五彩缤纷的物理世界：微观世界

学生科学大世界·五彩缤纷的物理世界--微观世界王士平

海南出版社

目录

一、原子论的产生和复兴

第二章 走进原子世界

1. 一个偶然的大发现

2. 天然放射性的发现

3. 电子的发现

4. 居里夫人与镭的发现

5. 原子的内部结构

6.原子为什么没有坍缩

第三章 打开原子核

1. 放射线是什么?

2. 打破原子核

3. 不带电的中子

4. 放射性元素的半衰期与同位素的预言

5. 核力与介子

第四章 探索粒子世界

1. 五彩缤纷的粒子世界

2. 二象性的光子

3. 宇宙射线和正电子的发现

4. 空穴理论与正电子

5. β衰变的能量失窃案

6. 王淦昌与中微子

第五章 核能与应用

1. 人工放射性元素的发现

2. 原子核的裂变

3. 钱三强与铀核三分裂现象

4. 链式反应与核反应堆

5. 核弹

6. 人类最理想的能源———核聚变能

原子是一种非常小的微粒, 如果把1 亿个原子一个挨一个地排列起来, 也不过就是1 厘米这么长。可是, 你也许没有想到, 早在二三千年前, 古代的人们就已开始探讨原子问题了。

在历史上明确地提出原子概念的是古希腊的德谟克利特。他继承了他的老师留基伯的思想, 并将这种思想发展成原子论。德谟克利特是一个善于观察自然现象, 又爱动脑筋的人。当他看到鱼在水中游动的时候, 想到的是水这种物质不是结构紧密的整体, 就好像沙堆是由沙粒构成的那样, 水也是由微粒构成的。因为只有这样, 当鱼游过来时, 水微粒向两边散开, 鱼才能在水中自由地游来游去。当他发现盐放入水里以后, 便很快消失了, 水却成了咸味。他推断, 有可能是盐的小微粒分散到水里了。当他观察到植物和树在粪土上长得特别旺盛时, 他猜测可能是土壤和粪土中的什么微粒积聚而构成植物的干、叶等。

经过长时间的仔细观察和思考, 德谟克利特对这些自然现象作出了理论解释。他的结论是, 宇宙万物都是由两种东西构成的, 这两种东西就是原子和虚空。原子是一些坚硬的、不可再分的微粒, 虚空则是原子存在和运动的场所。德谟克利特的原子论认为, 世界上的一切物体都是由原子组成的。那么为什么世界上的物体又有那么多的种类, 它们之间有着千差万别呢? 原子论指出, 原因是由于组成它们

的原子在数量、形状和排列上都有不同。

德谟克利特的原子论, 在当时生产力比较低下, 科学技术还不发达的情况下, 不可能有科学实验作出严格的论证。所以, 德谟克利特的原子论还属于哲学思辨, 但这却是一天才的见解。100 多年以后,古希腊思想家伊壁鸠鲁进一步指出, 原子在虚空中运动, 它的分离与结合形成了一切自然现象; 而且原子本身不仅存在形状的差别, 还有大小重量的不同。在古代, 能提出这样一些看法, 充分展示了这些自然哲学家们的智慧。只可惜, 由于统治者和宗教神学的长期压制, 原子论的卓越思想未能得到重视和发展。直到1000 多年以后, 到文艺复兴时期, 卢克莱修在公元前1 世纪写的记载和赞扬原子论的长诗《物性论》的手抄本被发现, 古代原子论才重见天日。近代自然科学诞生以后, 一些科学家吸收了原子论思想, 例如著名物理学家牛顿就认为, 一切物质都是由不可再分的原子构成的; 不同的原子, 它的大小、形状、密度和内部的吸引力也都不同。由于自然科学家的工作, 原子论已开始从抽象的哲学思辨走向科学。

不过, 真正的科学原子论却是在19 世纪初期才问世。在这方面, 做出开创性贡献的是一位英国科学家道尔顿。他曾是一位中学老师, 研究过拉丁文、希腊文、数学和自然科学。在19 世纪初, 道尔顿提出, 原子在化学反应中性质不变, 因此它是化学反应中的最小单位。道尔顿还特别指出, 同一元素的原子都具有相同的质量, 不同种类元素的原子质量则不同。可见, 原子的质量是元素的一个特性,每一种元素都可以用它的原子量来代表。有了原子量的概念, 化学上的一些实验定律的本质得到了合理的解释。所以, 道尔顿的原子论是人类对物质微观结构认识的一个伟大成就, 它被看作是化学发展史上的一个重要里程碑。

既然原子量是元素的一个特征, 那么确定原子量就是一项十分重要的工作。道尔顿以最轻的元素氢的原子量为1, 并据此推算出了14 种元素的原子量。但是, 道尔顿确定的原子量与我们今天所确定的原子量相差较大。这里的原因除了当时技术条件差的原因外, 更重要的是道尔顿原子论本身也存在着缺陷。这主要是, 道尔顿提出原子论时, 还没有分子的概念。因此, 道尔顿把一些分子当作原子。这样推算出来的原子量当然是错误的。后来, 意大利物理学家阿佛伽德罗提出了分子的概念, 认为物质是由分子构成的, 分子才是由原子组成的。原子———分子论正式建立了, 使人类对原子的认识向前发展了一大步。在此基础上, 并随着化学元素周期律和化学结构理论的提出, 化学家们十分自豪, 以为物质结构问题已经解决了, 并声称无论是什么东西, 只要知道了它的化学结构, 就可以把它构造出来。

这时, 给人的印象是一切都完美无缺了。不过, 也有人发出疑问, 能不能深入到原子里面去, 看看原子是由什么构成的? 提出元素周期律的俄国化学家门捷列夫就曾猜测说, 单质的原子是由若干更小的微粒组成的复合物。不过, 绝大多数的科学家的思想仍然被束缚在“原子是不可分割”的传统观念下。这种观念的转变的确不是一件容易的事情。

19 世纪末, 当大多数物理学家沉浸在科学全面进步的喜悦之中时, 物理学家连续取得了三项伟大的发现。这就是X 射线、天然放射性和电子的发现。这三项发现使原子是不可分割的观念受到了猛烈的冲击, 也引导了人们对微观世界的认识进入了一个新的时代。

1.

科学上常常有这样的情况, 一个意外的事件导致了意想不到的科学发现或发明, 从而推动了科学的进步。1895 年, 德国物理学家伦琴的一个偶然发现, 就促进了人们对原子内部情况的探索。

1895 年10 月间, 伦琴在实验室里研究阴极射线。阴极射线是19 世纪60 年代, 物理学家利用气体放电管发现的。这种放电管就是在一根抽掉空气的玻璃管的两端封上金属丝。当放电管的两端接上高压电源( 几千伏特) 后, 对着阴极( 负极) 的玻璃管壁就会出现绿色的辉光。进一步研究, 发现这种从阴极放射出的辉光不像是光线。因为在辉光的通道上用金属片作障碍物, 会在阴极对面的玻璃壁上出现它的阴影, 这说明阴极射线像光线一样可以产生影响; 但是, 当用透明的云母作障碍物时, 仍然出现它的阴影, 而光线是可以透过透明云母的。进一步的研究发现, 当用磁铁靠近放电管时, 辉光通道上障碍物所产生的影子的位置会发生移动, 这说明辉光弯曲了。后来, 电磁场也会使辉光弯曲。物理学图1家们就把这种不是光线的射线称为“阴极射线”。

伦琴在研究阴极射线期间, 他的实验室里发生了怪事。先是, 用黑纸包得很好的照相底片被莫名其妙地感光了。开始以为毛病出在照相底片上, 就去买来新的底片, 结果仍然会出现同样的情况。这引起了伦琴的疑问, 是不是阴极射线使照相底片感光了呢? 他为了使照相底片不再被自动感光, 就用厚的黑纸把阴极射线管包了起来。可是不久, 又发生了一件怪事。有一天, 伦琴离开实验后, 突然想起实验室里阴极射线管的电源还没有关。于是, 他又回到实验室。当他走进实验室时, 竟发现实验室里有一处发出闪闪的绿光。打开电灯, 他看见那里是一块做实验用的涂有荧光材料的硬纸板。伦琴关掉阴极射线管的电源, 则硬纸板不再发出绿光; 可接通电源, 绿光又出现了。这个奇怪的现象肯定和阴极射线管有关了。可是, 这种荧光材料只有在强光照射下才会发出荧光, 而伦琴已经知道阴极射线的有效射程仅有1 英寸, 即只有2. 54 厘米。况且, 当时这块硬纸板离阴极射线管的距离有2 米。再加上, 阴极射线管已被用厚的黑纸包了起来。考虑到这些情况, 伦琴认为不是阴极射线使硬纸板发出荧光, 他意识到可能存在着某种新的未知射线。这使他异常激动, 一连几天几夜把自己关在实验室里做实验。他先后在阴极射线管和硬纸板之间放置了木头、硬橡胶以及许多不同的金属。结果, 发现厚木板、纸片等都挡不住这种未知的射线; 较厚的铝片才能完全挡住它。这些实验的结果, 使伦琴明白了,放在抽屉里包着黑纸的照相底片之所以被感光, 不是照相底片的质量不好, 而是这种未知射线在作怪。因为木板和纸都不能挡住这种穿透力很强的射线。

由于伦琴埋头于对这种未知射线的实验而废寝忘食, 引起了他的妻子的不满, 就到实验室里来看他。伦琴让他的妻子把手放在一张用黑纸包好的照相底片上, 然后再用接通电源的阴极射线管一照, 冲出的照相底片使伦琴和他的妻子大吃一惊, 照相底片上十分清楚地呈现出她的手骨结构, 连手指上的金戒指的轮廓也清楚地印在上面。这张照片成了历史上的一张著名照片。

伦琴想进一步了解这种射线的性质, 但他用磁场也没能使这种射线发生弯曲, 用三棱镜也没能使它发生折射。由于, 伦琴无法说明这种性质未知的奇妙射线, 就把这种射线定名为X 射线。

伦琴把他的这一发现写成论文, 于1895 年12 月28 日在德国的科学杂志上发表了。这篇论文一登出,立即引起了轰动。同时, 许多报纸都把这个发现当作一个重要新闻来报道。有的报纸还刊载了伦琴夫人手骨结构的那张X 射线照片。不久, 这个情况传到美国, 有一位医生用X 射线检查了受枪伤的病人, 以观察子弹是否还留在病人体内。X 射线能看穿人的身体, 成为医生的有力助手。这下, 伦琴不仅在科学界, 在社会上也一下子出了名。由于他的这一偶然大发现, 1901 年, 他获得了第一个诺贝尔物理学奖。

伦琴的发现公布于世之后, 有的物理学家感到十分懊悔。因为他们在伦琴之前, 也曾在实验室里发现了照片底片被莫名其妙地感光的现象, 只可惜他们未能像伦琴一样发现X 射线。像英国的著名物理学家克鲁克斯, 他是高真空放电管, 即阴极射线管的发明人, 也是研究阴极射线的一位权威。但是, 他在发现了实验室里的照相底片被自动感光以后, 认为这是因为照相底片的产品质量存在问题, 找到照相底片的生产厂家退了货。克鲁克斯虽然在经济上挽回了一些损失, 可是他在科学发现上的损失太大了, 错过了一次可以获得诺贝尔奖的机会。还有一位美国科学家叫古德斯比德, 他在得知伦琴的发现之后, 立即到他的废底片中, 找出了他在1890 年2 月22 日得到的一张X 射线照片。尽管他的这张照片比伦琴的X 射线照片早了5 年, 可惜的是, 当时他没有意识到这里的新发现, 而把被X 射线感光的照相底片扔进了废纸堆。对此, 古德斯比德也只好说, 在伦琴发现X 射线的5 年前, 他就已拍出了世界第一张X 射线照片, 但却未能发现X 射线, 无法取得X 射线的发现权。看到了同样的现象, 却有着不同的结果。原因在哪里? 其中很重要的一个因素是, 伦琴从偶然的事件中引出了疑问, 这个疑问把他引向了科学的新发现。相反, 凡是对意外现象没有引出问题的研究者, 都失去了作出新发现的机会。可见, 疑问、问题和由此产生的好奇心是科学发展的一种动力。当然, 伦琴的发现也不能完全归于偶然。对于意外事件只有敏锐的觉察, 才能抓住发现的机会。

伦琴, 作为一个诺贝尔物理学奖的获得者, 享有很高的声望。但是, 他成名之后, 反对用自己的姓氏来命名X 射线, 而且还谢绝了贵族爵位。他把获得的诺贝尔物理学奖的奖金捐给了自己工作的大学物理实验室, 用作研究费用。

后来, 经过物理学家的进一步研究, 发现X 射线是一种波长很短的电磁波。它是由于阴极射线( 即高速电子流) 轰击阴极而产生的。X 射线的用途比较广泛。它是医学诊断的一个重要手段, 直到今天,我们到医院作透视检查, 利用的仍然是伦琴发现的X 射线。除了医疗以外,X 射线在工业上可用于金属探伤, 在科学研究中可用研究晶体结构, 等等。

伦琴关于阴极射线的研究, 发现了X 射线; 而后来物理学家对于X 射线的研究, 又带来了天然放射性的发现。这一系列的发现, 打开了通往原子世界的大门。

2.

天然放射性现象的发现同X 射线的发现一样, 都带有一定的偶然性, 只不过X 射线的发现来自对阴极射线的研究, 而天然放射线现象的发现则是来自对X 射线的研究。

X 射线的发现引起了众多物理学家的兴趣。法国科学家彭加勒素以富有想象力而著名, 他提出X 射线可能同真空玻璃管的荧光有关。彭加勒的这个想法后来被证明是不对的, 可是在当时却激起了他的同胞贝克勒尔的极大兴趣。

贝克勒尔的父亲是一位专门从事荧光物质研究的化学家, 他的祖父也以研究磷光和荧光现象而闻名于世, 这个家族从事这方面的研究已有六七十年的历史了, 他们的实验室里有各种各样的荧光物质。贝克勒尔从他父亲的实验室里选了一种荧光最强的物质———铀盐, 开始着手实验X 射线到底与荧光有没有关系。他用黑纸包住照相底片, 黑纸包上放一层铀盐, 然后再让它们受太阳光的照射。他的设想是, 太阳光不能穿透黑纸, 因此照相底片不会受太阳光照射本身而感光; 但是如果由太阳光照射而激发的荧光中含有X 射线, 这X 射线就会穿透黑纸使照相底片感光。实验结果如他设想那样, 照相底片冲洗后显现了铀盐在照相底片上的黑色轮廓。后来, 贝克勒尔在铀盐和黑纸之间放上其它材料, 比如铝箔、铜箔, 结果照相纸片也都感光了。这更加“证明”了X 射线的存在, 因为当时人们除了知道X 射线能穿过这些东西之外, 还不知道有别的射线也具有这种功能。

戏剧性的结果产生在贝克勒尔继续进行的实验中。1896 年2 月底, 贝克勒尔在准备进行一次新的实验时, 碰巧遇上了巴黎一连几个阴天, 太阳始终没有露面。他只好把铀盐连同用黑纸包好的照相底片一起放进实验室的抽屉里。3 月1 日, 贝克勒尔想事先检查一下照相底片是否完好, 以便再进行实验, 他就冲洗了其中一张底片。但冲洗后却发现了奇怪的现象: 照相底片已经感光了, 上面有一个很黑的铀盐的影子。这是怎么一回事呢? 铀盐是和黑纸包好的照相底片一起放在抽屉里的, 可以说是隔绝了外来光线; 而铀盐不经太阳光照射是不会发出荧光的。那么照相底片又是如何感光的呢? 贝克勒尔推断, 既然照相底片感光与太阳照射和荧光都没有关系, 那么很可能是铀盐本身能发出一种神秘的射线, 就是这种神秘射线使照相底片被感光了。但他还不知道是铀盐中的哪种物质放出的射线, 是硫酸? 是钾? 还是铀? 贝克勒尔又埋头作了进一步的实验。他用纯硫酸钾做实验, 照相底片没有感光, 说明硫酸和钾都不会放出不可见的射线。他用各种铀化合物进行实验, 照相底都同样感光了。在物理学研究中, 实验的结果具有极高的权威。贝克勒尔得到结论: 只要有铀元素存在, 就有这种射线产生。

X 射线的产生需要气体放电管和高压电源, 而铀盐无需任何外界作用, 就自动地放射出一种射线。后来, 科学家们就把一些物质所特有的这种能自发放出射线的性质称为天然放射性, 也简称放射性; 把具有这种性质的物质叫做放射性物质。

天然放射性现象的发现在科学发展的历史上具有重要的意义。它表明, 自然界中有些元素能自发地放出射线来。这些元素又都是由某种原子构成的, 这就表明原子本身可能会发生某种变化。这种变化意味着原子存在着内部结构, 隐藏着某种秘密。因此, 可以说天然放射性现象的发现开始动摇那种认为原子是不可分割的陈旧观念。

贝克勒尔关于天然放射性的发现, 打开了一个新的研究领域, 吸引了许多物理学家投身于这一方向的研究。下面将谈到的著名科学家居里夫妇, 就是在这一领域做出重要贡献的。

贝克勒尔的发现, 不仅具有丰富科学认识的作用, 而且它还再一次向我们展示了“机遇”在物理学研究中的价值。也许有人会想, 贝克勒尔能发现天然放射性是因为他的运气好。要不是准备实验的那几天赶上连阴天, 他就不会把铀盐连同用黑纸包好的照相底片一起放进抽屉; 而恰巧放进抽屉这一条件又排除了其它光线使照相底片感光的可能。所以, 贝尔勒尔轻而易举地发现了天然放射性现象。这种想法似乎表明, 只要碰上这种机会, 谁都同样会做出发现, 取得辉煌的成就。物理学发展的历史, 以至整个科学发展的历史都表明, “机遇”( 即好的境遇) 确实在科学发现中起一定的作用。但是, 它也仅仅是一部分作用, 或者说它只是提供了一种成功的机会。然而, 也并不是所有的人在机会面前都能取得成功, 如同X 射线的发现使一些科学家终生懊悔一样天然放射性现象的发现也使一些科学家抱恨终生。在贝克勒尔之前, 也有一位研究人员把沥青铀矿石和用黑纸包好的照相底片搁在了一起, 而使照相底片感光作废。可惜的是, 这位研究人员只得出了一个常识性的结论: 不能把照相底片同沥青铀矿石放在一起。这个结论是对的, 也有一定的实用价值。但是, 他就没有多问一个为什么, 为什么沥青铀矿石与照相底片放在一起会使照相底片感光, 因而白白放过了能作出一项重大发现的机会。对此, 还是法国科学家巴斯德的名言道出了真谛: “机遇只偏爱有准备的头脑。”就是说, 机遇仅仅起提供机会的作用。要做出发现, 还需要由热爱学习、善于观察、勤于思考的有心人去认出机会, 抓住

机会, 深入钻研, 才会获得成功。

3.

电子是人类认识的第一个微观粒子。它的发现和X 射线的发现类似的地方是都同研究阴极射线有关。在19 世纪后期, 阴极射线到底是什么? 引起了相当多的物理学家的兴趣。对这个问题出现了不同的见解, 产生了争论。有趣的是, 争论双方的队伍几乎是以国界划分的。当时, 是德国物理学家戈尔茨坦把阴极发出的某种射线, 命名为阴极射线, 并判断它是类似于紫外线的以太波。这个观点受到了赫兹等物理学家的支持。赫兹曾于1887 年发现了电磁波, 他就把阴极射线看成是电磁波。这是德国物理学家的共同看法。而英国和法国的物理学家都认为阴极射线是一种带电的粒子流。以克鲁克斯为代表, 他认为阴极射线是气体放电管中残余气体分子了撞到阴极, 因而带上负电, 这不但能传递能量还能传递动量, 是一种分子流。这一争论持续了20 年, 没有统一的结果。X 射线虽然是研究阴极射线取得的成果, 但是X 射线是由阴极射线而发现的另一种射线, 它并没有解决阴极射线的本性。所以,阴极射线究竟是什么东西? 人们还没有搞清楚。

持不同观点的科学家都在积极寻找有利于自己观点的证据。对阴极射线的本性作出正确答案的是英国剑桥大学卡文迪许实验室的汤姆逊。他认为阴极射线是带电微粒说可能更符合实际, 决心设计实验进行周密考察, 以找出确凿证据。

汤姆逊对法国物理学家佩兰的实验装置进行了改进, 利用阴极射线管使阴极射线在电场和磁场的作用下分别发生了偏转。实验结果证明了阴极射线确是由带负电的粒子组成的。但汤姆逊对此并没有满足, 他要通过实验去测出这种带负电的粒子的其他性质, 比如测它的飞行速度( v) 、电荷( e) 、质量( m) 等。

汤姆逊的实验装置见示意图。他的实验是这样设计的, 由于已经知道阴极射线在受到电场和磁场的作用时会发生弯图2 汤姆逊测阴极射线荷质比的装置曲, 所以汤姆逊在放电管内加上一定强度的电场和磁场。阴极射线的弯曲情况可以从与阴极相对的荧光屏上亮点位置的移动表现出来。实验时, 先给放电管加上外电场。这时, 阴极射线由于电场的作用, 它的飞行轨道发生了弯曲。荧光屏上的亮点就从中间位置向下移动。根据所加电场的情况, 可以判断出亮点的这种移动表明阴极射线是带负电的。然后, 再加上适当强度的外磁场。磁场强度的大小恰好使阴极射线产生相反方向的弯曲, 与电场作用下的弯曲程度相等。这样, 从荧光屏上观察到的情况就是, 亮点又从荧光屏下部移回到荧光屏的中间位置。显然, 电场和磁场作用在阴极射线上的力是大小相等而方向相反的。即: evH =eE 式中:e 表示微粒所带电荷; v 表示微粒的飞行速度; H 表示磁场强度; E 表示电场强度由上式推得: v= HE测量出此时的电场强度与磁场强度, 并把数值代入上面的公式, 就可以得到微粒的飞行速度。汤姆逊实验得到的微粒飞行速度是2. 7 ×109 厘米/ 秒。

汤姆逊通过实验得到的关于微粒的第二个量是它的荷质比, 即微粒所带的电荷与质量之比。求得荷质比的方法是这样的, 汤姆逊让放电管中的阴极射线仅在磁场作用下发生弯曲。这说明, 阴极射线粒子做曲线运动的向心力就是磁场的作用力。根据向心力公式:2mvF 向心=R式中F 向心是微粒所受的向心力;m 是微粒的质量; R 是微粒轨道的曲率半径。在实验中,F 向心就是evH, 所以公式变为:2evH = mvR 把可直接测量的量移到等式的右边, 就可以得到微粒的电荷e 与质量m 之比,e= vm HR将测量得到的数值代入上式, 得到:e ≈0. 8 ×107 电磁单m 位/ 克这个数值与当时知道的氢原子的荷质比相比是很大的, 约为氢原子荷质比的2000 倍。1897 年4 月, 汤姆逊公布了自己的研究成果。对于阴极射线粒子的荷质比, 他的分析是, me 的值比氢原子的大,可能是e 大, 也可能是m 小, 或者两者兼而有之。他认为比较可能的是m 小, 但是, 这需要实验来证实。

接着, 汤姆逊和他的学生用几种方法测到了阴极射线粒子所带的电荷。实验结果证明, 阴极射线粒子所带电荷跟氢原子的基本相同。由此可以推知, 阴极射线粒子的质量比较小, 大约是氢原子质量的1/ 200 。

汤姆逊把不同的气体, 氢气、氧气、氮气..等等分别充到放电管中, 实验结果, 阴极射线上射出的带电粒子的电荷和质量的比值都是一样的。他又用各种金属, 金、银铜、镍等作阴极, 测量的结果发现阴极射线粒子的电荷和质量的比值仍是一样的。这些实验结果表明了一个非常重要的问题, 不管阴极射线是从哪里产生的, 是由电极产生的, 还是由放电管内气体产生的, 反正它的荷质比都是一样的。而且它与氢原子相比是更微小的粒子, 应是各种电极材料原子、各种气体原子的组成部分。

从18 世纪以来, 许多科学家都在研究电的本性, 他们认为电也有一种最基本的单位。1874 年, 英国物理学家斯通尼主张把电解中一个氢离子所带的电荷作为一个“基本电荷”。他还认为任何电荷都是由一些“基本电荷”组成的。1890 年, 斯通尼引入“电子”来表示负的基本电荷的负荷体。

这样看来, 汤姆逊发现的这种可能比氢原子还小的粒子就是电子。为了证实基本电荷的存在, 在测出荷质比( e/m) 之后, 还要测出e 值。对测e 值, 贡献最大的是美国物理学家密立根。他通过“油滴实验”测得电子电荷值为:e10= ( 4. 774 ±0 . 009) ×10 -静电单位。他的一个更重要的成果是,所观察到的任何给定油滴的电荷总是这个最小值的整数倍。这一结果是对电子是具有相同电荷和质量的一个基本粒子这一观点的有力支持。有了e 值, 由荷质比e/ m, 可以更精确地求得电子质量与氢原子质量的比值: Me= M1830这一结果表明, 电子的质量是氢原子质量的1/ 1830 。

现在大家都公认, 是汤姆逊在1897 年发现的电子。这是一个重大的发现。一个重大的发现, 看起来容易做起来难, 汤姆逊发现电子也不例外。在汤姆逊之前, 也曾有科学家根据阴极射线的弯曲测出了阴极射线粒子的荷质比。但是, 他们由于坚持认为电是连续性的, 不存在最小单位, 所以未能深入下去。也还有的物理学家未能观察到阴极射线的弯曲, 其实在汤姆逊本人的早期实验中也遇到了同样的情况。对此, 汤姆逊曾作过回答, 他指出要使这个实验获得成功, 必须克服放电管内真空度不高的困难。可见, 汤姆逊的成功, 高超的真空技术是一个保证。这就说明, 技术的进步对物理学的发展有着重要的影响。

电子、X 射线与天然放射性的发现并称为19 世纪末物理学三大发现。这三大发现打开了人们认识原子的大门。

4.

天然放射性现象的发现没有像X 射线那样, 一问世就立即轰动了世界。但是, 它却引起了众多物理学家、化学家的注意。侨居在法国巴黎的波兰女科学家玛丽·斯谷都芙斯卡就是其中突出的一位。玛丽·斯谷都芙斯卡在和法国物理学家皮埃尔·居里结婚以后, 就被称为居里夫人。当时, 居里夫人正在为自己的博士论文选择题目, 贝克勒尔关于天然放射性的发现引起了她的浓厚兴趣。这些放射性到底从何而来? 它们具有什么样的性质; 这真是一个诱人的未知领域。于是, 居里夫人决定研究新发现的天然放射性现象。

居里夫人在研究中首先遇到的一个问题是, 要研究这种肉眼无法看见的放射线, 必须要有一种迅速又方便的检测方法。如果用照相底片感光的方法来记录放射线的话, 既费时又麻烦。居里夫人注意到了贝克勒尔的研究报告中, 一个未被他人注意的细节。贝克勒尔在研究报告中谈到, 铀盐放出来的不可见的射线能使带电的金箔验电器放电。这个细节启发了居里夫人, 她想到可以用验电器的放电来发现不可见的放射线, 并且可以根据验电器放电的快慢来检验放射线的强弱。她的丈夫皮埃尔·居里是一个出色的物理学家, 他很快就按照居里夫人的设想制造出了理想的验电器。

经过几个星期的实验, 居里夫人发现铀的辐射强度与所用铀的数量成正比, 而且既不受铀是否与其他元素结合的影响, 也不受光线或温度变化的左右。可以说没有什么东西能够影响放射线的发射。在了解了放射线的这些性质之后, 居里夫人的进一步的问题是, 是否只有铀才产生放射性呢? 她又废寝忘食地进行试验, 终于发现了另一种元素钍也具有天然放射性。这使居里夫人十分兴奋, 她把实验室里的所有化学物品一个一个地加以试验。结果不那么理想, 只是含有铀和钍的物质具有放射性, 没有发现其他的物质具有这种性质。

在这种情况下, 居里夫妇就又回过头来仔细研究铀的放射性。居里夫妇首先想提炼纯铀, 可是在这个过程中发现了新奇的现象。有一次, 居里夫妇为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀, 他们对样品中的含铀量进行了测定。结果使他们十分惊讶, 有几块样品的放射性甚至比纯铀的放射性还要大。这是出乎他们意料的事情。居里夫妇原来以为, 可能铀越纯, 放射性越强, 而结果恰恰相反。

物理学家遇到这种反常现象时, 第一个念头是需要对这种反常进行核实, 看看是否确实如此。居里夫妇经过反复核实, 确信这个反常现象是存在的。物理学家的第二个念头是, 这种反常现象说明了什么问题, 也就是要透过现象寻求本质了。居里夫妇的一个很自然的推论是, 铀矿石中除了含有能发出射线的铀之外, 一定还含有其它放射性物质。当它和铀混杂在一起时, 铀矿石的放射性强; 而在提纯铀的过程中, 这种放射性物质被排除出去了, 使剩下的纯铀的放射性降低了。这种分析使居里夫人确信, 在铀矿石中存在具有放射性的未知元素。她曾在写给她姐姐的信中写道: “那种难以解释的放射性

, 必然是从一种新的化学元素里发出来的。这种新元素就在眼前, 我只试图发现它的存在。虽然当我们把此事告诉那些物理学家们时, 他们都说这是异想天开, ..但我和皮埃尔都满怀信心。我相信自己绝没有弄错。”这封信既表明了居里夫人发现新的发射性元素的目标已十分明确, 同时也表明她的坚定信念。

看来, 做出新发现的时机已经到来了。皮埃尔·居里也放下了他自己从事的物理学研究, 夫妻二人一起寻找这未知的新元素。

不过, 摆在居里夫妇面前的困难也是相当大的。首先的一个问题是, 试验需要大量的沥青铀矿。当时居里夫妇的家庭生活比较清苦, 而由奥地利运来的沥青铀矿, 价格十分昂贵, 他们没有钱去买大量的铀矿石。幸好, 他们找到了一个萃取铀盐的矿区, 几经联系, 终于得到满意的结果。居里夫妇得到了提取完铀盐的废矿石, 而只需付出运费。他们的第二个困难是, 没有一间像样的实验室。只能在破旧的简陋木棚里进行实验, 工作条件比较差。他们在大缸里溶解矿石, 用铁锅蒸发溶液。即使整天和大量的有刺激性、腐蚀性的物质打交道, 但是在居里夫妇的心中仍充满了探索的激情。居里夫人曾回忆说: “在这间蹩脚破旧的小屋里, 我度过了自己一生中最美好最幸福的岁月, 把一切完全献给了这项工作。”

的确是这样, 面对困难, 他们没有退缩。由于废矿石成分十分复杂, 不得不进行一道又一道的化学分离。他们把矿石先溶解在酸里, 然后通入硫化氢气体, 于是溶液里生成了许多沉淀。经过多次实验,终于在二年后, 1898 年7 月, 从分离出的沉淀中发现了一种放射性比铀还强的新元素。为了纪念居里夫人的祖国波兰, 他们把这种新元素称为钋。经过分析, 居里夫妇认为钋元素的存在只是铀矿石具有比铀更强的放射性的部分原因。因此, 他们又把这次工作继续下去。到1898 年12 月, 居里夫妇又从分离的溶液里找到了另一种放射性更强的新元素。他们把这种新元素命名为镭, 镭的放射性是铀的900 倍。

居里夫妇做出了两个很重要的发现。然而在当时, 天然放射性现象还是新鲜事物。不用说社会公众,甚至连很多科学家也不理解。要大家公认新元素, 仅靠测出强大的放射性还是不够的。所以, 居里夫妇决定提炼出纯镭。镭在沥青铀矿中, 只有极少一点点, 提炼出镭比发现镭更困难。又经过将近四年的艰苦工作, 在1902 年, 居里夫妇得到了0. 1 克纯氯化镭。这一下, 没有人怀疑镭的存在了。而且, 科学家还发现镭发出的射线能治病, 杀死细菌。消息一传开, 引发了全世界范围研究放射线的热潮。一些国家成立了专门研究机构研究镭和其他放射性物质。有的国家还建立工厂提炼镭。一下子, 镭成了当时世界上最昂贵的东西。

1903 年, 居里夫人把她所进行的放射性方面的研究,写成博士论文。这也许可以说是科学史上最出色的博士论文了。它使居里夫人两次获得了科学界的最高奖———诺贝尔奖。由于发现钋和镭以及开创了放射性物质的研究工作, 居里夫妇以及贝克勒尔共同获得了1903 年的诺贝尔物理学奖。1911 年,由于提炼镭并研究了镭的性质, 居里夫人又荣获了这一年的诺贝尔化学奖。只可惜, 她的丈夫皮埃尔·居里已于1906 年因车祸而去世了。

居里夫人不仅在科学上做出了杰出的贡献, 而且她的崇高品质也为后人树立了典范。她生活简朴、勤奋刻苦、坚韧不拔、诲人不倦, 在科学界享有很高的声誉。居里夫妇把呕心沥血分离出来的第一批少量的镭, 无偿地捐献给了巴黎的治癌实验室。有人曾劝说他们, 应该把这笔钱留给他们的女儿。居里夫人说, 留给子孙的不应该是谋生费用, 而应该是可贵的精神财富。事实证明, 居里夫人是对的。后来, 她的女儿和女婿———小居里夫妇也因人工放射性元素的研究获得了1935 年的诺贝尔化学奖。

5.

原子的大门被打开了, 那么原子内部是什么样? 它有怎样的结构状况, 自然就成了物理学家们十分关心的问题。

不过, 原子内部的研究, 对人类认识自然界来说, 是一个全新的领域。过去, 人类所认识的自然事物都是肉眼能直接观察到的客观现象, 对这些现象可以直观地加以描述。而现在, 原子看不见、摸不着, 这种直观描述的方法不适用了。那么怎样刻画原子这样的微观物体呢, 物理学家们就更多地采用这样一种方法: 根据一定的实验事实, 运用一些概念对微观物体的状况和性质给出一个假设性的图像;然后再通过实验去检验, 看看这个假设的图像是否符合研究对象的实际情况。这样一种方法就叫做“模型”方法。被研究、被刻画的物体称为原型, 模型就是对原型的一种形象描述。

对原子内部状况的认识, 物理学家就采用的是模型方法。第一个比较有影响的原子模型就是发现电子的那个英国物理学家汤姆逊提出来的。他设想, 原子是一个圆球。在这个球形的内部均匀地分布着正电荷, 这就是原子的主体。同时, 在这个球形的内部还夹杂着一些带负电荷的电子。而且, 原子里面主体所带的正电荷与所有电子所带的负电荷在数量上是相等的。因此, 对整个原子来说, 它是呈中性的。如果原子内部正电荷多于负电荷, 就是阳离子, 如果正电荷少于负电荷, 就是阴离子。按照汤姆逊提出的原子模型, 原子就像一个圆面包, 其中的电子就像面包中零散分布的葡萄干, 除去“葡萄干”以外的就是带正电荷的主体。这样一个原子结构模型, 被后人形象地称为“葡萄干面包”模型。

这个模型是不是符合原子的真实情况, 还需要用各种实验事实来检验。汤姆逊为了说明他的原子模型是正确的, 借用了一个磁针实验来说明电子在原子中的排列情况。他用一个较大的盛放着液体的容器来代表原子的主体, 用漂浮在液体上面的相对较小的软木塞代表电子。软木塞上嵌有小磁针, 容器正上方有一大磁铁, 这个磁铁通过小磁针对软木塞发生作用, 就像原子内部存在着的静电力。如果原子中只有一个电子, 比如氢原子, 那么液体上只漂浮一个软木塞, 它就处在整个容器的中心; 如果原子中有二个电子, 那么在磁铁作用下, 二个软木塞就漂浮在容器中心的两侧, 如果原子中有三个电子,那么三个软木塞就排成一个等边三角形; 如果原子中有四个电子, 那么四个软木塞就排成一个正方形。当原子中有较多电子的情况下, 软木塞的布局就不那么规则和稳定了。但是, 如果把原子中的电子分为内层电子和外层电子, 汤姆逊的原子模型居然得出了和门捷列夫元素周期律相类似的电子排列规律。这使得汤姆逊的原子模型受到了赞扬。物理学家们还发现, β射线可以穿过几毫米的铝片。β射线是高速的电子流, 这就是说带负电荷的电子能穿透组成铝片的原子。显然, 那种认为原子是一个不可分割的坚硬小球的传统观念是不对的。因为, 原子若真是不可分割的, 那么电子是无法通过的。这让汤姆逊感到高兴, 他的原子模型可以解释β射线穿过铝片的现象。那就是电子比原子的体积小得多, 而原子里面有足够的空隙, 可以让高速的β射线穿过。这就好像高速的葡萄干打穿了面包。

没有多久, 实验事实就让汤姆逊由高兴转为伤脑筋了。进一步的实验发现, α粒子能穿过很薄的金属镭。α粒子是失去了两个电子的氦原子, 好比是少了两颗葡萄干的小面包。小面包怎么能通过大面包, 这实在是令人难以接受的结论。这或许证明, 汤姆逊的原子模型存在不完全符合原子本身状况的地方。

图3模型不完全符合原型, 那就要修改。对模型进行修改, 依据的还是实验事实。既然是α粒子带来的问题, 那么就对α粒子穿透原子的情况进行更细致的研究。一深入研究, 又发现了令人奇怪的现象。英国物理学家卢瑟福和他的助手在反复用α粒子去轰击金属箔时, 借助仪器观察到大多数射向金属箔( 金箔) 的α粒子都顺利地通过了, 不过它们的飞行路线也产生了偏斜, 偏斜的角度只有几度。可是, 也有少数α粒子, 大约8000 个α粒子中只有一个, 偏斜的角度很大, 有的超过90°, 甚至还有180°的。α粒子飞行路线偏斜180°就是射出去又被弹回来了。这个实验事实使卢瑟福陷入了沉思。是什么作用能使α粒子在进入原子里面以后, 飞行路线产生偏斜, 甚至被反弹回来呢? 一定是它在原子里面遇到障碍物了。α粒子是比电子重的粒子, 它的质量差不多是电子质量的7000 多倍, 如果

α粒子进到原子里面, 碰上的是电子的话, 那么它的飞行线不会产生这么大的偏斜。所以, α粒子遇到的很可能是一个比较重的东西, 而且这个重物的体积不是很大。因为只有少数α粒子的飞行路线产生偏斜, 而大多数α粒子都顺利地通过了。在这样分析的基础上, 卢瑟福猜想, 这个重物可能是带正电荷的, 当带正电荷的α粒子正碰上它的时候, 同性电荷相斥使α粒子反弹回来。卢瑟福的猜想是有道理的。α粒子与一个质量比它大得多的正电荷相遇, 有点像一辆飞速行驶的小汽车与一辆静止不动的大卡车相撞的情况。可又不完全像, 根据库仑定律, α粒子与带正电荷的重物相遇, 会发生强烈的静电斥力, 作用在电荷上的力与电荷所带电量的大小成正比, 与两个电荷之间距离的平方成反比。所以, α粒子越是靠近这个重物, 它受到的斥力就越大。实际上, α粒子并不需要真正同这个重物相碰, 它就会被反弹回来。

1911 年, 卢瑟福提出了一个新的原子模型。他认为, 原子的中央存在一个带正电荷的核, 就是那个重物, 这个核被称为原子核。原子核的体积很小, 它的直径只是原子直径的万分之一。原子核以外的地方比较空旷, 只是散布着一定数量的电子, 这些电子环绕着原子核在不停地运动。这个原子模型描述的原子内部结构的状况, 有点类似太阳系。太阳是太阳系的核心, 它的直径与太阳系的直径相比也是相当的小, 太阳系里面, 水星、金星以及地球等九大行星都在绕太阳这个核心旋转。如果把原子核比做太阳, 则电子就好像是绕太阳为中心旋转运动的行星。所以, 这个原子模型也有人称之为“行星式原子模型”。在这个原子模型中, 卢瑟福还指出, 原子核的体积虽然小, 但是原子的质量几乎都集中在原子核上。而且, 原子的质量越大, 原子核带的正电荷就越多, 相应的原子核外围的电子数目也

就越多。

卢瑟福的原子模型发表以后, 在科学界产生了巨大的影响。很多科学家都到他的实验室来表示祝贺,但当看到他那揭示原子结构奥秘的实验是用比较简单的仪器完成的, 都对他更加钦佩。

卢瑟福的原子有核结构模型, 比汤姆逊的葡萄干面包式原子模型能更好地解释实验结果, 更符合原子结构的实际, 成为原子结构的基本观点。物理学的发展, 已经证明“原子有核”的观点是正确的。物理学家们经过精确的实验和计算, 已经确切地知道, 原子核的直径大约相当于原子直径的万分之一或几万分之一。电子更小, 它的直径大约相当于原子直径的十万分之一。若按体积计算, 原子核的体积与原子的体积相差得更多。如果把一个原子比作一个大教室的话, 那么原子核也不过相当于教室中央的一颗小米粒。

卢瑟福的原子模型优越于汤姆逊的原子模型, 因此很快被物理学家们所接受。那么是不是卢瑟福的原子有核结构模型就非常完善了呢? 也不是, 科学的发展是逐步深入的。不久, 卢瑟福的原子模型也受到了挑战, 这一挑战是来自理论与实验两个方面的。一个重大的难题, 摆在了卢瑟福面前。

6.

原子为什么没有坍缩? 这是提给卢瑟福的原子有核结构模型的一个难题。我们知道, 卢瑟福的原子模型的几个基本思想, 被广泛地接受: 原子是电中性的, 原子核所带正电荷的数量与原子中所有电子所带负电荷的数量是相等的; 原子内部有一个体积很小的原子核; 原子核外的电子绕原子核在不停地运动。这个模型的成功, 还表现在它的传播程度上。依据这个原子模型所画出的原子结构示意图, 在相当长的一段时间里, 人都把它当作现代科学技术的象征。

但是, 这个原子模型也遇到了困难。

首先, 是来自理论方面的挑战。物理学家们发现, 按照这个原子模型来描述原子的内部结构, 从理论上分析, 原子是不能稳定的。因为, 如果原子里面的电子在绕原子核不停地旋转运动, 它的运动方向就会不断地改变, 因此它必然具有一定的向心加速度。否则, 电子就只能作匀速直线运动( 或静止)了。根据19 世纪对电磁现象的研究, 得到了一个基本规律是, 任何一个作加速运动的带电体, 都要不断地向外界辐射能量。这样, 电子在绕原子核旋转的同时, 会不断地向外界辐射电磁波。随之, 电子的能量不断地减少。相应的是, 电子绕原子核旋转运动的轨道也逐渐变小, 电子离原子核越来越近。最终, 电子将掉在原子核上, 这就是“原子坍缩”。经过计算, 如果真的存在电子落在原子核上形成的12原子坍缩, 那么原子的寿命大约只有10 -秒的时间, 可以说是转瞬即逝。不过, 这样一幅图景, 仅仅是由经典电磁理论和卢瑟福原子有核结构模型推出的结果。这一结论显然是错误的。客观世界里, 由原子作为基本组成的各种物体却都稳定地存在着。谁也没有观察到由于原子的坍缩引起原子寿终正寝而造成工厂、楼房、教室等的烟消云散。也就是说,在现实中, 各种物体的稳定存在证明原子是稳定的。这就产生了一个矛盾, 理论上推出的一个结论是存在原子坍缩, 而实际上( 或称观察上)原子却是稳定的。

理论与观察实验之间出现矛盾, 对于一个具体的理论( 或模型) 来说不是一件好事。但是, 对于物理学的发展来说, 理论( 或模型) 与观察实验构成的基本矛盾, 却是推动物理深入发展的最基本的内在动力。一般来说, 理论( 或模型) 与观察实验的矛盾, 揭示的是理论( 或模型) 的缺陷。这一矛盾的解决需要将理论( 或模型) 作进一步的完善。

其次, 是来自实验方面的挑战。这是原子线状光谱带来的难题。早在19 世纪80 年代, 光谱学已经获得了长足的发展。所谓光谱, 就是当一束光线通过棱镜时, 由于折射作用所形成的单色光按波长次序排列而成的谱像。如果是个含有各种波长的光谱, 看上去就是一个连续的彩色光带, 这就是连续光谱。如果是只含有某些波长的光谱, 看上去就是一些分开的、具有不同颜色的线条, 这就叫做线状光谱。原子发出的光谱都是线状光谱。比如, 一个充有氢气的放电管, 在通电时, 氢分子分解为氢原子。由于能量的激发, 氢原子就会发光。它的光线通过棱镜时, 形成的是如图所示的线状光谱。

物理学家对元素氢的光谱线研究得比较细致。1884 年,瑞士的一位中学教学教师巴耳未发现, 氢原子光谱中4 条谱线Hα、Hβ、Hγ、Hσ的波长可以用一个公式来表示:图5 氢原子光谱2λ= β2n 4,

n=3,4, 5,6,nγ= 3645 . 6 埃( A)这是一个常数。

氢原子的线状光谱, 已是一个确定无疑的事实。这一事实也与卢瑟福的原子有核结构模型产生了矛盾。因为如果电子是绕原子核旋转运动, 那么按照经典电磁理论。电子不断地向外辐射能量, 它的能量逐渐变小。这样, 氢原子的光谱应该是连续的, 而不应该是不连续的线状光谱。