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1855年，在法国巴黎，轰动世界的万国博览会开幕了。人流涌进了钢架玻璃建造的展览大厅，参观那里展出的世界各国送来的展品。在休息厅里，人们一边品尝世界各国出产的名酒，一边议论展览会中使人惊叹的“粘土中的白银”——金属铝。 在博览会的一角有一件展品，大多数参观者都没有注意，却引起好几位科学家的莫大兴趣。这是一个绕满漆包线的大线圈，通上6伏直流电以后，线圈的振子像电铃一样地振动。这时候，从线圈上接出来的两根铁针的针尖之间，发出了紫红色的小闪电。 展品的说明上写着：“感应线圈：可以把低的直流电压变成几千伏的高电压。巴黎电学器械厂技师鲁姆柯夫1851年发明。” 以前要得到直流的高电压需要把几千个电池串联起来，不仅花钱多，还要为这许多电池盖一间很大的房子。这回可好了，用这个一只手就能拿得动的“小玩意”就能得到高电压了。那些想用高电压做实验的科学家们围着这个“感应线圈”转来转去地看。真是妙极了！他们都准备回去照样装一台。 就这样，高庄感应线圈传到了德国。 就在这一年，德国的玻璃工人盖斯勒利用托里拆利真空原理发明了一种水银真空泵。他在一根玻璃管的两端封上两根白金丝，再用他的泵把管中的空气抽掉，然后在两根白金丝上通上感应线圈发出来的高压电。管中残余的气体就发出了紫红色的辉光。这就是低压气体放电管。 可不要小看这根放电管，它不仅是今天霓虹灯、日光灯、电子管、显像管的老祖宗，而且通过对放电管中放电现象的研究，使人们得出意想不到的许多大发现。由于它是盖斯勒最早制成的，所以人们通常把它叫做盖斯勒管。 我们的故事就从这放电管开始。 德国波恩大学的物理学教授普吕克对盖斯勒管非常感兴趣。他和他的学生希托夫一起作了许多研究。 他们发现，在管中除了气体在发光以外，正对着阴极（负极）的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光。用磁铁在管外晃动，这荧光也在晃动，好像能被磁铁吸引似的。为什么会这样？当时他们没有搞清楚。 正在这时候，德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析法。普吕克和希托夫又开始研究光谱。他们制作了两头粗中间细的盖斯勒管，在管中充进去一点点纯的气体，例如纯的氧气或纯的氢气，通电以后，不同的气体就会发出不同颜色的光。用分光镜检查，每种气体都发出自己特有的亮线。就这样，气体放电管成了用光谱分析气体的辅助工具。 后来，英国科学家拉姆赛在空气中发现了氦、氖、氩、氪、氙，都是用气体放电管来研究的。 不同的气体发光的颜色不同，例如氖发红光、氙发蓝光、氦发黄光。后来人们制成了长长的放电管，弯成各种花样，充进不同的气体，通电后就显示出五彩缤纷的光的图案。这就是我们常见的霓虹灯。 普吕克在1868年去世了。他的学生希托夫继续研究放电管。他始终想着那玻璃管壁上的荧光。他做了一个圆球状的放电管，在球当中装了一片金属障碍物，而两个电极是垂直安装的。通电后，阴极对面的玻璃壁上不仅发出荧光，还出现了障碍物的影子，好像从阴极放射出某种光线似的。 但这又不像是光线。希托夫用透明的云母做成障碍物装在放电管里，结果也出现了清楚的影子。他又用磁铁靠近放电管去试验，影子移动了位置，说明这种由阴极发出来的射线弯曲了。这些现象显然跟光线不一样，光线能透过云母片，并且不被磁场所弯曲。 后来，有一位科学家古德斯坦也做了类似的实验，他发现电场也会使射线偏转。他把这种由阴极发射出来的奇妙射线叫做“阴极射线”。 阴极射线是什么？英国科学家克鲁克斯作了非常细致的研究。 克鲁克斯是英国伦敦大学的化学教授，一位善于做实验的科学家。世界上只要有什么重要的新发现被他知道了，他就立刻在自己的实验室里也装起仪器来试一试，继续研究，并且大都有新的创造和发现。 德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析后，克鲁克斯在实验室里也立刻装起了分光镜，很快地他就成为英国首屈一指的光谱分析专家。1861年，他用光谱分析法发现了一个新元素——铊。 1865年，本生的学生斯普伦发明了一种能抽高真空的水银泵。克鲁克斯立刻在他的实验室中装了一套。他把泵接在气体放电管上，一个新的实验又开始了。他把气体放电管通上高压电，开始抽真空。气体越抽越少，管中气体开始发光了。继续抽下去，一个新奇的现象出现了：阴极附近出现了一段不发光的黑暗区域，原来连续的光柱断开了，仍旧发光的一段光柱也像鱼鳞一样闪烁不定。再拍下去，黑暗的区域越来越长，好像由阴极伸出来一股暗流，把发光区域越压越短，最后，暗区压到阳极上，整个光柱就全部消失了。这时候，放电管已经拍成高真空，没有明亮的气体发光，但是整个管子似乎处在一种闪烁状态。在阴极对面的玻璃壁上，荧光非常清楚。也就是说，管中由阴极发射出强烈的阴极射线。 克鲁克斯制成了高真空放电管——阴极射线管，后来人们把这种放电管叫做克鲁克斯管。 克鲁克斯详细地研究了阴极射线的许多奇妙性质。 1879年8月22日，英国科协在伦敦举行科学报告会。许多科学家在开会前几小时就赶到了会场，希望能占上一个前排的好位置。因为那天是有名的克鲁克斯教授作报告，并且还要当众表演各种各样的放电管，来晚了坐在后面怎么能看得清楚呢？ 克鲁克斯也忙得够呛！他和他的助手一起，几乎把他的实验室的东西都搬来了。讲台上放了好几张桌子，桌子上摆满了各式各样的放电管，还有高压感应线圈、蓄电池等等。 在热烈的掌声中，克鲁克斯开始作报告。他详细地介绍了他一年来研究阴极射线的成果。 克鲁克斯指出：在盖斯勒管中是低压气体在发光，不论管子是什么形状，在高压电的作用下，充满整个管子的低压气体都会发出明亮的辉光。但是在高真空放电管中只有阴极射线，阴极射线是走直线的，并且是肉眼所看不见的，我们能看见的只是由阴极射线打在玻璃管壁上而引起的荧光。 他的助手搬来一个V形放电管，上面两端接有电极。克鲁克斯将电源接到放电管上以后，报告厅窗上的帷幕拉上了，大厅里的灯也熄灭了。在黑暗中，大家看到V形管右半部管壁发出一股微弱的荧光，管底则发出一片明亮的荧光，而管子左半部却完全是黑暗的。 克鲁克斯说明右边管子头上接的是阴极，左边接的是阳极。接着，他把电极交换了位置，结果V形管左半部有荧光，而右半部变成黑暗的了。 克鲁克斯说：很清楚，阴极射线是由阴极发出来的，它不能拐弯。 接着助手又搬上两个大的梨形放电管。通电后，在阴极对面的玻璃壁上发出一片绿色的荧光。克鲁克斯把一个放电管立了起来又放下，这时在管中竖立起一片十字形的金属片，这金属片挡住了阴极射线，玻璃壁上出现了十字形的黑影，非常清楚。 克鲁克斯说：虽然阴极射线像光线一样可以生成影子，但是它不是光线。 他把另一个放电管中的挡片立起来，同样出现了黑影。 他说：这个挡片是透明的云母做的，光线能透过，阴极射线却透不过。那么阴极射线是什么呢？请看下一个实验。 一个长长的放电管搬上来了。这管子做得十分巧妙，中间平行地安放着两根玻璃棒，就像火车的轨道一样，在玻璃轨道上安放着一个云母片做的小风车。通上电以后，小风车开始转动，离开阴极向阳极跑去。把电极互换以后，原来的阴极变成阳极，原来的阳极变成阴极，小风车又往回转动。 克鲁克斯告诉大家，由阴极发出来的射线实际上是微小的粒子流，它们打在小风车一侧的翼上就会使风车转动。 克鲁克斯表演了各种各样的放电管，有的里面放着铂铱片，在阴极射线集中射击下发热发光；有的里面放了一块钻石，有的放着各种矿石，这些物质在阴极射线的射击下发出五颜六色的光芒。他说，分析这些光的光谱，可以鉴定物质的化学组成。 最使人惊叹不已的是这样一个放电管：阴极做成了凹面镜形，所以发出的阴极射线聚焦在一个小点上。在管中装了一个可以转动的风车，在风车和阴极之间立着一块挡板。通电以后，阴极射线射在挡板上，风车静止不动。这时候，克鲁克斯把一块磁铁挂在放电管上面，在磁场的作用下，阴极射线往上偏转了，通过挡板的上方射在风车的翼上，于是风车就飞快地转动起来。克鲁克斯又把磁铁转了180°，磁场方向也跟着变了180°，阴极射线反过来向下偏转了，通过挡板的下方射在风车翼上，于是风车就反方向转动起来。 克鲁克斯反复地转动磁铁，风车就一会儿正着转，一会儿反着转。风车上画了清晰的螺旋线，所以由螺旋线是展开还是收缩可以看清风车旋转的方向。 “啊！真是妙极了！”人们惊呼。 克鲁克斯告诉大家，光线是不能被磁场弯曲的，而阴极射线能被磁场弯曲，这说明阴极射线不仅是一种粒子流，而且是带电的粒子流。 各种放电管都表演过了，窗上的帷幕打开了。最后，克鲁克斯对这些实验作了总结，他指出：阴极射线是一种物质的流，是带电的物质的流，它以很高的速度离开阴极，这是由于同性相斥，它带的显然是阴电。 这是一种什么样的物质呢？这不是我们通常见到的三种形态的物质，不是固态的，不是液态的，也不是气态的，而是超气态物质，在放电管中的物质是第四态物质。 在极其热烈的掌声中，克鲁克斯结束了他的科学报告。大家涌上台去，更仔细地察看那些巧妙的放电管。这一系列精彩的科学实验使大家赞叹不已！阴极射线是一种带负电的粒子流，是一种前所未知的新物质。 许多科学家回去之后都装起了克鲁克斯管，想揭开阴极射线之谜。 现在要讲一下世界上最有名的实验室的工作了。英国剑桥大学有个卡文迪许实验室，是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的，创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦，他创建了电磁场理论，并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利，他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体。1884年，汤姆逊做了第三任实验室主任，他开始研究阴极射线。 卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器，有研究电磁学的光荣传统。汤姆逊在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后，设想：既然阴极射线是带电的粒子，又能够被磁场和电场偏转，那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。 汤姆逊设计了一个阴极射线管，在管子一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细缝，这样一来，通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束，直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质，或者装上照相底片。 在射线管的中部装有两个电极板，通上电压以后就产生电场。电场越强，阴极射线通过电场后偏转就越大。电场强度和偏转程度都可以测量出来。 这时候在射线管外面又加上一个磁场，这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消，结果阴极射线不发生偏转。 汤姆逊测量了在这种情况下的电场和磁场的强度，利用物理学定律计算出了阴极射线的速度。这速度非常快，大约是3万公里每秒（相当于光速的1／10）。 接着他又测量组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种带电粒子的质量非常小，大约是氢原子的质量的1／2000。 汤姆逊作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极，他测量了不同阴极上射出的带电粒子，发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体——氢气、氧气、氮气……充到管内，阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。 这就说明了一个非常重要的问题：不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的，结果都一样。也就是说，在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1／2000的带阴电的粒子。这实验是1897年10月完成的。 1897年4月30日，汤姆逊在英国皇家学会讲演的时候曾经指出：“阴极射线不是带电的原子，阴极射线的粒子应该比原子小得多。”半年之后，他证实了自己的论断。 关于电，从18世纪以来，许多科学家都在研究。他们认为电也有一种最小的粒子，并且起名叫做电子。如今，汤姆逊真的发现了这个电的小微粒——电子。 阴极射线实际是高速的电子流。后来人们又发现，炽热发光的电灯丝也会发射电子，光照在某些物质上也会发出电子，电子在各种物质中都有，它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量，它是氢原子质量的1／1837。 现在大家都公认，是汤姆逊在1897年正式发现了电子。这是19世纪末最伟大的发现之一。20世纪是电子时代，是原子时代。电子的发现为人类打开了这个新时代的大门。 要知道，汤姆逊的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂，基本原理却是一样的。在今天，你可以在看电视的时候做一下汤姆逊的实验，只要拿一块磁铁放在显像管旁边，就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。 人们不断深人地研究气体放电管，终于发现了电子。在电子发现的前一两年，还有两件伟大的发现也是与放电管的研究分不开的，这就是X射线和放射性的发现。 1896年初，一件科学发现轰动了世界各国的大学和科学院。科学家们一碰头就会询问和议论：“你看到那篇科学论文了吗？德国伦琴教授的。” “你知道吗？发现了一种看不见的射线——X射线，它能穿透各种东西！” “昨天用我们实验室里的阴极射线管作了实验，真有这种射线，奇妙极了！” 这到底是怎么回事呢？ 原来，1895年10月间，德国波恩的物理学教授伦琴在实验室内装起了阴极射线管，开始研究阴极射线。过了不久，实验室中发生了一件怪事，有一包用黑纸包得很好的照相底片全部感了光。再去买来一包新的底片放在实验室里，过了几天一检查，又都感光了。这可是从来没有发生过的事。 伦琴想：过去没发生过的事，现在发生了，现在和过去不同的是实验室内新安装了阴极射线管。是不是阴极射线使底片感光了呢？ 为了避免再发生底片自动感光的事件，11月8日晚上，他把阴极射线管用厚的黑纸包了起来，接通了电源，看了看，果然看不到射线管壁发出来的荧光了。接着他收拾了一下实验室，关掉电灯就离开了。刚走了不远，他猛然想起，阴极射线管的电源还没有关，于是他又走回实验室。 推开门以后，在漆黑的实验室里他看到有一处在闪闪发着绿光。打开电灯一看，原来是一块涂有铂氰酸钡的荧光屏。他把阴极射线管的电源关掉，再关上电灯，这时候荧光屏不再发光了。他摸黑把阴极射线管的电源重新接通，荧光屏又发光了。 真是怪事！铂氰酸钡是一种荧光物质，只有在强光照射下才会发出荧光。现在荧光屏发光，显然和阴极射线管有关。但是，阴极射线管发的光很弱，并且已经被厚的黑纸包了起来，荧光屏怎么还会发光呢？况且这荧光屏还在两米以外。 伦琴想试试是不是有什么光线从阴极射线管发出来照在荧光屏上。他把手伸在荧光屏和阴极射线管之间。果然，在荧光屏上出现了手的影子。但是仔细一看，伦琴大吃一惊！在很淡的手影之中还显出了黑色的手的骨骼的影子。手动一动，影子也动一动，骨骼也在动，非常清楚！ 面对着这个新发现，伦琴激动极了，他也不想回家了，在实验室里用各种东西放在这看不见的射线中间试验，一直搞到天亮。他发现纸片以至厚木板都挡不住这种射线，只有较厚的铅片才能把它完全挡住。 现在他清楚了，放在抽屉中的照相底片所以会感光，是因为木板和纸挡不住这种穿透力极强的射线。 伦琴几乎整天在实验室中研究这新的射线，回家也在讲他的发现。1895年12月22日，他妻子到实验室来看他的新发现。他从别的实验室拿来一片用黑纸包好的照相底片，放在阴极射线管旁边，让他妻子把手按在底片上，接着他把阴极射线管的电源接通了一会，然后把底片拿去冲洗。冲好的照相底片使他的妻子大吃一惊，这是一只手的骨骼的照片，手上戴的金戒指也显得一清二楚！ 对于这种看不见的射线，伦琴开始认为是穿透了玻璃管壁跑了出来的阴极射线。他用磁铁去试了一试，这种看不见的射线没有偏转，说明它不是阴极射线。他又猜想可能是一种光线，便让这种射线通过三棱镜，结果证明它和普通的光线不同，三棱镜不能使它发生折射。真是一种性质未知的奇妙射线！ 伦琴想起了代数中的未知数常用X来表示，所以，他把这未知性质的射线起名叫做X射线。 伦琴把他的发现写成论文，于1895年12月28日在德国的科学杂志上发表了。伦琴的发现立刻震动了世界，不仅在科学界，社会上也轰动了，各种报纸和杂志都在讲X射线，有的还刊载第一张X射线照片——伦琴夫人的手骨。 新发现的消息传到美国的第四天，就有一位医生用X射线检查了受枪伤的病人身体里有没有留下子弹。X射线能看穿人的身体，可真是医生的好助手。伦琴也就在全世界出了名。 许多人都认为伦琴真幸运，他偶然地得到了这个伟大的发现。实际上并不是这样。在当时，许多实验室都在研究阴极射线，许多实验室也都使用照相底片，底片感光的“偶然”现象必然会在这些实验室发生。例如，发明高真空阴极射线管的克鲁克斯，在当时就曾经遇到过放在实验室里的底片感光的现象，但是他当时正专心地制作各种放电管去研究阴极射线，而没想到会有什么看不见的射线在作怪，所以他认为是底片厂的产品质量不好，把坏底片拿回厂家去退换，使照相底片厂蒙受了不白之冤。 还有一位美国科学家，名叫古德斯培德，在知道伦琴的发现以后，声称他在5年前就发现了X射线。原来在1890年2月22日，他曾经偶然地得到一张线圈的X射线照片。但是在这5年中间，他并没有深人研究，只是伦琴说明问题以后，他才恍然大悟。 和古德斯培德相反，伦琴没有轻易放过实验过程中发生的似乎是偶然的现象，继续实验，深人研究，终于发现了X射线。 后来经过进一步的研究，发现X射线原来是阴极射线轰击到物质上的时候产生的。伦琴在高真空放电管中正对着阴极安装了一个金属靶子，当阴极射线集中射到靶子上的时候，就会发出很强的X射线。这种装置现在就叫做X射线管，又叫做伦琴管。 由于这一伟大发现，伦琴获得了科学界的最高荣誉——1901年的诺贝尔奖。他是第一个获得诺贝尔物理奖的科学家。 伦琴的发现引起了世界性的狂热。实验室里所有的放电管都开动起来了，医院里也纷纷装配X射线管用来给病人检查。科学家则研究X射线的性质，想解答这个“X”。甚至有些贵族也请人在客厅里安上一台放电管，在客人面前表演X射线透视，让大家彼此看看各人的骨骼。 法国科学家彭加勒详细地研究了伦琴的论文，他特别注意到论文中这样一段叙述：“X射线产生的地方恰好是克鲁克斯管壁上被阴极射线打中的地方，这部分玻璃管壁还发出强烈的荧光。” 彭加勒想：X射线既然在荧光特别强的地方产生，那么，一切发出荧光的物质，是不是都会发出X射线呢？可能不一定只有克鲁克斯管才能发出X射线。 另一位法国人沙尔听到了彭加勒的想法，立刻就去做实验。 荧光物质是这样的一种物质，在被太阳光或其他光线照射后，它本身就会发出荧光，但是时间很短。伦琴借以发现X射线的铂氰酸钡就是这种物质。荧光物质种类很多，其中最普通的就是硫化锌和硫化钙。这类物质在太阳光照射之后，拿到黑暗处，就可以看到它们发出绿色的荧光。沙尔选用了硫化锌做实验。 他把照相底片用黑纸包好，上面放上一小块硫化锌，然后放在太阳光下晒，让硫化锌发出荧光，晒过后把底片拿去显影。结果底片上真的出现了一个深色的斑点。这不就证明了彭加勒的设想对了吗？太阳光照射硫化锌，硫化锌发出荧光，同时发出X射线，X射线透过黑纸使底片感光，于是就出现了那块斑点。 1896年2月10日，沙尔在法国科学院每周一次的科学报告会上作了报告。一星期后，又有一位聂文格罗夫斯基也在科学院作了同样的报告，结果和沙尔一样，他用的荧光物质是硫化钙。 以后，法国科学院每周都有人作报告，宣布他用荧光物质得到了X射线。 这种科学发现倒是件很简单的事！只要用一张包着黑纸的照相底片，找一块荧光物质放在上面，在阳光下晒一晒，再拿底片去显影。用不了半天时间就可以写一篇科学论文，然后到科学院去作报告。这可真是便宜事，于是，大家争先恐后地去做这种实验。 这样一来，X射线就不那么神秘了。法国科学院院士特罗斯特宣称：“用不着那些复杂的电源和容易打破的放电管了。只要把一块荧光物质在强光下照射一下，就可以得到X射线。” 他的结论下得太早了，那些科学家的实验也太粗糙了。实际上，他们完全搞错了。 在从荧光物质中寻找X射线的浪潮中，有一位名叫贝克勒耳的法国科学家也被卷进去了。他的父亲老贝克勒耳是专门研究荧光物质的化学家，他对各种荧光物质也很熟悉。贝克勒耳选了一种荧光最强的物质——硫酸钾铀复盐做实验。开始，他得到的结果和沙尔一样。1896年2月24日，他在法国科学院作了题为《荧光中发生的射线》的科学报告。 他说：“用两张致密的黑纸，把澳化银照相底片包起来……在纸上面放上一种荧光物质（硫酸铀和硫酸钾的复盐），然后在太阳光下放置几小时；底片冲洗以后，在背景上出现了荧光物质的轮廓。如果在荧光物质和黑纸之间放上钱币或有花纹的金属片，那么照相底片上就会出现这些物品的形象。” 如果是一个粗心大意的科学家，他做了一次实验，匆忙地下个结论就完事了。贝克勒耳可不是这样的人。他报告了初步实验结果，回去继续做实验。他发现这种射线不仅能透过黑纸，而且能够穿透薄的金属，例如0.1毫米厚的铝箔或铜箔。 2月26日，他用金属片剪了一个花样，放在黑纸包着的底片上，上面再仔细地布满硫酸钾铀复盐。当他准备把这些东西拿出去晒太阳的时候，不巧阴天了，他只好把安排好的试验品收在箱子里。 连续几天都是阴天，太阳始终没出来。3月1日仍然是阴天，第二天科学院又要开会了，贝克勒耳只好把没有晒过太阳的试验底片拿去显影。他想，荧光物质没有强光照射是不会发出荧光的，在阴天的光线下，即使发出荧光也一定很弱；X射线是和荧光一起产生的，一定也很弱。他预计，底片不会很清楚。 出乎他的意料，奇怪的事情发生了。冲洗出来的底片显出非常清楚的金属片花样。看来这些天，荧光物质一直不停地在发出X射线。 贝克勒耳知道，只有在强光照射下，荧光物质才能发出荧光。停止照射后，荧光物质在一段时间里还能继续发光，这段时间叫做荧光的寿命。各种荧光物质的荧光寿命是不一样的，贝克勒耳用的铀化合物的荧光寿命非常短，只有0.01秒。因此，根据这次实验的结果，贝克勒耳断定：荧光物质发出X射线的时间和荧光寿命并不一致。 第二天，贝克勒耳在科学院介绍了他一周来的实验情况。对于发现的偶然情况，他提出了一个新的看法：“荧光现象中产生的不可见的射线的寿命要比荧光的寿命（0.01秒）长得多。” 过了一个星期，贝克勒耳又到科学院去作报告。这一个星期，他的实验是在暗室中做的。在暗室中，铀化合物根本不发荧光，但是照片依然很清楚，不可见的射线的强度一直没有发生变化。 大家于是议论纷纷，彭加勒的想法可能有问题，看来荧光现象和X射线并没有关系。可是以前沙尔等人用硫化锌和硫化钙做的实验，又该怎样解释呢？ 贝克勒耳回去又用硫化锌、硫化钙等荧光物质重复了别人的实验，但是无论太阳怎样晒，也没有得到预期的射线照片。他去请教特罗斯特院士。特罗斯特也做了实验，他也没有得到什么射线的照片。 试验继续了一个月，其他几种荧光物质并不发出什么不可见的射线来。但是保存在暗室中的铀化合物，还是在不停地放出不可见的射线。 这时候，贝克勒耳已经确定不可见的射线和荧光没有关系，放出不可见的射线来的，一定是硫酸钾铀复盐中的某种物质，只是还不知道到底是硫酸，是钾，还是铀。 贝克勒耳又埋头做了大量的实验。 用纯硫酸钾做实验，照相底片没有感光，证明硫酸和钾都不会放出不可见的射线。唯一的可能就是铀了。 换用别的铀化合物试试，照相底片果然感光了。贝克勒耳用各种铀化合物进行试验，结果都一样。 1896年5月18日，贝克勒耳又一次登上法国科学院的讲台，他说： “我研究过的钠盐，不论是发荧光的，还是不发荧光的，是结晶的、熔融的或是在溶液中的，都有相同的性质——不停地发出不可见的射线。这就使我得到结论：铀是主要的因素。我用纯铀粉做了实验，证明了这个结论。” 不是荧光物质，而是铀在不停地发出不可见的射线。但是，这不可见的射线是不是X射线呢？贝克勒耳告诉大家：不是！ 他用金箔验电器做了实验。 金箔验电器是装在一根金属棒端的两片极薄的金箔。用皮毛摩擦玻璃棒，玻璃棒就带阳电荷，用带阳电荷的玻璃棒接触金属棒，两片金箔也都带上阳电荷。由于同性的电荷互相排斥，两片金箔就张开了。看金箔是否张开，可以检验一种物体有没有电荷。验电器带电后，如果空气干燥，电荷就不会跑掉，金箔可以张开很久；如果空气潮湿或者有带电粒子通过，金箔上的电荷会很快地跑掉而闭合起来。 贝克勒耳用金箔验电器检查铀放出来的不可见的射线，发现张开的金箔会很快地合拢，而X射线则没有这种性质。这说明铀放出来的射线不是X射线，而是一种新的射线。这种新的射线倒有点像克鲁克斯管中的阴极射线。 铀在不断地发出一种新的不可见的射线，这似乎又是一个“偶然”的大发现。事实说明，贝克勒耳是在一个错误的假设（认为荧光物质在发荧光的同时也发出X射线）下开始进行实验的。但是由于他有正确的科学态度，能够反复实验，尊重事实，并且通过科学分析不断修正错误的假设，结果终于完成了伟大的发现。 至于沙尔等人开头做的实验又是怎么回事呢？这几个丢脸的实验，到后来连他们自己也说不清楚了。 也许他们用的底片已经感过光，或者显影液有毛病；也许他们包底片的黑纸不够厚；也许是硫化物在太阳光下分解了，生成二氧化硫或硫化氢，这些气体透过黑纸把底片弄坏了……总之，他们不仔细，又急于下结论，结果造成了错误，成为科学史上的笑柄。 贝克勒耳的发现是19世纪末最伟大的发现之一，成为人类打开原子大门的钥匙。不过，他的发现不像伦琴的发现那样立刻震动了全世界，也没有引起世界各国的普遍研究。因为当时人们认为，这仅仅是研究X射线性质的一个插曲。但是，原籍波兰的法国科学家玛丽·斯可罗多夫斯卡（即居里夫人）和她的丈夫比埃尔·居里认为这个发现很重要，他们决定研究这新发现的射线。 要研究这种肉眼看不见的射线，就得先有一种迅速而方便的侦察射线的方法。用照相底片感光的方法太慢了，太麻烦了。玛丽仔细研究了贝克勒耳的报告，她注意到了“铀盐发射出来的不可见的射线能使带电的金箔验电器放电”这段记载。 是不是能够用验电器的放电来发现不可见的射线，并且根据验电器放电的快慢来测量放射性的强弱呢？ 比埃尔·居里是物理学家，他很快地设计制造了一种既简单又灵敏的验电器。利用和验电器相联的灵敏检流计，可以很快地发现射线并测量射线的强度。他用铀化合物做了试验，这种验电器非常好用。 玛丽想：除了铀以外，会不会还有别的物质也能发出不可见的射线呢？她搜集了各种各样的化合物反复进行试验，终于找到了另一种元素——钍。钍和铀一样，也会不停地发出不可见的射线。她把这种现象叫做“放射性”。铀和钍都是放射性元素。 接着，她又仔细地研究铀的放射性。她发现，含铀多的物质放射性就强，含铀少的物质放射性就弱。她试了各种铀的化合物，包括金属铀，都证明了这一点。这就是说，可以根据放射性的强弱来测定出物质中铀的含量有多少。 但是，玛丽在应用这种方法来测定铀矿石中的铀含量的时候，出现了怪事，沥青铀矿和铜铀云母矿石的放射性比纯金属铀还要强得多。实验反复进行了20多次，一直是这样。难道是验电器出了毛病？可是用铀的化合物试验，又没有问题。这是怎么回事呢？ 为了弄清楚这个问题，玛丽在实验室里用化学方法合成了铜铀云母，主要成分和天然的铜铀云母一样。但是，人工合成的铜铀云母的放射性只有天然的铜铀云母的18％。差别在哪里呢？唯一的差别就是天然的不够纯，有杂质。这多出来的放射性，想必是由杂质产生的。也就是说，在这些铀的矿物中存在着放射性更强的未知元素。 这是伟大发现的前夜，比埃尔·居里决心放下他自己从事的物理学研究，和玛丽一起去找寻这未知的新元素。 新元素会有什么样的化学性质呢？不知道。但是他们相信，这新元素一定有非常强的放射性。 他们决定从沥青铀矿中去寻找。矿石先溶解在酸里，然后通人硫化氢气体，于是生成了许多沉淀。在沉淀中应该有铅、铜、砷、铋，而铀、钍、钡等应该还在溶液里。那么新元素到底在溶液里，还是在沉淀里呢？ 把沉淀和溶液分开，用验电器分别测量，结果是沉淀的放射性更强一些。他们把这部分沉淀又用酸溶解了，加入了新的化学试剂，把铅、铜和砷都分离出去，剩下了铋这剩下的铋就有非常强的放射性。他们已经知道，铋是没有放射性的。这证明沥青铀矿石中含有一种化学性质和铋非常相似的新元素。新元素的放射性非常强，比铀要强许多倍。 1898年7月18日，在法国科学院宣读了居里夫妇提交的科学报告，题目是《沥青铀矿内所含的新放射性物质》。为了纪念玛丽的祖国波兰，他们提议把这种和铋的性质相似的新放射性元素叫做钋（Polonium，波兰的意思）。 居里夫妇不像一些粗心的人那样，把那些溶液丢掉。他们仔细地测量了溶液的放射性强度，结果发现，溶液的放射性强度比里面含有的铀和钍应有的强度还要大，看来还可能有另一种新元素在溶液里。他们继续努力工作。 5个月后，1898年12月26日，他们又到科学院宣布发现了一个新的放射性元素，化学性质和钡相似。这就是镭（Radium，放射线的意思）。镭的放射性极强，初次得到的和大量钡混在一起的镭，放射性已经比铀大900倍（纯镭的放射性要比铀大几百万倍）！ 但是，要大家公认发现一种新元素，单靠强大的放射性是不行的，必需分离出纯的镭或是镭的化合物。 居里夫妇由奥地利搞来了8吨沥青铀矿渣。他们在理化学校的一间棚子里艰苦工作了45个月，最后，在1902年终于得到了0.1克纯氯化镭的白色晶体。 镭，这种新元素，谁也不怀疑它的存在了。这真是一种奇妙的元素，它不停地放出极强的射线。不仅如此，人们还发现镭的射线能治病，能治疗癌症。 消息传遍欧洲，传遍全世界。研究镭射线，不仅在自然科学家那里，也在医学界展开了。开始没有太多人注意的对放射性的研究，一下子在全世界形成了热潮。许多国家纷纷成立了镭学研究所来研究镭和其他放射性物质。有些国家还建立了工厂去提炼这极为宝贵的镭，以满足医疗和科学研究的需要。 贝克勒耳和居里夫妇一起，因为放射性的发现和研究，1903年得到科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。 19世纪快要过去了。 在这一世纪中，物理学确立了物质不灭、能量守恒和转化等基本定律，建立了热力学定律、电磁场理论，等等。加上早已发现的牛顿力学三大定律，物理学家可以掌握天体运行和各种物质变化的规律，他们感到很满意了。 在这一世纪开始的时候，1803年，英国科学家道尔顿根据古代希腊哲学家的原子论提出了元素、原子学说。按照这个学说，元素是构成千变万化的宇宙万物的基石，而元素的最小微粒就是原子；同一元素的原子彼此完全一样，而不同元素的原子彼此又各不相同。 在宇宙间有多少种元素，或者说，有多少种原子呢？这是在道尔顿提出他的学说以后，人们急切想弄清楚的问题。在19世纪，科学家们千方百计到处去找寻新元素。空气中、水里、地球深处，各种土壤、岩石、矿床里，他们都去找了，甚至找到太阳上。他们的工夫没有白费，果然发现了一个又一个的新元素。到了19世纪末，人们已经知道了有79种元素。 不仅如此，通过对各种元素的物理和化学性质的研究，还发现了元素性质变化的规律，这就是1869年门捷列夫提出的元素周期律。连门捷列夫预言过的一些元素也先后被发现了几个，这些元素的物理、化学性质几乎同他预言的一样。人们认为物质世界的规律已经基本清楚了，剩下的工作仅仅是补足周期表上为数不多的空位了。 然而出乎意料之外，19世纪末的几项伟大的发现，又给人们提出来不少新的问题。 按照当时公认的理论，原子是既不能创造，也不能毁灭，又不能再分割的最最基本的物质粒子。那么，放电管中的“射线”是什么呢？汤姆逊用实验回答说：是电子，并且在各种元素的原子中都有电子。这样看来，原子就不是不可再分的了！也就是说，原子不是最最基本的物质粒子了！ 放射性的发现就更使人迷惑了。铀、钍、镭等放射性元素会不停地放出强力的射线，这种射线是怎样产生的？是什么物质？尤其是居里夫妇发现的镭，就显得更加奇妙了，它不仅发出强力的射线，还能发出光来，甚至能使附近的空气的温度升高几度。难道物质能凭空产生吗？难道能量能凭空产生吗？物理学的基本定律是不是也出了问题？ 新的发现提出了新的问题，而这些新的问题把一些科学家们难住了。前面提到过的法国的彭加勒院士就是其中的一位。他把一切都看得很简单，他曾经企图解释X射线的来源，但是他错了；接下来发现了放射性，就使他更加糊涂，没法解释了。他惊慌失措地说：物理学出现了新的危机了，镭的发现推翻了能量守恒原理，电子的发现推翻了质量守恒原理，一切物理学的基本定理通通垮台了。 大多数的科学家不同意这种悲观的论点。他们相信，在新发现的这些奇妙现象后面，隐藏着一个人们还不认识的物质世界，人们当然还不了解这个新的物质世界的规律。摆在大家面前的任务不是胡思乱想，而是通过严密的科学实验去逐步地揭露这未知世界的奥秘，去总结新的科学规律。 这新的世界就在原子里面。原子不是不可再分的了，对人类紧闭着的神秘的原子的大门，已经打开了一条缝。从这条缝里跑出来了电子，还有放射线。 人类进人20世纪以后，在许多科学家的共同努力下，终于打开了原子的大门。 前面已经讲了，贝克勒耳发现了放射线，居里夫妇又作出了新的贡献。放射线本身究竟是什么呢？这正是当时科学界最关注的大问题。下面我们来讲一下另一位伟大的物理学家卢瑟福的工作。 1895年，就在伦琴发现X射线的那一年，年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国，到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。 一开始，他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后，在汤姆逊的建议下，卢瑟福立即转而研究放射线。 卢瑟福把铀装在铅罐里，罐上只留一个小孔，铀的射线只能由小孔放出来，成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线，结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住，他把它叫做“软”射线；另一类射线则穿透性极强，几十厘米厚的铝板也不能完全挡住，他把它叫做“硬”射线。 正在这时候，居里夫妇发现了镭，并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下，射线分成两束。其中一束不被磁场偏转，仍然沿直线进行，就像X射线那样；另一束在磁场的作用下弯曲了，就像阴极射线一样。 用磁场研究射线，在卡文迪许实验室里可是拿手好戏，实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国，卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀（这时他手中还没有新发现的镭）的射线。 结果，铀的射线被分开了，不是两股，而是三股。新发现的一股略有弯曲，卢瑟福把它叫做α（阿耳法）射线；那一股弯曲得很厉害的叫做β（贝他）射线；不被磁场弯曲的那一股叫做γ（伽玛）射线。 卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是： α射线的穿透本领最差，它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母，一张0.05毫米的铝箔，一张普通的纸都能把它挡住。 β射线的穿透本领比α射线强一些，能穿透几毫米厚的铝片。 γ射线的穿透本领极强，1.3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。 这三种射线是什么物质呢？ 居里用汤姆逊研究阴极射线的方法去测定了β射线，证明了β射线和阴极射线性质一样，是带阴电的电子流，只不过速度更快一些。 γ射线和X射线类似，都是波长非常短的电磁波。 α射线是什么呢？一时还不清楚。 由于α射线和β射线在磁场中弯曲的方向相反，显然α射线带的电荷和β射线正相反，α射线应该是带阳电（正电）荷的粒子流。 卢瑟福用了几年时间专心研究α射线，最后才证明α射线是失去两个电子的氦原子（氦离子）流。这段故事在下面再讲。 1899年，年轻的科学家欧文斯在卢瑟福指导下开始进行科学研究。 卢瑟福想，他自己已经研究过铀的放射性了，何不叫欧文斯研究一下钍的放射性呢！ 欧文斯用钍在卢瑟福研究铀的仪器上做实验。一开始，卢瑟福没有来。几天以后，卢瑟福听了欧文斯的报告，来到了实验室。 师徒两人都戴上大口罩，还把实验室的门窗关得紧紧的。难道他们都伤风了吗？不是。 原来，欧文斯的实验一开始就不顺利。铀的放射性强度很稳定，而钍的放射性强度老是变来变去，实验室一开门，窗口吹来一阵风，甚至呼一口气，钍的放射性都会变。所以卢瑟福要亲自来观察这个怪现象。 因为气流会影响外的放射性，所以他们关紧门窗，戴上口罩做实验。这时候，针的放射性似乎是稳定的。欧文斯故意开了开门，卢瑟福看到仪器立刻显示出放射性的变化。门关好了，放射性又慢慢稳定下来。 卢瑟福轻轻地把钍由仪器中拿了出来，奇怪的是，仪器显示出仍然有放射性存在。吹上一口气，放射性又消失了。 看来，钍似乎有传染性，它把空气传染上了放射性。但是铀为什么没有传染性呢？ 反复实验的结果，说明这种现象不是什么“传染性”，而是由于钍中放出来了一种气体。这种气体本身也有放射性，它不断放出α射线，卢瑟福把这种由钍放出来的放射性气体叫做“针射气”。 说来也巧，发现钍射气的第二年，居里夫妇指导学生多恩研究镭，发现镭也会传染放射性。这就是说，镭也在放出一种放射性气体，这种气体当时叫做“镭射气”。 卢瑟福知道了这个消息十分兴奋，立刻又去研究镭射气。他收集了两种射气进行比较，发现镭射气的放射性很快就消失了，而钍射气的放射性可以维持几个星期。 镭射气是什么？放射性消失以后，镭射气又变成了什么？卢瑟福和他的另一位同事索地应用光谱研究了镭射气。他们发现，镭射气原来是一种新的气体元素，他们给它命名为氧。镭射气在不断消失，变成了固体物质而沉积在容器的表面，同时，它又不断地产生出另外一种气体——氦。 氡是放射α射线的，氡又会不断地消失变成氦，人们很自然地推测α射线可能就是氦。但是推测不等于事实，这要用实验来证明。 做这个实验，首先要抓住α射线，然后才能检验它是不是氦。为了这个目的，卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验。 卢瑟福知道α射线可以穿透很薄的玻璃，厚的玻璃就穿不过了。他把放射α射线的物质，例如钋或氧，封在一个很薄的小玻璃管里；这个小玻璃管的壁非常薄，钋或氧放射的α射线可以穿过管壁跑出来。 他把这个管壁薄的装有钋或氧的小玻璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里，然后把大玻璃管抽成真空。 钋或氡不断地放射出α射线，α射线穿过薄玻璃管壁跑出来，但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了。α射线被抓住了！ 几天以后，在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一定数量的α射线了。在厚玻璃管两端预先封好的电极上通上高压电，管中发出黄色的辉光，用光谱仪检验，真的是氦。 α射线原来就是氦，但是并不是普通的氦原子，因为α射线是带阳电荷的。卢瑟福进一步证明，α射线是带阳电荷的氦离子流。它们一粒粒地由放射性元素内部射出来，速度非常大。因此，人人常常把α射线叫做α粒子。 卢瑟福这个实验是1909年做的。 古代希腊哲学家认为物质的最小微粒是原子。“原子”这个词，在希腊文中就是不可再分的意思。道尔顿在1803年提出：元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可再分的原子。才过了100多年，人们发现这种观点不对了，元素不是永恒不变的，新发现的放射现象正是由一种元素蜕变成为另一种元素的过程。 这可不是毫无根据的瞎说，因为人们已经亲眼看到镭中产生了氡，氡又变成了氦。 既然元素会变，那么，元素的最小粒子——原子也就不可能是坚硬的不可分割的小球了，原子一定有更复杂的结构。要弄清楚一种元素是怎样变成另一种元素的，首先要知道原子到底是什么样的。 前面已经讲了，汤姆逊发现在各种元素的原子中都有电子，可是在原子中，电子是怎样安排的呢？ 汤姆逊总结已经发现的事实，在1904年第一个提出了原子结构的理论。 他想象原子是一个均匀的带阳电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的阴电，正好和这个球所带的阳电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的阳电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的阴电荷就过多了，形成阴离子。 汤姆逊的原子模型有点像果子面包，整个面包好像一个原子，面包里的葡萄干好像电子。 人们发现，β射线就是快速运动的电子，它能够穿透几毫米厚的铝片，也就是说，电子能穿透原子。如果原子是道尔顿所认为的那样坚硬的小球的话，电子就没法穿过了。但汤姆逊用他的模型解释了这个现象，他认为，比起原子来，电子的体积是极小的，在原子里面电子之间的空隙很大，所以速度非常快的电子可以穿过空隙跑过去。这种情形可以比作一粒快速的葡萄干打穿了果子面包。 原子里面的电子之间的空隙就那么容易穿过吗？汤姆逊认为，带阳电荷的球是没有质量的，只有带阴电荷的电子才有质量。汤姆逊已经测量出来电子的质量差不多是氢原子质量的1／2000。既然原子中只有电子有质量，那么一个氢原子中就应该有差不多2000个电子。氦原子的质量是氢原子的4倍，那么一个氦原子中就会有8000个左右的电子！更重的元素的原子中的电子，数目就应该更多了。 能有这样多的电子吗？还有，α粒子也能穿过很薄的金属箔。这又怎样解释呢？ α粒子是失去两个电子的氦原子，按汤姆逊的模型，那就是一块掉落两粒葡萄干的小面包。一块小面包打在大面包（金原子）上，不管速度有多大，很难想象怎么能穿透过去。 看来，汤姆逊的果子面包原子模型有很多问题。 卢瑟福已经对α射线进行了多年的研究，他一直在考虑α粒子在穿透很薄的金箔时发生的怪现象：它们绝大多数笔直地穿过了金箔，有极少数穿过金箔之后却改变了方向。这些α粒子为什么会改变方向呢？ 高速前进的α粒子会转弯，看来是碰到了什么障碍物。这种障碍物不会是质量极小的电子，而应该是体积非常小、质量足够大的一粒什么物质。这一粒物质，就在金原子中。 于是，探究原子深处奥秘的新的科学实验开始了。 这一天，卢瑟福和他的年轻助手盖革走进实验室，还有几个学生也来帮忙。实验室里装着新设计的仪器——中间是一片金箔，正对着金箔有一个装有放射性元素的小罐，α粒子成为一小束由罐口向金箔射去。金箔周围有一个大的有刻度的圆盘，上面装着一个能够沿着圆盘转动的闪烁镜。 闪烁镜是老科学家克鲁克斯在1903年发明的。这是一小片涂有硫化锌的荧光屏，要是有一个α粒子打在屏上，屏上就会发生一个小小的闪光。用放大镜进行观测，并且数出闪光的次数，就可以推算出α粒子的数目来。 窗上的黑色帷幕放下来了。在漆黑的实验室的一角点起一根小小的蜡烛，卢瑟福和学生们一起闲谈了一会，等候大家的眼睛习惯黑暗。 “可以开始了！”卢瑟福说。 盖革坐在仪器旁边，记下闪烁镜转动的角度后，睁大眼睛看着闪烁镜。 “记数！”卢瑟福看着时间。 “1、2、3、4……”盖革数着闪烁镜中出现的闪光的次数——α粒子的数目。 过了一定时间，卢瑟福说：“停！”这时候，盖革数到58，这就是在这段时间里偏转过来的α粒子数。 闪烁镜转到新的角度，实验重新开始。 过了一段时间，盖革的眼睛酸了。于是卢瑟福坐在仪器旁观测，盖革记时间，学生们也轮流帮助他们进行观测。 他们转了一个角度又一个角度，结果发现偏转角度越大，α粒子就越少。 最后，他们把闪烁镜转到α粒子源的同一边，观测又开始了。 经过较长的沉默以后，盖革数出了“1”，又过了一段时间，才是“2” 看！α粒子不但偏转，而且还在金箔上反弹了回来。 这些现象怎样解释呢？他们进行了热烈的讨论。 1911年3月的一天早晨，盖革正在实验室里整理仪器。他的老师卢瑟福兴冲冲地进来了。 “我知道了！”卢瑟福说：“原子到底是什么样的我知道了！原子确实有核，而且核是带阳电荷的。α粒子也是带阳电荷的，所以在接近带阳电荷的核的时候，由于同性电荷相斥而偏转了。” 卢瑟福接着解释实验结果：带阳电荷的核和整个原子相比是非常小的，所以大部分α粒子穿过原子中的空当，不受核的阳电荷的斥力的影响，只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转，极个别的α粒子差不多正对着核撞去，在斥力的作用下被弹了回来。 过了几天，卢瑟福拿出理论计算公式给盖革看。他根据新的模型算出偏转到各种角度的α粒子的数目，和盖革的实验结果比较，基本上是一致的。 原子不像果子面包了，而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当，因为和原子中的情况相比，核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。 1911年10月，卢瑟福在卡文迪许实验室科学年会上作了报告。他详细介绍了他们的实验，提出了新的原子模型。他通过理论计算，证明金原子的半径是0.000000016厘米，而金原子核的半径大约只有0.000000000003厘米。他指出，原子核的体积虽然小，但是原子的质量几乎全集中在原子核上。原子的质量越大，原子核带的阳电荷就越多，外围的电子数目也就越多。 精密的实验、严格的理论，使到会的科学家人人信服，都接受了卢瑟福的新的原子模型。 现在，这个模型比当时又发展了。原来，电子绕原子核运动并不像行星按固定的轨道绕太阳转。电子在原子核外面的运动有时分布成球形；有时分布成为对称的椭球或别的形状，这叫做“电子云”。 一个新的原子模型建立了，但是还不完善，还有许多问题。 按照卢瑟福的模型，带阴电荷的电子靠异性电荷的吸引力，围绕着带阳电荷的原子核运动。但是，一些物理学家提出了疑问。 他们指出，根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。 实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢？ 曾经作过卢瑟福的研究生的丹麦科学家玻尔研究了这个问题。他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。 卢瑟福也在继续指导他的助手做实验。他们用各种方法测定各种元素的原子核所带的阳电荷数。 1913年，他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来就是原子核带的单位电荷数。当然，在原子核外面也有同样数目的电子。他把元素的原子核所带的单位电荷数叫做原子序数。 莫斯莱的原子序数，玻尔的原子模型，把元素周期律解释得更清楚了。他们的发现很重要，直到今天，全世界的中学和大学的物理、化学课本中都要详细介绍。 在周期表中还有多少空当呢？以前只能说大体上清楚，而且还说不清道理。比如，在氢和氦之间会不会还有没发现的元素？根据相对原子质量来看，氢是1，氦是4，中间可能有2和3的空当，于是就有许多人去找相对原子质量为2和3的新元素，当然他们不可能找到。 如今根据原子序数，也就是核电荷数来看，氢是1，氦是2，中间不再有空当，人们就知道，相对原子质量为2和3的新元素是不会有的。 一些新发现的元素，如钋、镭、锕和氡等都在周期表上找到了自己的位置。可是对放射性的继续研究又提出了新的问题。 这又得从头讲起。 在刚开始发现放射性的时候，人们认为放射性元素是永远不停地放射着射线的。经过进一步的研究，发现这种看法并不正确。 例如，一小管氯化镭的放射性是会慢慢减弱的。经过长时间仔细测量，发现一定量的镭的放射性，经过1622年就要减弱一半，这表示镭已经减少了一半。铀减少的速度更慢，要4510000000年才减少一半。放射性强度减弱一半所需要的时间叫做放射性元素的半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不一样的。 用测量放射性半衰期的办法，可以分辨不同的放射性元素。 在20世纪初，寻找放射性元素的科学研究在各国的实验室里进行着。 那位老克鲁克斯在研究铀，他用碳酸铵从钠盐的溶液中沉淀出来一种物质。这种物质不是铀的化合物，但是有极强的放射性，半衰期只有24天。他认为这里面含有新的放射性元素，取名叫铀X[[[1。 卢瑟福和索地在硝酸钍溶液中加上氨水，钍都沉淀了，剩下的溶液还有放射性，半衰期只有3天多。这又是一种新的放射性元素，他们给它取名叫钍X。 又有人研究镭射气，把一根金属针放在镭射气里，过了一段时间，这根金属针也“传染”上了放射性。研究的结果，是针的表面上沉积了一些放射性物质，分离开来有三种，起名叫做镭A、镭B和镭C。 几年之内，新发现的放射性元素多极了，有新钍[[[1、新钍[[[2、铀X[[[2、铀Y、铀Z、镭C′、镭D、镭E、镭F、锕X、射锕、射钍……一共三四十种，它们的放射性半衰期都不一样。 发现很多新的放射性元素当然是好事，但是周期表上可没有那么多的空位呀！ 有人认为，周期表对放射性元素是不适用的。 事实真是这样吗？ 科学家们继续研究这些放射性元素的各种性质，不仅研究它们的放射性，还研究它们各自的化学性质和物理性质。 人们发现镭会放出镭射气，钍会放出钍射气，锕会放出锕射气。这三种射气的放射性半衰期完全不一样：镭射气是4天，钍射气是1分钟，而锕射气只有4秒。但是用光谱仪检验这三种射气，发现它们都是同一种元素——氡。同一种元素应该有完全相同的性质，为什么放射性会不一样呢？ 卢瑟福的学生哈恩由钍中分离出一种名叫射钍的放射性元素，半衰期是1.9年，但是它的化学性质与钍完全一样。 又有人从钍中分离出来一种放射性元素，半衰期为6.7年，起名叫新钍[[[1，它的化学性质竟与镭完全一样。把新钍[[[1；和镭混合在一起，就再也不能用化学方法把它们分离开来了。 还有人从镭中分离出一种放射性元素，半衰期是80000年，起名叫鑀，但它的化学性质又和处完全一样。 索地根据这些新发现的事实提出了一个假说：有一些原子在质量上和放射性上可能是不同的，但是它们的化学性质完全一样。所以，这些化学性质相同而质量和放射性不同的元素，应该放在周期表上的同一位置里，叫做“同位素”。 索地的同位素假说是和卢瑟福的原子的核模型在同一年提出来的，还需要用实验来进一步证实。首先就应该“称量”一下这些同位素的原子，看看它们的质量是否真的不一样。 现在要讲讲卢瑟福的老师汤姆逊这些年在研究些什么了。 前面我们已经讲了他测量阴极射线——电子流的实验。1907年他又开始去研究那些失掉了电子的原子。 大家还记得，汤姆逊使阴极射线穿过带有细孔的阳极而成为一束，测量这束射线在电场和磁场的作用下发生的偏转，求出了电子的电荷和质量的比值。 这一回，他把仪器的高压电极反过来接，原来的阴极变为阳极，原来的阳极变为阴极。结果怎样呢？穿过带细孔的阴极也会射出一束射线。当然，这束射线是带阳电荷的，所以对应的叫做阳极射线。这是带阳电荷的粒子流，也就是离子流。 汤姆逊用和测量电子一样的方法，去测量阳极射线的电荷和质量的比值。 他在管内换用了不同气体进行测量。结果发现，同阴极射线不一样，阳极射线粒子的电荷和质量的比值，随气体的不同而不同，而以前测定阴极射线——电子，气体不同而结果一样。这说明阳极射线是失去了电子的某种原子或分子。 只要知道了离子的电荷，并且测定出它的电荷和质量的比值，就能计算出单个离子的质量。 在管内充上氢气，可以测定出失去一个电子的氢原子——也就是氢原子核的质量是： 0.0000000000000000000000017克。 这当然是极小的数值，但是比电子的质量大1836倍。 汤姆逊测量了许多气体的阳离子的质量，发现氦是氢的4倍，氮是氢的14倍，氧是氢的16倍，等等。 在卢瑟福发现原子有核的第二年，汤姆逊用上面的办法研究空气，他发现了质量是氢原子核的20倍的带阳电荷的粒子，这是氖。同时还发现了一种质量是氢原子核的22倍的粒子，这又是什么呢？ 汤姆逊换上了纯氖，结果，质量是氢原子核20倍和22倍的两种粒子同时存在。 汤姆逊和他的学生阿斯顿反复试验，最后证实了这两种粒子都是氖。 索地的预言证实了。有两种不同质量的氖原子，一种的质量是氢原子的20倍，另一种的质量是氢原子的22倍，为了区别起见，把它们写作20Ne和22Ne。 氖的同位素发现了，道尔顿的学说必须修正。同一元素的原子，在质量上并不一定是一样的。 慢慢地，已经发现的那许多放射性元素，都在周期表中找到了自己的位置。它们原来是几种元素的同位素。镭射气、钍射气和锕射气都是氡的同位素；镭A、镭C′都是钋的同位素；钍X、新钍[[[1都是镭的同位素；铀X[[[1、射钍、鑀都是钍的同位素…… 为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性呢？这就需要研究原子的心脏——原子核了。 多年来，汤姆逊兼任着剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长的职务。1919年，他辞去卡文迪许实验室主任的职务，并且推荐卢瑟福做他的接班人。 卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后，开展的第一件重大的科研工作，就是解剖原子核。 可是，一个金原子核的半径只有0.000000000003厘米，哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢？用锤子打吧，原子核又不是个核桃，要用什么样的锤子呢？为了这件事，卢瑟福想了好久。 他回想起他和盖革一起做过的α粒子散射实验。当时发现有极少数的α粒子会反弹回来，说明这些α粒子是正对着金原子核撞去的，只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使α粒子克服斥力，打在原子核上呢？这就需要两个条件。 第一，α粒子的速度要足够大，卢瑟福选用了镭C′（由镭蜕变生成的）放出来的α粒子，它的速度达到19200公里／秒。 第二，同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比，金原子核有79个单位阳电荷，所以斥力很大。要使α粒子能打到原子核上，这个原子核的阳电荷越少越好，所以要选用列在周期表前面的一些元素。 卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子，罐中放着一片涂有镭C′的小片，它不断地射出快速的α粒子。正对着这个小片的铜罐一端，有个小窗口，窗口上涂着硫化锌。如有α粒子射在窗口上，窗口就会发出闪光。 卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的α粒子，在空气中只能通过一定的距离，这叫做α粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的α粒子的射程是不一样的，镭C′放射的α粒子在空气中能射7厘米远。 在铜罐中涂有镭C′的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些，所以α粒子刚好射不到硫化锌上，在一般情况下，窗口不会发出闪光。 卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气，换上各种不同的气体来研究。 有一天，马斯登向卢瑟福报告了一个新发现：在罐内充了氢气，本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和α粒子所发出来的闪光不一样，可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢？ 用汤姆逊的方法做实验证明，这是一种穿透力很强的速度比α粒子更快的粒子。它不是别的，原来就是失去电子的氢原子——氢核。 解释是这样的：快速的α粒子正对着氢原子核碰去，就像我们弹玻璃球一样，一个球弹在另一个球上，就把另一个球弹开了；由于α粒子的质量是氢核的4倍，所以碰撞以后，氢核以更大的速度弹开去了。 这个实验证明，α粒子确实打到氢原子核上了。 马斯登继续做实验。 他换上了二氧化碳气和氧气，这时候，硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重，即使受到α粒子碰撞，也弹不远。 换上了氮气以后，窗口上又出现闪光了。难道是α粒子推动了氮原子核吗？这不可能，因为氮原子核的质量要比α粒子大两倍多。进一步的研究表明，引起硫化锌闪光的还是氢原子核。 这又是一个重大发现，卢瑟福的助手们都跑来看，大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来：这是α粒子撞击了氮原子核，从氮原子核中打出来的氢原子核。 “这是可能的。”卢瑟福说，“但是，现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混人一些氢气或水汽呢？要知道，一个水分子中有两个氢原子，α粒子打到水分子上，也会把氢原子打下来。那就是击破了分子，而不是击破了原子核。” 科学是不容许一点马虎的。 助手们开始更仔细地做起实验来。他们把氮气中的水汽和可能存在的氢气都排除干净以后，再把它充到铜罐内去做实验。结果在α粒子的轰击下，还是出现了高速的氢原子核。 氮原子核真的被α粒子打破了！ 是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们改装了仪器，又做了不少实验。结果发现，用α粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。 原子核被打破了！在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。 α粒子射中氮原子核，放出来质子，那么氮原子核变成什么了呢？α粒子又到哪里去了呢？这些问题，在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明：α粒子打到氮原子核里去了，在放出高速质子的同时，氮原子核变成了氧原子核。 这是一件非常了不起的大事。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素，希望能点石成金，他们始终没做到。而如今，在卢瑟福的实验室中，第一次实现了这个古老的幻想。 这是第一次实现的人工核反应。 1919年，卢瑟福打开了原子核，发现核里面有质子，质子就是氢原子核。看来，原子核可能是由质子组成的。 这就使人们想起100多年前的一个假说。这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的，所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说：氢原子才是最基本和最简单的物质。 他的假说发表以后，有的科学家赞成，有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。那时候，人们都相信道尔顿提出的观点：同一元素的原子，质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后，发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍，例如氯的相对原子质量是35.5，就不是整数。反对派们有实验为根据，宣布普劳特的假说是胡说八道。 到了20世纪，赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据：许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。 但是，有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍，这又怎样解释呢？ 就在卢瑟福发现核中有质子的同一年，汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开，并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素，结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。 更有意思的是，他发现各种元素的同位素的质量，差不多都是质子的质量的整数倍。 阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量，而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。 他发现氯有两种同位素：一种的质量是质子的35倍——35Cl；另一种的质量是质子的37倍——37Cl。他还测出在天然的氯中，35Cl占75.4％，而37Cl占24.6％。 天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的，那么氯原子的平均质量是多少呢？这很容易计算： 35×75.4％＋37×24.6％ ———————————＝35.5 100％ 也就是说，氯原子的平均质量是氢原子的质量的35.5倍，正好和过去测定的结果一致。 35.5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的，而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。 但是要承认普劳特的假说是科学真理，也还有一些问题没有解决。 普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的。 按照普劳特的观点，当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。 已经测定了，一个氢原子核——质子带有一个单位阳电荷，一个氦原子核——α粒子带有两个单位阳电荷，一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是，一个氦原子核的质量是质子的4倍，一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的，质量对了，但是电荷的数目不对，少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的，电荷数目对了，但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎样解释呢？ 还有一个问题：由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中，除氢之外，其他元素的原子核的质量都比质子大，从大几倍一直到大200多倍。这又怎样解释呢？ 这时候，人们想起了1913年居里夫人提出的一个原子核的模型：原子核是由阳电荷和电子组成的。显然，这阳电荷就应该是质子。 在过去，人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素，是各种原子。而现在，情况变了，人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种——质子和电子。各种元素的原子，不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来，就可以建成千变万化的物质世界。 用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢？科学家们提出了质子-电子模型： 第一号预制件就是氢，它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。 第二号预制件是氦，它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷，一个电子带有一个单位阴电荷，在氦原子核中，两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷，所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。 在原子核中，带阴电荷的电子像胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把一些困难问题都解决了。 为了更清楚地标明各种预制件的情况，人们把第一个预制件用11H表示，在左上角的1表示原子核的质量数，也就是原子核中的质子的数目，左下角的1表示原子核的阳电荷数，也就是原子序数。 第二个预制件是42He。这说明氦原子核中有4个质子，带两个阳电荷。当然为了中和多余的阳电荷，核中还应该有2个（4－2＝2）电子。 只要有质子和电子，就能搭配成各种预制件。例如，周期表上第8号元素氧是168O。显然，它的原子核要用16个质子和8个（16－8＝8）电子组成，而核外的电子是8个。 周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素，所以这种元素又分为两种原子：一种影3517Cl，它的原子核是由35个质子和18个（35－17＝18）电子构成的；另一种是3717Cl，它的原子核是由37个质子和20个（37－17＝20）电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。 这一切是多么简单啊！只要用最简单的加减法就能解决问题。 那些天然放射性元素可以看作是一些大型预制件。这些预制件不很牢固，常常会自动掉下一两块东西，就变成另外型号的预制件。 居里夫人发现的镭的符号是22688Ra，它放射出α粒子——也就是氦原子核42He，结果变成镭射气——氡22286Rn。我们可以写成一个原子核反应方程： 22286Ra→22286Rn＋42He 氡还要继续放射出α粒子，反应方程是： 22286Rn→22286Po＋42He 你们看，在反应方程的箭头两边，元素符号左上角的数目的和是相等的，226＝222＋4，222＝218＋4；元素符号左下角的数目的和也是相等的，88＝86＋2，86＝84＋2。 很清楚，一种放射性元素放出α粒子以后，它的原子核的质量数就减少4，阳电荷数减少2。结果，这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。88号元素镭放出α粒子蜕变成86号元素氡，86号元素氧放出α粒子蜕变成84号元素钋。22284Po是钋的一种同位素，最初发现时把它叫做镭A（RaA）。卢瑟福实现人工核反应用的镭C′，也是钋的一种同位素——21484Po。 放出β射线的情形又怎样呢？这也很简单，β射线就是电子1流。由于电子的质量仅仅是质子的1/1836，可以当作零，它的符号可以写成0-1e，通常简写成e-。 天然的锕是22789Ac，它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是： 22789Ac→22790Th＋0-1e 反应方程式的箭头两边：元素符号左上角的数目的和仍然相等，就是： 227＝227＋0； 左下角数目之和也相等：89＝90－1。 也就是说：一种放射性元素放出β射线后，它的原子核的质量数不变，而原子核带的阳电荷数增加1，结果就蜕变为原子序数增加1的另一种元素。89号元素锕放出β射线以后，就蜕变成90号元素钍。 那么，把α粒子打到一个原子核中去的人工核反应，情况又是怎样呢？比如卢瑟福把α粒子打到氮原子核中去，打出了质子，氮原子核会变成什么呢？按照质子-电子模型，这个人工核反应可以表示为： 42He＋147N→178O＋11H 也就是说，氮原子核变成了氧原子核。 这种原子核的质子-电子模型看来好像很合理，不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好，而且对天然放射性和人工核反应也解释了。说原子核中有电子，似乎也是有道理的，因为天然放射性元素的确会放射出电子流——β射线。 但是，进一步的研究，终于否定了这种模型。 根据上面所讲的原子核模型预测，卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗？还需要作实验证实。 科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。 云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子，盒子中的空气含有过饱和的水蒸气，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠，形成一条白色的云雾，因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后，从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。 布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室，然后拍照。他拍了23000张照片，结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上，像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹，其中有一条中途停止了（说明α粒子打到氮核里去了），然后又分为两个叉，一条细而长的是质子的径迹，另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。 新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。 德国有个青年科学家叫贝特。他想：为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢？难道就不可能放出电子（也就是β射线）和γ射线吗？那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线，并且常常伴有γ射线，但是不放出质子。 他研究了卢瑟福做的实验，注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道，α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光，但是，如果有β射线或γ射线射在硫化锌上，却不会发出闪光。因此，即使有放出β射线和γ射线的核反应发生，卢瑟福也观测不到。 卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼，他没有看到闪光，所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。 贝特想，α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去，为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢？可能打进去以后放出来的不是质子，而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子。如果真是这样，用什么方法才能观测到它们呢？ 这时候，卢瑟福的学生盖革也在德国工作，他发明了计数器，利用电子学仪器，可以测量各种射线，并计算粒子的数目或射线的强度。用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。 贝特用计数器去进行研究。他用钋作为α粒子的放射源，因为钋只放射α粒子，不放射β射线和γ射线，这就使实验简单多了。 对着α粒子源安装了计数管，由于外不发射β射线和γ射线，而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁，所以计数管没有计数。 但是，只要在α粒子源和计数管之间放上涂有锂、铍或硼的片，计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上，发生了核反应，并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。 这是什么射线呢？贝特作了测试实验。他加上电场和磁场试了试，发现射线在电场和磁场中不会偏转，说明射线不带电荷，不是β射线，也不是α粒子和质子。他又用2厘米厚的铅板试了试，射线还是穿透过去了，强度只减弱13％。他认为，这种射线是极强的γ射线。 贝特发现用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应，这是完全正确的。他认为反应结果是放出γ射线，这一点后来证明是错误的。 在法国，居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在做贝特做过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡，结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。 这个实验又转到英国，查德威克用铍发出来的射线射击氢，发现了高速的质子；射击氮原子，氮原子也被推动了，只是速度比质子小得多；射击氩，氩原子也被推动了，速度又小一些。这说明铍发出来的射线不应该是γ射线，而是具有一定质量的某种粒子。 经过反复的实验，查德威克认为α粒子打在铍核上产生的不是γ射线，而是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞，就把它们弹开了，正像他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。 那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢？查德威克根据实验结果算出来，它的质量与质子几乎一样大。 查德威克把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。 中子是人们过去还不知道的粒子，现在由铍原子核中打了出来，这说明原子核中有中子。 这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了，又多了一种——中子。 就在发现中子的1932年，人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子，它带着阳电荷，而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。 问题又复杂起来了。 中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言，他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年，德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理，指出原子核里不可能有电子；他认为原子核是由质子和中子组成的。他的这种原子核模型很快就为科学界所接受，成为今天我们所熟知的常识。 海森堡的模型不同于质子-电子模型，一些符号却仍然保持原样，不过符号的意义有所不同。 α粒子是氦原子核，仍写作42He，左上角是质量数，也就是核中的质子和中子的总数；左下角是原子序数，就是核电荷数，也就是核中的质子数；左上角数字减去左下角数字，就是核中的中子数。氦原子核是由2个质子和2个中子组成的。 同样，氯有两种同位素，3517Cl核中有17个质子，有18个（35－17＝18）中子；3717Cl核中有17个质子，有20个（37－17＝20）中子。 中子的符号是10n，左上角的1说明中子的质量是一个单位质量，左下角的0说明中子所带电荷为0。 发现中子的核反应是α粒子打到被核里，放出来一个中子。可以写成： 42He＋94Be→p--126C＋10n反应式两边的符号的左上角是4＋9＝12＋1，左下角是2＋4＝6＋0。 原子核里只有两种粒子——质子和中子，而电子只在核外面运动，原子核里面是没有电子的。因此，人们又把质子和中子通称为“核子”。 但是，问题又来了。已经知道，有些放射性元素放出β射线（电子流）。如果原子核里没有电子的话，又怎么能够放出来电子呢？再有，原子核里有中子，那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢？ 直到1950年，人们用实验证明了，自由的中子不稳定——中子有放射性，每13分钟就有一半的中子变成质子和电子。质子就是氢原子核，它是稳定的。 中子只有在原子核里，并且和质子按一定比例结合在一起的时候，它才是稳定的，原子核也才是稳定的。如果原子核里的中子偏多了，同质子不成比例了，中子在原子核里也会变成质子，同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去，立刻以极大的速度从原子核里射了出来，这就是β射线。 反过来，如果原子核里面的质子偏多了，又会发生什么情况呢？原子核里质子不会和电子结合而变成中子，因为原子核里没有电子。质子只能把原子核外面的电子俘获一个到原子核里面来。还会发生一种情况，那就是质子放出正电子而变成一个中子，这是一种新的放射性。这种放射性是小居里夫妇首先发现的。 1934年11月15日，法国科学院召开会议，一位名叫约里奥-居里的年轻科学家在会议上提出科学报告，宣布他和他的夫人伊伦·居里一起得到的重要发现。 大家还记得在36年前，正是在这个讲台上，居里夫妇宣布他们发现了放射性元素钋和镭。那时候，小伊伦还只有1岁。如今青年一代科学家成长起来了，小居里夫妇发现了人工放射性。 这个重要发现还得从头说起。 前面已经讲过，贝特怀疑卢瑟福的实验丢掉些什么没有被探测到，他们用新的探测放射性的仪器发现了新的放射现象，并且由此发现了中子。小居里夫妇积极地参加了发现中子的研究工作。 小居里夫妇想：在卢瑟福的实验中没有放射出质子的那些元素，受到α粒子轰击会放射出中子，为什么那些放射出质子的元素，不会同时放射出中子呢？ 他们仔细地重复了卢瑟福做过的实验，想看看有没有什么遗漏。 卢瑟福曾经发现，用α粒子轰击铝，就会放射出质子。这个核反应是： 42He＋2713Al→3014Si＋11H 小居里夫妇重复了这个实验，他们使用了新的探测仪器，结果发现：放射出来的不但有质子，还有中子。卢瑟福当时由于使用的仪器不同，没有发现中子。 他们进一步仔细研究，发现在用α粒子轰击铝的时候，不仅放射出质子和中子，还会放射出电子。不过这种电子带阳电荷，是正电子。 他们用一块铅板插在α粒子源和铝片之间，铝片就停止放射质子和中子了。这说明α粒子被铅板挡住了，它和铝原子核的核反应也就停止了。奇怪的是这时候铝片仍然有放射性，继续放射出正电子，不过放出的正电子不断减少，持续半小时左右，才最后消失。 1933年10月，在布鲁塞尔的国际科学会议上，小居里夫妇报告了他们的实验结果。这些结果引起了到会的物理学家激烈的争论，大多数物理学家都说他们的实验不可靠。但是一些老科学家，如玻尔，认为这个发现很重要，他们对这一对年轻人给以支持和鼓励。 小居里夫妇没有灰心，他们回到实验室继续研究。他们认为α粒子轰击铝原子核以后放出中子变成了磷的同位素，也就是： 42He＋2713Al→3015P＋10 而磷的同位素器3015P是放射性的，它会放射出正电子而变成稳定的硅同位素： 3015P→3014Si＋e＋（0＋1e） 为了检验这种想法是否正确，他们把经过α粒子强烈轰击的铝箔迅速溶解在盐酸里。铝和盐酸反应冒出了氢气，如果真有放射性磷的话，那就会生成磷化氢。磷化氢也是气体，所以冒出来的气体就会有放射性——放射正电子。 实验证实了他们的看法，气体真的有放射性。 同铝的情形相似，小居里夫妇发现，硼和镁受到α粒子的轰击会放出中子和正电子，也发生了人工放射性。 1934年11月15日，在法国科学院的会议上，他们详细地介绍了他们的实验结果。这一回谁也不怀疑了，大家以热烈的掌声通过了他们的科学报告。 以前人们只知道有铀、钍、镭、钋等天然存在的放射性元素，这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。现在，小居里夫妇发现了列在周期表前面的轻核元素也可以有放射性的同位素。它们在自然界并不存在，而是人工制造的，是人工放射性元素。 卢瑟福在他当时的条件下，发现了人工核反应，实验是做得十分仔细的，获得了非常重要的发现。但是科学并没有停步不前，不过十多年的时间，就发现他的实验还有不足的地方。在卢瑟福实验的基础上，发现了中子，又发现了人工放射性，科学又大踏步地前进了。谁也不能说自己的研究工作已经尽善尽美了。谁也不应该认为，以前的科学家已经把什么都发现了，我们已经不能有所作为了。 1935年底，小居里夫妇由于发现了人工放射性而得到了诺贝尔化学奖。同年得到诺贝尔物理奖的是发现中子的查德威克。 约里奥-居里在领取奖金的演说中预言：“我们看清楚了，那些能够创造和破坏元素的科学家也能够实现爆炸性的核反应……如果在物质中能够实现核反应的话，那就可以释放出大量有用的能量。” 核反应和释放能量，有什么关系呢？ 组成宇宙间万物的基本砖石，我们已经知道的有质子、中子、电子，还有正电子，它们的质量到底有多大呢？非常非常的小！ 1个质子的质量是： 0.000000000000000000000001673克。 1个中子的质量是： 0.000000000000000000000001675克。 1个电子的质量是： 0.000000000000000000000000000911克。 它们太小了，我们在计算它们的质量的时候，不能老是在小数点后面去画一大串0，数一大串0，为了方便起见，需要规定一个衡量它们的专用质量标准。 现在科学家统一采用的标准是碳的同位素126C的原子质量（0.00000000000000000000001993克）的1／12。把它叫做1个原子质量单位，符号是u。 1个原子质量单位（1u） ＝0.00000000000000000000000166克。 当然126C的质量是12u。按此原子质量单位计算： 质子的质量是1.00728u 中子的质量是1.00867u 电子的质量是0.000549u 既然原子是由质子、中子和电子组成的，那么，一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是，实际上并不这样简单。 那位善于测量原子核质量的阿斯顿，把他的仪器不断改进，测量得越来越准，结果问题就来了。 氦原子核是由2个质子和2个中子组成的，外面有2个电子。 氦42He原子的质量应该是： 2×1.00728＋2×1.00867＋2×0.00055＝4.033u。 可是实际测量得到的42He原子的质量则是： 4.00260u，亏损了0.0304u。 碳同位素126C的核中有6个质子，6个中子，原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是： 6×（1.00728＋1.00867＋0.00055）＝12.099u。 实际上126C的质量是12u，又亏损了0.099u。 再看铀23892U的原子，它的核由92个质子和146个中子组成，核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239.986u。但直接测量得的23892U原子的质量却是238.051u，又亏损了1.935u。 这可真是怪事！ 二加二不等于四，二加二竟然小于四！ 用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候，总是要亏损一些质量。 这些亏损的质量哪里去了呢？物质守恒定律是不是错了呢？ 我们用砖块砌墙，要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量，一定比所用的全部砖块的质量大，因为还要加上沙浆的质量。 核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了，似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。 难道质量还会有负的？ 质量不会有负的。但是在原子核里，质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢？ 在1905年，伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说，当一个过程放出能量E的时候，就会亏损掉一部分质量m，能量和质量的关系是： E＝mc2或m＝E／c2 公式中C是在真空中光的速度，约等于 300000000米／秒。 反过来，当一个过程得到能量时，质量又会增加一部分。 真的是这样吗？为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢？ 这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程，一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比，物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多，相应地引起的质量的变化也极小，因而难以察觉。 正像前面讲过的，由质子和中子合成4克氦原子核的时候，质量会亏损0.03克。这时会放出多少能量呢？按公式E＝mc2计算，放出的能量： E＝0.00003×（300000000）2 ＝2700000000000（焦耳） 但是，当把4克氢（和32克氧）燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式，这样多的氢和氧生成水后，质量会亏损多少呢？由m＝E／c2： 480000 m＝———————— （300000000）2 ＝0.0000000000053（千克） ＝0.0000000053克 这亏损掉的质量是非常小的，当然是很难察觉和测量出来的。 对比一下，用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开，而在合成4克氦原子的核反应中，放出的热量可以把5000吨水烧开，两者大小相差达到500万倍！ 反过来，如果要把氦原子核拆开成为质子和中子，也需要让氦原子核获得同样多的能量，不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量，叫做原子核的结合能。 结合能为什么这样大呢？这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。 在过去，人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力，第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后，人们发现了第三种作用力——核力。 关于核力的详细情形目前还不清楚，但是有一点是可以肯定的，就是在极短的距离之内，核力是非常非常大的。有人估计，它要比万有引力大1038倍！ 万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了，只有当核子的距离比0.0000000000001厘米还小的时候，强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些，核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。 科学家们仔细地测量了各种原子核的质量，算出了由基本粒子构成原子核的结合能。 太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢？贝特在1938年指出：在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核（同时放出两个正电子）的过程。正像上面计算的那样，在这过程中放出大量的结合能。 这是热核能，也就是核聚变能。 科学家还用计算证明，如果把重的原子核，例如铀核，分裂成两块的话，也会放出大量的能量。 1克23592U分裂成差不多相等的两块时，放出的能量如果都能转化成电能，就相当于23000度电。 这是核裂变能。 但是，怎样才能使铀原子核分裂成两块，放出这样多的能量来呢？ 从预言到成为现实，只用了不到十年的时间。 小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年，他们就制造出400多种人造放射性元素。 意大利的科学家费米认为，用α粒子轰击原子核并不是理想的办法，因为α粒子带两个阳电荷，在射到别的原子核里去的时候，同性电荷相斥，就很难射中。他决定换用中子作炮弹。 将镭射气——氧和铍粉封在小玻璃管中，氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。 费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果，前8个元素——从氢到氧，用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候，盖革计数器响了。 用中子轰击氟，生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线，也就是带阴电荷的电子流。 中子不带电，氟原子核里多了一个中子，所带的阳电荷数并不改变，只是质量增加了一个原子质量单位，所以生成的是氟的同位素： 10n＋199F→209F 这种氛同位素是放射性的，它放出β射线——电子流。当然，核的阳电荷数目就要增加，变成原子序数比氟大1的氖： 20F→2010Ne＋e- 费米继续做的试验很顺利，在氟以后的元素大都可以被中子击中，变成放射性元素，而且花样很多。 铝原子核被中子击中后放出α粒子，变成放射性钠： 10n＋2713Al→2411Na＋4==[[[2He 放射性钠放出β射线后变成稳定的镁： 2411Na→2412Mg＋e- 磷原子核被中子击中后放出质子，变成放射性硅： 10n＋3115P→3114Si＋11H 放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷： 3114Si→3115P＋e- 碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出，变成放射性碘： 10n＋12753I→12853I 放射性碘放出β射线后变成稳定的氙： 12853I→12854Xe＋e- 费米用中子做炮弹，一下子就制成许多种放射性同位素。同时，他还发现周期表中的重元素（原子序数大的元素）的核在被中子击中以后，都不放出α粒子或质子，而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。 放射β射线，也就是放射电子，放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷（也就是增加一个单位阳电荷），变成原子序数增加1的另一种元素。 铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素，它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素，但是一直没有找到。 费米想：可不可以用人工来合成铀后面的元素呢？ 他用中子轰击铀，果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后，它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素，就会生成94号元素；再轰击94号元素，又会生成95号元素。 费米做过实验以后，在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀（原子序数比铀大的）元素。它们的原子序数是93、94、95。 费米还仿照门捷列夫的办法，把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。 人工制造出了超铀元素！ 这又是一个重大的发现。几乎各国有名的原子科学家都相信费米的实验结果，相信真的制造出了93、94和95号元素，但是有一位科学家持不同的意见。 就在费米宣布制出超铀元素的那一年，《应用化学杂志》上刊登了一封来信。信中指出：“用中子轰击重核，可能使这核分裂成几个大块的碎片。当然，这些碎片必然是已知元素的同位素，而不是这重元素相邻的元素。” 这封信是德国女科学家诺达克写来的。她曾经发现了元素铼，后来一直在寻找着超铀元素。她认为费米没有制出来超铀元素，因为费米提出的新元素的化学性质，更像已知的元素。 诺达克的意见没有受到重视。当时世界有名的德国放射学专家哈恩也认为，诺达克的看法纯粹是谬论。 但是，少数人的意见并不一定是错误的。4年以后，才证明费米错了，诺达克是正确的。作出证明的恰恰是哈恩自己。 在费米宣布他的发现以后，许多支持费米的科学家都在重复费米的实验，想研究一下93、94和95号元素的性质。他们大多得到和费米同样的结果。 1938年，小居里夫妇用中子轰击纯铀，然后进行分析。他们有了新发现，在轰击过的铀中发现了元素镧。镧是57号元素，它在中子轰击以前的铀中是没有的。换句话说，镧是在中子轰击铀以后产生的。 哈恩听到这个消息以后，再也坐不住了，立刻跑到实验室里做起实验来。 哈恩和他的助手几个星期不分昼夜地做实验。他们在用中子轰击过的纯铀中又找到了钡。钡的原子序数是56，是铀原子序数92的一半多一点。 哈恩改变了自己的看法，他的实验证实了诺达克的意见：铀在中子轰击后真的分裂成为大约相等的两块。 1938年12月22日，在德国《自然科学》杂志上，哈恩发表了他的发现。 这一次，原子核真的打开了！以前的实验仅仅打下原子核的一些小碎片。这次原子核被打成两块。 人类从此开始进人利用原子能的新世纪。 一个中子能够打碎一个铀原子核。这个新的发现又震动了科学界，许多人都在进一步研究这个问题。他们发现铀核被打碎的碎片有大有小，可以生成各种元素。1946年，当时在法国的我国科学家钱三强和何泽慧夫妇发现，在中子轰击下，铀原子核还可以分裂成三块或四块。 然而最可能发生的情况是分裂成为大小差不多相等的两块。例如，一个中子打到铀的同位素23592U的核里去，这个核就会分裂成为一个钡原子核14156BA和一个氪原子核9136Kr。在这同时，还会放出3个中子。 这可是合算的事！一个中子打碎了一个23592U的核，同时又放出了3个中子。这3个中子又可以打碎另外3个23592U的核，同时各放出3个中子，一共9个中子。9个中子又能打破9个23592U的核，放出27个中子……也就是说，一个中子可以打破无数个23592U的核。前面已经说过，铀原子核破裂就会放出大量的能量——原子核能来。如此说来，23592U好比是火药，中子好比是小火星，一个小火星就会使一块火药着火爆炸，一块23592U碰到一个中子也会爆炸。 可是，科学家们过去用大量中子轰击铀片，并没发生爆炸。这又怎样解释呢？ 原来天然的铀有三种同位素——23592U、23592U和23592U。其中23592U的量非常少，只占十万分之五；99％以上是23592U；23592U也很少，只占0.7％。受到中子撞击立刻发生裂变的只是23592U的核。中子可以打到23592U的核中去，但不会立刻发生裂变。所以，中子轰击天然铀的时候，打中23592U的核的机会很少；23592U的核裂变时产生的中子，也不会都击中别的23592U的核。 如果全都是23592U，情况怎样呢？会不会爆炸呢？会！但是有个条件，那就是23592U裂变之后放出来的更多的中子，也要能击中别的23592U的核才行。这就需要有足够多的23592U的核。 这好比我们闲着眼用枪去射击树干。如果只有稀稀落落的几棵树，子弹大半穿过树和树间的空隙，射中树干的机会一定很小。如果在密林里，那就会弹无虚发，所有的子弹都射在树干上。 铀的裂变也是一样。23592U的量要是不够多，不论是中子源发射出来的中子，还是23592U核裂变产生的中子，大部分没有等到击中铀核，就已经逃离了这块铀，因为铀原子核间还是有很大空隙的。在这种情况下，就不能引起越来越多的铀核裂变。如果23592U的量足够多，中子就跑不掉了。这时候就会出现一种可怕的场面：全部铀原子转眼间都分裂，放出极大量的能量，以致引起爆炸。大家都知道，这就是原子弹爆炸，更确切地说，这是核爆炸。 能达到核爆炸的最低限度的23592U的量，大约是1千克左右，这叫做临界质量。 原子核打开了。人们得到的不仅仅是关于原子核是怎样构造的知识，更重要的是解放出来极为巨大的能量——核能。 世界名著《一千零一夜》中有一个故事：一位渔夫在海里捞到一个钢瓶，他打开瓶塞想看看里边有什么；结果出来一个魔鬼，差一点把渔夫害死；最后，渔夫靠他的智慧终于驯服了魔鬼。 人类打开原子的故事有点相似。开始的时候大家只想打开原子看看它到底是怎样组成的，结果，打开了原子的大门以后，却放出来了一个魔鬼——原子弹。 当然，我们不能让这样的魔鬼杀害人类自己，而是要驯服它，让它为我们服务——利用原子能发电、开动机器等等。 关于人类怎样驯服了这个魔鬼，这魔鬼又怎样为人类服务的故事，就不是我们这本书所要讲的了。 上面我们讲了老一代的科学家们如何通过科学实验，逐步打开原子大门的故事。当然，故事没有讲全，也不可能讲完。 虽然原子的大门被打开还只有几十年，它引起的变化却胜过了人类历史的几千年。它标志着科学技术的发展进入了新的时代。 由原子中头一个分出来的是电子。自从掌握了电子运动规律，人类生活起了多大的变化啊！没有电子管就不会有无线电广播，更不用说电视了。当然还有电子计算机、自动控制、宇宙导航……这都是1897年发现电子以后的丰硕果实。因此，人们常说，20世纪是电子时代。 原子核被打开了，在原子的心脏里取得了更为宝贵的财富——原子核能。这将是取用不竭的新能源。所以人们又说，20世纪是原子能时代。 过去认为原子是组成宇宙万物的基本粒子。后来原子被打开了，人们又认为组成原子的质子、中子和电子是基本粒子。现在，科学家们发现基本粒子的种类远不止这几种。除了已经提到的正电子以外，还发现有μ介子、π介子、K介子、J粒子……到目前为止，已经发现有几百种。它们的质量、电荷等性质各不相同。它们的发现故事还可以再写几本书。 其中最有趣的是发现了反粒子，例如正电子就是电子的反粒子。后来又发现了反质子，它与质子的质量一样，但带的电荷正好相反——带阴电荷。可以想象，一个反质子和一个正电子也可以构成一种氢原子——反氢原子。反质子和中子还可以构成各种各样的反元素的核，形成各种各样的反物质。当然，在我们现在生活的世界——正物质世界中，反物质是难以存在的，因为实验证明，反物质与正物质相遇就会爆炸而转化成巨大的能量。但是谁能断定，在无穷的宇宙中不会有反物质的世界存在呢？ 现在谁也不敢说，这些“基本粒子”我们都认识清楚了；谁也不敢说，这些“基本粒子”是不可再分割的了。世界各国的科学家建造了各种复杂的仪器去寻找新的粒子，他们使这些“基本粒子”以极高的速度相互碰撞，企图打开“基本粒子”的大门。这是一场新的科学会战。 物质世界是无穷的，人类的认识是无穷的，科学的发展也是无穷的。 为了说明原子核反应，让我们来看几场核子台球戏。在这种台球游戏中，台球桌面不是平坦的，上面有一座一座的小火山，火山顶上的火山口就是我们要把台球打进去的地方。火山口里面就是原子核。台球有三种，一种是红的——质子，一种是白的——中子，还有一种大球，是由2个红球和2个白球组成的，这是α粒子。 这个台球桌上的小火山的高度随元素的不同而不同：原子序数越大，火山就越高；火山的高度和原子核的电荷的斥力成正比。 第一个玩这游戏的是卢瑟福，他打的是大台球，他选的目标是一个比较高的火山口——金的原子核。 卢瑟福和他的学生盖革轮流打台球。大多数的球都从火山的旁边笔直地滚过去了，有少数台球爬上山坡的一侧，转一个方向又溜下去了。只有极少数正对着火山口滚去，可惜球的速度不够快，火山又比较高，所以爬到半山腰就倒退了回来。 他们一个球也没有打到火山口里去。但正是他们首先发现火山口的存在，并且探知，要把台球打进火山口是很不容易的：不仅要对准，而且要使足了劲打，不然的话，台球滚不上去。 这是第一次游戏。你们当然知道，这就是卢瑟福的α粒子散射实验。他发现了原子有一个带阳电荷的很小的核。 后来，卢瑟福又带他的学生马斯登和查德威克来玩台球或。他们打的还是大球，但比上一次用劲了；选择的目标是那些最低的火山口。这一次他们成功了。 马斯登第一个把大球打到氮的火山口里去了。大球笔直地冲上山坡，越爬越高，最后爬上山顶，掉进火山口里。这时候，奇怪的事发生了：从火山口里跳出来一个红球，沿着山坡滚下去了。 卢瑟福对这次成功极感兴趣，他和查德威克也把大球打向选定的目标。他们往氖、镁、硅、硫、氯、氩、钾的火山口里都打进去了球，接着火山口里也都跳出来一个红球。他们还想往更高的火山口里打球，但是力气不足，球始终没有爬上山去。 这次游戏结束了，他们相信在火山口里一定有红球——原子核中有质子。 大家都知道，这次游戏就是卢瑟福等人发现人工核反应的实验。 后来，这种游戏越来越普遍了。许多科学家都在玩这种台球戏。30年代初，在这种游戏中出现了德、英、法三国对抗的局面。 德国贝特在这种游戏中把大球打到锂、铍和硼的火山口里去，他看到似乎有什么东西由火山口里跳出来，滚走了。法国的小居里夫妇来玩台球，结果也一样，但是他们也没看清楚跳出来的是什么东西。最后，打台球的老手英国查德威克来了，他一下子就把大球打到铍的火山口里，接着他就抓住了由火山口中跳出来的球。原来是个白球，大小和红球几乎一样。这可是新发现，在火山口中除了红球以外还有白球——中子。 这次比赛，英国的查德威克胜利了。他抓住了白球——发现了中子。 小居里夫妇对这种游戏着了迷，他们不断地向铝的火山口里打进去大球。结果发现，大球落进了火山口，立即跳出来的可能是红球，也可能是白球。 休息的时候，他们还在看着这些火山口。突然，在跳出过白球的火山口里又跳出来一个小红球，飞快地滚走了。快捉住它！他们捉住小红球仔细一看，原来是正电子。 大家都清楚，这次游戏就是小居里夫妇发现人工放射性的实验。 接着，费米来玩台球戏了。他打的台球是白球——中子。台球桌也不一样了，火山不见了，进球口就在台面上。这样的台球桌适用于白球——中子，因为中子不带电，不需要克服原子核的电荷对它的斥力，不需要爬坡。 费米的游戏比过去的玩法简单得多了，只要对准台面上的进球洞口，把白球打过去就行了，球的速度快慢没有关系。费米向各个洞里都打了白球。 他发现，头几个洞中打进去白球就像石沉大海，没有什么东西跳出来。以后的洞情况就不同了。有时候，白球进去红球出来。有时候，白球进去大球出来。而大多数情况下是白球进去以后，过一段时间跳出来一个小蓝球。这小蓝球不是别的，原来就是电子。 人们不禁要去张望一下火山口里的情况了。原来，火山口里像一只光滑的杯子，里面有若干个红球和白球。这些球在杯子里面悠哉游哉地荡来荡去，你碰我一下，我撞他一下，但是速度都不大，哪个球也爬不出火山口。 忽然，从火山口上掉下来一个大球，这大球掉进火山口就散开成两个白球和两个红球。这不速之客的到来，打乱了火山口里的正常秩序。各个球纷乱起来，乱跑乱撞，最后有一个红球或白球被几个球同时一撞，就爬上了火山口的边缘滚了出来。在这以后，剩下的球又平静下来。 人们原来以为火山口内一定会有小红球和小蓝球（正电子和电子）。看了以后才发现，火山口内只有红球和白球而没有什么小球。 人们发现，在周期表前面几个元素的火山口里，红球和白球的数目差不多一样多，白球也可以略多一点。譬如氧的火山口里就有8个红球和8个白球，这时候火山口里显得很稳定。如果再增加一个或两个白球，火山口里还是比较平静，不会发生问题。如果白球再增加一个，火山口里达到8个红球和11个白球。这时候，火山口里就动乱起来，突然，一个白球变成了红球，同时产生一个小蓝球；小蓝球的速度非常大，立刻爬上火山口滚了出去。以后，火山口里又平静下去，不过这时的火山口已经变成了氟的火山口。 如果火山口里红球多了怎么样？这时也会发生动乱，动乱的结果不是把多余的红球赶出火山口，就是这红球突然一下子变成了白球，同时产生一个小红球，飞快地滚出火山口。 在后面的火山口里，球的数目越来越多。白球的数目大约要比红球数目大半倍才能稳定下来。例如汞的火山口里就需要有80个红球和120个左右的白球。 在最后的几个大火山口里有200多个球碰来碰去，即使外边没有球打进来，由于内部的相互碰撞，也可能忽然把两个红球和两个白球一起挤出火山口，形成一个大球滚了出去。这就是天然放射的α粒子。 在挤出去两个红球和两个白球以后，火山口里的红球和白球比例又不太合适了，白球似乎稍微嫌多了一点。这时候，过多的白球就会突然变成红球，同时，放出去一个小蓝球。这就是天然放射的β射线。 好了，对核子台球戏我们暂时就介绍到这里为止。 当然，这只是一种极为简单的模型。大家不要认为原子核构造和原子核反应真像这个游戏中介绍的那样简单。例如，火山的半山腰就会有条隧道直通火山口里，有时候，外面的球不需要爬上火山口，在半山腰钻过隧道就可以进去。同样，火山口里的球也可以穿过隧道跑出来。当然出现这种情况的机会是很少的。 原子核物理学家们曾经提出来过各种各样的原子核构造模型。有的认为在原子核内，质子和中子是一层一层的，并且绕着共同的重心旋转；也有的认为原子核像一个液体油滴，等等。到底什么样的模型更符合实际，现在还在研究，还没有最后解决。 ------------------ allan9扫描校对 || //www.qiuzao.com |
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