原子是由三个氦核(共重12)与两个氢核所组成。

  在受到α质点的猛烈撞击时,氦核就被毫不客气地击破,氮原子组成成分中的氢核就以相当高的速度射出。

  从这个地方,我们就可以看到,运用人力随意分裂原子即单向嬗变的可能性,此后,这种方法又被慢慢地扩大。

  然而,破坏起来是轻而易举的,而建设起来却是难上加难,这不等于说我们能够用轻而简单的原子造出重而复杂的原子来。

  当时,有一些证据可以表明,复杂的放射性原子发放出能量来,因此,人们起初以为,物质的演化历程是单向的,即由复杂原子分裂为简单原子与辐射能。

  但是,以后的研究证明,虽然重原子分裂时发出能量,而轻原子形成时,也能发出能量来。

  不过,当时佩兰认为,这种粒子是“气体离子”,因而,佩兰没有通过实验来讲一步研究。

  汤姆生的贡献

  1897年,英国物理学家汤姆生把电子的发现推向高潮。

  汤姆生把这些阴极射线导入绝缘的圆柱,测量其电荷,并观测到它们给予温差电偶的热量,而求出了其动能。

  最后,汤姆生发现,在高度真空的状态下,阴极射线不光能够为磁场所偏转,也能够为电场所偏转,他因而测量了这种带电粒子流的偏转程度。

  汤姆生运用一个高度真空的玻璃管装着两个金属电极:阴极和开有小缝的阳极。从阴极发出的阴极射线一部分,穿过小缝后,再被第二个小缝削细一些。

  这样得到的小束射线,经过上下置放的两块绝缘片之间,射在玻璃管另外一端的荧光幕或者照相底片上。

  如果把绝缘片连在高电压电池的两极,则其间产生电场。整个仪器放在一强力的电磁体两极中间,使得射线也受到磁场的作用。

  汤姆生对克鲁克斯的观点持赞同的态度,他认为阴极射线是一种动能极大的微粒子。但是要进一步弄清楚阴极射线的本质,就必须称量出阴极射线中一个带负电粒子的质量。

  汤姆生假定阴极射线是带有负电的质点的急流,由计算就可以看出来,阴极射线的电场偏转度,亦如其磁场偏转度,是按照质点的速度及其电荷与质量之比而改变的。

  所以,通过测量电场与磁场的偏转度,就可以得出速度与电荷同质量之比的具体数值。

  1897年2月,汤姆生得出了他求得的结果,阴极射线每秒10万公里,它的质量只有氢原子质量的1/1840,它带的电荷量与法拉第电解定律计算出的数值基本相同。

  汤姆生还求得质点的速度是光速的1/10左右,但其电荷与质量之比则无论气体的压力与性质及电极的性质如何,都没有改变。

  4

  在液体电解质中,以氢离子的电荷与质量之比为最大,约为 10,汤姆

  6生求得气体离子的电荷与质量之比为 7.7×10,也就是说,为液体中氢离子的电荷与质量之比的770倍。

  这些结果也许表明,在气体内的阴极射线的质点中,电荷比在氢原子中大得多,而质量却小得多。

  汤姆生暂时假定这些质点比原子小,他借用牛顿所常用那个名词微粒去称呼它们,并且说它们是人类寻求多年的各种元素的共同成分。

  1898年和1899年,汤姆生测量了X射线在气体中所造成的离子的电荷。

  他利用了威尔逊在1897年所发现的方法,即离子和尘埃一样,可以成为潮湿空气中蒸汽凝成雾滴的核心。

  从这些雾滴在空气阻力下降落的速度,就可以计算雾滴的大小。从凝结的水的体积,可以求得雾滴的数目,再从已知电动势所产生的电流,可以求得电荷的总量。

  没过多长时间,另外一位科学家测量了离子在渗入气体时的扩散速度,并由此计算出离子的电荷。

  汤姆生认为,阴极射线的粒子要比原子小,并推测说这种粒子是建造一切化学元素的物质。1898年,汤姆生和他的学生又把他的研究进一步引向深入。

  他们采用云雾法与磁场偏转法,证明了阴极射线粒子的电荷同电解中氢离子所带电荷是同一个数量级的,当时,他把这种带负电的粒子叫做微粒,只是到了后来,才改称电子。

  由此可见,并不是说微粒的电荷比液体中氢离子的电荷更大,而是其质量更小。这些微粒绝对是原子的一部分,不管元素的性质如何,都是其原子共有的成分。

  从汤姆生求得的结果来看,每一个微粒的质量大概是氢原子的 1/770,接着,米利根又有了新的更精确的测定。

  1910年,米利根进一步改进了威尔逊的云雾法,又在1911年测量了小油滴在被电离的空气中降落的速度。

  而当一油滴捉到一离子时,其速度便会猛然改变。这样求得离子的电荷

  -10为4.775×10静电单位。则从气体分子运动论就可以求得一个氢原子的质

  -24                  -28量约为1.66×10克,所以一个电子的质量约为9×10克。

  这个伟大的发现终于解决了自从古希腊时代就遗留下来的一个历史问题,即不同的物质是否有共同的基础的问题,同时,这个发现也阐明了“带电”的意义。

  汤姆生认为,一个原子含有许多更小的个体,他把这些个体叫做微粒,并且这些微粒彼此相等,其质量等于低压下气体中阴离子的质量。

  在正常的原子中,这些微粒所组成的集团,构成了一个中性的电的体系。那些个别的微粒,行为虽然好像阴性的离子,但聚集于中性的原子中时,其阴电效应便被某种东西抵消了。这种东西使微粒散布的空间,好像有与这些微粒之和相等的阳电似的。

  关于气体的带电现象,汤姆生认为,是由于气体原子的分裂,致使微粒脱离此原子。脱离出来的微粒,性质如阴性的离子,每个都带有一恒量的阴电。

  剩余的原子的另一部分,性质就像一阳性的离子,带有正电荷,和比阴电子更大的质量。

  因此,汤姆生得出结论,带电现象主要是由于原子的分裂,其中一部分质量被放出,则脱离了原来的原子。

  从此,电子作为电的不连续性结构的最小粒子而被科学界承认了。电子不再是一个抽象的概念,而是一个经由汤姆生及其他一些人新发现的实实在在的物质粒子了。

  汤姆生的研究工作,在1897年4月,一个春暖花开,莺歌燕舞的日子里,第一次公开报告时,不知什么原因,在当时并没有激起一场轩然大波。

  但是,过了不久,便引起强烈的反响,人们欢呼雀跃,奔走相告,为人类的这一重大发现再次激动万分。汤姆生所领导的卡文迪许实验室,也因此而成为世界上最为引人注目,对莘莘学子最富有魁力的实验中心。

  其实,汤姆生关于电子的发现,跟前不久的一种研究,多多少少都有些关联之处。

  按照麦克斯韦的理论,光既然是一种电磁波系,那么,它必定是由振荡的电体所发出的。由于光谱是元素所特有的而不是元素的化合物所特有的,所以这些振荡体必为原子或者原子的一部分。

  按照这种推理,洛伦兹在汤姆生的发现的前几年,创立了一种物质的电学说。这个学说预料,光谱的出现当受磁场的影响。

  当光源放在强磁场之内时,其所发出的钠光谱的谱线即行变宽。运用更强的磁场还可以把单一谱线分成两条光线。

  根据测量这些线条之间的距离所获得的资料,按照洛伦兹的学说,就可

  7以算出振荡质点的电荷与其质量之比的新值为1.77×10,与根据观察阴极射线和运用其他方法所得到的结果较为接近。

  洛伦兹用“电子”这一名称来称呼这些振动的带电质点,而它们就是汤姆生所谓的微粒,我们也可以把它们当做是孤立的阴电单位,因为电子既然有电能,就必定有与质量相当的惯量。

  这样,洛伦兹的学说就成为物质的电子学说,而且和由汤姆生发现而来的观点完全融合在一起。只不过汤姆生是用物质去解释电,而洛伦兹则是用电来解释物质。

  接着人们便发现还可以用许多别的方法获得微粒或电子,例如高温下的物质及受到紫外光作用的金属,都能发出电子。

  此后,这种热效应在无线电报与电话所用的热离子管中,就取得了重要的实用意义。

  24

  电子是世界上最轻的运动粒子之一,大约10个电子合起来,其重量也不足1克的千分之一。但是,无数个电子汇集成的强大的电流,却以接近光的速度运动,真可谓浩浩荡荡,一泻万里,成为新时代的动力源泉,为生产自然化开辟了无限广阔的道路。

  在20世纪,人类充分利用19世纪研究电子的科学成果,通过电子管技术的发明,开创了一个对20世纪科学技术起着关键作用的新技术领域,即电子技术。

  伦瑟、柏克勒尔和汤姆生三人的伟大发现,可谓石破天惊,揭开了 20世纪科学技术新纪元的序幕!

  从此以后,原子不可分的古老神话,被毫不留情地粉碎,科学开始了向原子更深的层次即原子核与基本粒子的进军,人类认识再度进入另外一块同样迷人的辉煌地带……

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