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赫兹发现电磁波 |
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1893年12月7日，波恩大学教授，著名的德国物理学家赫兹抱病坚持上完一生中的最后一堂课。第二年的元旦这天，便英年早逝了，年仅37岁！ 赫兹的一生虽然短暂，但他发现电磁波的杰出贡献，却一直为后世传诵。1887年，赫兹首先发现并验证了电磁波的存在。当时，年仅29岁。赫兹的重大发现，不但为无线电通信创造了条件，并且从电磁波的传播规律，确定电磁波和光波一样，具有反射、折射和偏振等性质，验证了麦克斯韦关于光是一种电磁波的理论推测。19世纪60年代，麦克斯韦提出电磁场的理论，并从理论上推测到电磁波的存在，可惜他也是英年早逝，只活了48岁，未能用实验来证明自己推测的正确性。当时，没有人能理解麦克斯韦的学说，因此，他的功绩生前并未得到重视，直到他死后近10年，赫兹发现并证明了电磁波存在后，人们才意识到麦克斯韦理论的重要性。 如果把电磁理论的建立比做一座宏伟的大厦，那么，为这座大厦奠定了坚实地基的是法拉第；在坚实的地基上建成这座大厦的是麦克斯韦；为这座雄伟的大厦进行内部装修，使它能够最后被人们广泛使用的是赫兹。人们为了纪念这位年轻的科学家为人类做出的不朽功勋，用他的名字来命名物理学和数学的一些概念，如“赫兹波”、“赫兹矢量”、“赫兹函数”等，并采用“赫兹”作为频率的单位。 1857年2月22日，亨利希·赫兹生于德国汉堡一个富裕的市民家庭里。他的父亲是个律师，后来当选为参议员。 赫兹小时候先在私立学校读书，后来才转进市立学校学习。1875年毕业于约翰奈斯中学。赫兹在少年时代就显示了自己非凡的聪明才智，以及出众的实验才能。由于他超群的天资和刻苦钻研，在校时各门功课均名列前茅，不仅数学、自然科学、英语、法语等必修课，就加阿拉伯语等选修课成绩也很突出，以致他的老师建议他去学东方学。老师给他的毕业评语是：“这位中学毕业生具有敏锐的逻辑，可靠的记忆和叙述问题的灵巧。缺点是讲话有些单调。” 赫兹少年时期就非常喜爱动手做实验，开始进行一些简单的自然科学实验，特别喜欢做力学和光学实验。为了提高自己的动手功夫，他便利用课余时间去向一位细木工学习手艺，还去向车工师傅学习车工技术，练就了一双灵巧的手。星期天，赫兹从来不休息，他在学校里学习制图。有趣的是，后来当他的车工师傅得知赫兹当了物理学教授的消息时，曾带着惋惜的口吻赞叹道：“唉！真可惜！赫兹本该是一个多么出色的车工啊！” 中学毕业后，赫兹认为自己将来适合当一名建筑工程师。于是，1876年春，赫兹考入了德累斯顿高等技术学校，学习工程学。这年秋天，赫兹应征入伍，在柏林铁道兵团服兵役一年。第二年秋天服役结束后，赫兹进入慕尼黑大学，继续学习工程学。在这里，他有机会聆听了著名物理学家菲力浦·冯·约里的物理课和数学课。菲力浦·冯·约里曾是诺贝尔物理学奖获得者普朗克的老师，他深入浅出的讲授，深深吸引着他的学生们，也挑动了赫兹的好奇心，使赫兹对物理学和自然科学产生了极大的兴趣。 赫兹征得父亲同意后，弃工从理，专门攻读物理学和数学，拜约里为师。在导师的指导下，赫兹认真刻苦地钻研法国著名数学家、物理学家、天文学家拉格朗日、拉普拉斯、泊松等人的经典著作和科学史，特别仔细地阅读了拉格朗日的《分析力学》、《解析函数论》；拉普拉斯的《概率论的解析理论》；以及泊松的《热的数学理论》等数学专著，为自己今后的科学发现奠定了坚实的理论基础。 当时，著名的数学家和物理学家亥姆霍兹和基尔霍夫都在柏林大学授课，为了能够听到这两位著名教授的课，赫兹申请转入柏林大学学习。从此，成为亥姆霍兹和基尔霍夫的得意门生。亥姆霍兹是能量守恒和转换定律的奠基人之一，他以科学家特有的敏锐眼光很快就发现了这位年轻好学的大学生的卓绝才能，并决定从各方面培养赫兹。亥姆霍兹说：“还在他进行基本的实际操作时，我就感到自己有责任培养这位天赋非凡的学生。”在导师的指引和帮助下，加上赫兹本身的顽强拼搏，努力探索，终于也成长为一名著名的物理学家，最早发现了电磁波。因此，赫兹终生都对自己的导师怀着深切的感激之情。 1879年暑假前，亥姆霍兹为柏林大学哲学系学生出了一道物理竞赛题，这个题目要求用实验来证明：沿导线运动的电荷是否具有惯性。赫兹兴致勃勃地参加了比赛，取得了最好的成绩。柏林大学校长爱德华·策勒尔亲自授予赫兹一枚金质奖章，这是赫兹一生中获得的第一枚奖章。 1880年3月15日，赫兹在亥姆霍兹指导下，以《旋转球体中的感应》的论文，取得了优异成绩，获得了博士学位，留在亥姆霍兹研究所，给亥姆霍兹当了两年半助手。在这期间，赫兹潜心钻研了有关热力学、弹性理论、固体和蒸发等理论问题，并进行了大量实验，发表了近20篇论文。同时，他还帮助亥姆霍兹指导实习生。 1882年，赫兹开始研究稀薄气体中的光现象。为了使实验更加精确，赫兹亲手制作了许多实验仪器，如电功计、湿度表等，花费了大量时间，他后来写道：“我几小时几小时地做的工作是：一个接一个地钻孔，弄弯白铁皮，然后再花几个小时油漆白铁皮，凡此等等。”1883年5月，赫兹发表了辉光放电的论文。赫兹的研究实际上是关于阴极射线的研究，为后来伦琴射线的发现开辟了道路，并由此揭开了物质结构之谜。然而，遗憾的是赫兹生前未能看到那些由他的研究而引起的令人兴奋的重大发现。 后来，赫兹接受基尔霍夫教授的建议，转到基尔大学，担任数学物理讲师。在基尔大学任教期间，赫兹除了认真讲课外，还用了很多时间专心致志地钻研电动力学。1884年秋，赫兹被聘为卡尔斯鲁厄高等技术学校物理学教授。他开始攻克几年前亥姆霍兹提出的柏林科学院悬赏奖的问题。 1879年，亥姆霍兹在综合了当时电磁学的研究成果，特别是麦克斯韦电磁场理论的基础上，以“用实验建立电磁力和绝缘体介质极化的关系”为题，设置了柏林科学院悬赏奖。这个问题的关键是要用实验来证明麦克斯韦的位移电流存在的重要理论。赫兹认为麦克斯韦的理论是正确的，但是如何用实验来证实电磁波的存在呢？他对这个难题进行了无数次实验，均未取得什么成效。然而，赫兹并没有灰心，一直思索着解决这道难题的办法。 为了解决这个悬而未解的问题，赫兹除教书以外，全部时间都耗在学校实验室里。在卡尔斯鲁厄高等技术学校的物理实验室中，有一种叫黎斯螺线管的感应线圈，这种仪器有初级和次级两个线圈，它们是相互绝缘的。在实验中，赫兹发现：若给初级线圈输入脉冲电流，次级线圈的火花隙中便有电火花发生。这种现象立即引起了赫兹的注意，他敏锐地感到，这是一种与声共振现象相似的快速电磁共振过程。他想，电火花的往返跳跃表明在电极间建立了一个迅速变化的电场和磁场，因为根据尚未被实验证明的麦克斯韦的电磁理论，变化的场将以电磁波的形式向周围空间辐射。赫兹断定：次级线圈中火花隙中的电火花，是因为初级线圈电磁振荡，次级线圈受到感应的结果。 为了用实验来证实麦克斯韦高深莫测的电磁场理论，验证电磁波的确存在，赫兹精心设计了一个电磁波发生器，对“电火花实验”进行了一系列深入的研究。赫兹用两块边长16英寸的正方形锌板，每块锌板接上一个12英寸长的铜棒，铜棒的一端焊上一个金属球，将铜棒与感应圈的电极相连。通电时，如果使两根铜棒上的金属球靠近，便会看到有火花从一个球跳到另一个球。这些火花表明电流在循环不息，在金属球之间产生的这种高频电火花，即电磁波，麦克斯韦的理论认为由此电磁波便会被送到空间去。赫兹为了捕捉这些电磁波，证明它确实被送到了空间，他用一根两端带有铜球的铜丝弯成环状，当作检波器。他把这个检波器放到离电磁波发生器10米远的地方，当电磁波发生器通电后，检波器铜丝圈两端的铜球上产生了电火花。这些火花是怎样产生的呢？赫兹认为：这便是电磁波从发射器发出后，被检波器捉住了；电磁波不仅产生了，而且传播了10米远。 1887年11月5日，赫兹将他发现电磁波的研究成果总结在《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》一文中，寄给了亥姆霍兹，论文中用实验证明了麦克斯韦的电磁场理论。亥姆霍兹一口气读完了论文，非常高兴地立即写信给他的得意门生：“手稿收到。好！星期四手稿交付排印。”仅过3天，赫兹就收到了老师的这封复信。谁也没有料想到，赫兹竟用如此简单的自制仪器验证了麦克斯韦如此深奥的电磁场理论，赫兹的论文出色地解答了1879年亥姆霍兹提出的悬赏难题，由此荣获柏林学院的科学奖。从此，电磁波的存在得到了确认，再也没有人怀疑了。 从此以后，赫兹便专门从事电磁波的研究，他发现，电磁波可以毫无阻碍地穿过墙壁，不过遇到大而薄的金属片便被阻挡住了。他还测定了电磁彼的波长，并计算了电磁波的传播速度，发现它在真空中的传播速度和光一样快。 赫兹测量电磁波传播速度的实验，选择了一个长、宽、高分别为15米、14米、6米的教室。在离波源13米处的墙面上安装了一块4（米）×2（米）的锌板。当从波源发射出的电磁波经锌板反射后，在空间便形成了驻波。赫兹先用检波器测出电磁波的波长，再根据直线振荡器的尺寸算出电磁波的频率，最后，用驻波法精确地测量了电磁波的传播速度。1888年1月，他完成了《论电动效应的传播速度》论文，并把论文寄给了老师亥姆霍兹，赫兹在论文中肯定了电磁波的传播速度等于光速，赫兹的这篇论文发表后，受到全世界科学界的瞩目。后来发现X射线的伦琴教授写信向赫兹祝贺，赞扬他的这些实验是近几年物理学中最优异的成果。 接着，赫兹又进行了电磁波的反射、折射、偏振等一系列实验，证明了电磁波与光波一样，具有反射、折射和偏振等物理性质，他撰写了《论电力射线》一文，论证了电磁波与光波的同一性。现在我们常说的无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线都是电磁波。 赫兹的这些突出的成就获得了当时科学界的高度评价。他的恩师亥姆霍兹赞扬说：“光——这种如此重要的和神秘的自然力——与另一种同样神秘的或许更多地应用的力——电——有着最近的亲缘关系，令人信服地证实这种现象无疑是一项重大的成就。现在，人们开始懂得，那些曾设想是远距直接作用的力是如何通过一层中间介质作用于最近一层介质的途径而传播的，这一点对理论科学来说可能更加重要。” 从1888～1892年，年仅三十几岁的赫兹，相继被聘为柏林科学院、剑桥哲学学会、曼彻斯特哲学学会等重要学术团体或组织的成员，并先后受到维也纳科学院、法国科学院、英国皇家学会、都灵科学院等的嘉奖，表彰赫兹对人类做出的杰出贡献。 找到了中子 根据对原子核模型的预测，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？这还需要进行实验证实。 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汽，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸汽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轨迹。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一般都会放出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，也没有看到闪光，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，不发射β射线和γ射线，这便使实验简单多了。 对着α粒子源安装了计数管，由于钋不发射β射线和γ射线，而发射出来的α粒子又芽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、铍或硼的原子核上，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作过的实验。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撞击氢，发现了高速的质子；撞击氮原子，氮原子也被推动了，只是速度比质子小得多；撞击氩，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。查德威克便把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。 中子是人们过去从不知道的粒子，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结构不只是质子和电子两种了，而多了一种——中子。 镭和钋 1867年11月7日，玛丽·居里出生在波兰华沙一个非常和睦的知识分子家庭，原名玛雅·斯可罗多夫斯卡，是家里5个孩子中最小的。她的父亲是华沙高等学校的物理学教授，母亲是一所女校的校长。玛雅·斯可罗多夫斯卡长着一头金色的卷发，健康、聪明，记忆力惊人。虽然她比同班同学小两岁，但很快成为西科尔斯卡女士私立小学中出类拔萃的学生。她喜欢钻进父亲的工作室，那些仪器、试管、矿物标本，甚至验电器都使她着迷。她沉浸在知识的海洋中，各科成绩总是名列第一。中学毕业时，她获得了1枚金质奖章。进入巴黎大学后，她更加勤奋地学习，以优异的成绩先后取得物理学和数学硕士的学位。她心中只有一个信念：学习，学习，顽强地学习前人总结的一切经验，把一生献给自己唯一的爱好——科学。 大学毕业后，在一个实验室里，玛丽结识了才华横溢的法国科学家比埃尔·居里（1859～1906）。当时比埃尔已经是一位有名的物理学家了，担任巴黎化学和物理学院的实验室主任。在他们相识的第一个夜晚，玛丽和比埃尔围绕石英晶体展开了饶有趣味的科学对话。玛丽后来回忆说：“我喜欢他那种从容不迫、想了再说的谈话方式。我也喜欢他的纯朴，以及他既严肃又充满朝气的笑容。我们开始谈论科学……不知不觉中，我们已经成了朋友。”比埃尔和玛丽一样，对舒适的物质生活漠不关心，一心衷情于科学实验。比埃尔的求婚是以真正的科学方式进行的。求婚者的第一件礼物是比埃尔自己撰写的一本小册子，题目为“论物理现象中的对称原则，电场和磁场的对称原则”。在爱情面前显得有些笨拙的比埃尔，给玛丽写了一封发自肺腑的信： “让我俩终身相伴，以谋科学及人类之福利，这事业是何其伟大啊！”一封没有甜言蜜语，没有赞美之词的求婚书，更激起了玛丽的无限敬意。玛丽接受了比埃尔的求婚。 1895年7月26日，天高气爽，阳光明媚。玛丽和比埃尔在巴黎郊区梭镇的市政厅举行了“一切从简”的婚礼，既没有牧师，又没有律师，连结婚戒指也没有。婚礼和传统的不同，蜜月更加别开生面，新婚夫妇各骑一辆坚固的自行车，在法国乡村作了一次骑自行车的蜜月旅行。婚后，夫妇俩开始携手进行科学研究。后来，玛丽的女儿艾芙·居里在那本杰出的传记《居里夫人传》中说他们是“两颗心一起跳动，两个身躯结合成一体，两位天才的智能共同思想”。 婚后，玛丽接连生了两个女儿，但仍然不放弃她的物理学博士学位的学习，发表了有关回火钢的磁化问题的专著，获得一笔科研奖金。在剩余时间里，她同丈夫合作，协助他所进行的实验。医生们警告她注意左肺上的结核性病灶，并建议她去疗养院休养。但是玛丽执意不肯去，她太专心她的实验室工作了。这时，她和比埃尔对亨利·贝克勒尔的实验都发生了兴趣。贝克勒尔是位杰出的法国物理学家，在检验一种稀有金属——铀盐时，发现它发射出一种显然能透过不透明物体的光线。贝克勒尔把一种铀的化合物放在一块外面包着黑纸的照相底片上，发现铀的化合物已经透过黑纸在底片上留下了放射痕迹，照相底片颜色变黑了。他的观察结果表明：这是一种新型的发自固体物质内部的辐射，这种辐射能够使验电器放电。这是人类第一次观察到某些奇异光线的穿透力。这种辐射的特性和来源是一个令人神往的谜，这种能通过不透明物质的神秘的穿透力的本质是什么？这种奇怪的能源又从何而来？这些疑问强烈地吸引着玛丽和比埃尔·居里，玛丽决意去研究铀的辐射。这就是发现和研究镭的开始。这是一条漫长而险峻的科学之路，它使这对夫妇付出了毕生的心血和代价，以最大的勇气和超凡的想象力，以百折不回的毅力，终于达到了目的。 从研究一开始，他们就遇到种种困难。玛丽唯一能得到的实验室是理化学院的一所破旧的木棚。夏天，房间闷热得像个蒸笼；冬天，温度常常在零度线上下。不过，总算有了进行科学试验的场所，这位弱小的肺病患者奋不顾身地开始探索人类尚不知道的秘密。她用比埃尔·居里发明的测量电的精确方法，迅速投入了研究工作。首先，必须测量出铀射线的电离功率。她用极为简陋的工具，检查了铀的特性，发现这种金属神秘的放射现象不受光照、温度及铀化合物的化学状态的影响。她渐渐地确信，辐射现象来自原子的一种放射性能。她想：也许铀还不是唯一具有放射性的化学元素，为了测试辐射是否会发生在其他地方，她细致入微地检测了每一种已知的元素，包括单质状态和化合物状态的，发现钍的化合物也会发射出像铀那样的射线。她开始对散发射线的能量使用“放射性”这一术语。 接着，玛丽检测了内含钍和铀的矿石——沥青铀矿、硫铜矿和天然氧化铀，对它们进行了静电试验。在测量它们的放射性时，她发现其中的放射性要比预计存在钍和铀含量中的强得多。她把已知的化学元素一一检测过，没有发现任何元素有这样强大的放射性。经过无数次实验之后，玛丽得出一个惊人的结论：在这些矿物质中存在着一种威力强大的放射性物质。她断定这种物质是一种新的元素。1898年4月12日，玛丽在给科学院的一份报告中宣布，在沥青铀矿中可能存在着一种新的威力强大的放射性元素。玛丽·居里正在开创原子时代。 在这个时刻，比埃尔暂时停下自己对结晶体的研究，开始与年轻的妻子同心协力，共同探寻这一新的元素。经过千百次试验之后，他们发现，正在探寻的这个新元素的含量是微乎其微的，仅占沥青铀矿的百万分之一！这一天，她心情激动地去看她的姐姐。“你知道吗，波萝妮亚，”她说，“我所不能解释的那种射线是一种新的化学元素发出来的。它就在那里，我要把它抓出来！” 首先，居里夫妇采用化学分析法：用酸和氢硫化合物把沥青铀矿中的所有元素分离出来。然后，迅速、准确地测量每种分离物的放射性。通过仔细地分离，他们发现，放射性仅仅存在于矿石的某些部分之中，主要集中在沥青铀矿中的两种不同的化学分馏部分之中，一个含有铋，另一个含有钡。他们提出一个大胆的理论：肯定存在着两种新元素。1898年7月，他们宣布发现了其中一种元素，它具有像铋一样的化学特性。出自对祖国强烈的热爱，玛丽把刚刚发现的新元素称为“钋”，让祖国“波兰”的名字永远铭刻在人们的记忆中。 钋的发现，使玛丽·居里初步实现了自己梦寐以求的愿望，为祖国赢得了荣誉。不久，他们又钻进那间阴冷潮湿的实验室，废寝忘食地继续探寻科学的奥秘。在圣诞节后的第二天，他们宣布，又发现了另一种新的元素。他们把它叫作“镭”（意即放射）。 他们的重大发现受到了广泛的祝贺，但也有一些科学家对此表示怀疑。他们说：镭和钋仅存在于这对夫妇事先准备好的、形迹令人感觉不到的物品中，“镭在哪里？拿镭出来给我们看看！”面对怀疑，居里夫妇决心努力获取纯镭和纯钋。由于钋比镭不稳定得多，他们决定首先分离镭。这必须要炼制巨量的原矿，而沥青铀矿又是一种十分贵重的矿，居里夫妇根本就买不起。如何解决这个难题呢？他们推理说，假如这个新元素存在于沥青铀矿石中，但又不同于铀，那么在提取铀之后的残渣中可能含有钋和镭。当时这种残渣几乎是一钱不值的，只需要付出比运输费略高一点的代价。 于是，他们开始订购成吨的“垃圾”——沥青铀矿渣。使他俩意料不到的是，奥地利政府决定赠给他们一吨矿渣，但要他们自己支付运输费，这正是他们十分情愿的。大量的、用粗布袋子装的矿渣被运到理化学院那间被人遗忘的小棚子前。从此，他们夫妇就一铲一铲地将“垃圾”注入熔炉中，玛丽站在熔炉旁，用几乎和她身高一样长的铁条搅拌着沸腾的原料，浓烟熏得她直流泪水。他俩就像汽轮上的司炉工，四年如一日始终不停地铲呀，铲呀，毫不动摇地炼制着，心中只有一个念头——从这种金属的熊熊烈火中把新元素的秘密发掘出来。 玛丽终于将经过炼制而浓缩了的物品带回棚屋内，精炼它们，开始了放射性溶液的分馏结晶工作。1902年，即在玛丽·居里宣布可能存在镭那天之后的第45个月，她终于从数吨沥青铀矿渣中提炼出了十分之一克纯镭，只有一茶匙尖那么点。她计算了这种新元素的原子量为225。在那个永生难忘的夜晚，比埃尔和玛丽来到那间阴暗的工作室，观察在微小的玻璃容器中发光的粒子。“磷光闪烁的蓝色外廓发出微光”，居里夫妇的脸“都转向那淡淡的微光，神秘的辐射光源，转向镭，转向他们的镭！” 关于这段时期，玛丽后来说过这样几句话：“我们没有钱，没有实验室，而且没有帮助。然而，正是在这简陋破旧的棚屋里，我们度过了一生中最好、最幸福的几年，我们把精力完全奉献给了镭的研究工作。” 接着，玛丽又从几吨沥青铀矿渣中分离了几毫克钋。但是没能获得纯钋。这证明钋是一种镭射线衰变的物质，她曾以如此具有象征意义的名字命名这种不稳定的元素。她总是遗憾钋没有镭那么重要。 镭的发现，奠定了放射学的基础，由此推动了原子科学的发展。后来，镭又用在医学上，造福于人类。镭可以治愈恶性肿瘤的医疗用途为人知晓后，一些国家的科技人员计划研制这种新元素。朋友们劝居里夫妇把提炼镭的过程申请专利权。当时镭的价格约为15万美元一克，对于生活十分艰苦的居里夫妇来说，这可以给他们带来可观的收入，但他们拒绝了。玛丽说：“镭不应当成为任何人发财致富的工具。镭是元素，它属于全世界！”居里夫妇主动将他们的研究成果无偿地公布于世，不从他们的发现中“获取物质的利益”。由于发现了镭，以及在研究放射学方面的巨大贡献，居里夫人两次荣获诺贝尔物理奖金 （1903年获诺贝尔物理学奖，1911年获诺贝尔化学奖），被人们誉为“镭的母亲”。 居里夫妇把所有的奖金几乎都用到准备再做的实验上。而玛丽甚至连一顶新帽子都舍不得买，他们所渴求的，是一所可以进行实验的好房屋。巴黎大学的教务长曾写信给比埃尔，告诉他说，文化部长已提名给他法国荣誉勋章。在玛丽的赞同下，他回信说：“请代我向部长致谢，并请转告他，我丝毫也没有领取什么勋章的愿望，但我却迫切需要有一个实验室。”后来，居里当上了巴黎大学的教授，同时，大学也提供了一所设备完善的实验室，居里夫妇的毕生愿望实现了。玛丽曾说过：“我最强烈的愿望是要在华沙创建一个镭学研究院。”1925年，她的夙愿也实现了。 玛丽在《比埃尔传》中写道：“不提高个人的素质，我们就不能指望建立一个更好的世界。要实现这个目标，我们中的每一个人都必须朝着各自的最高发展方向努力；同时，承担各自在人类通常生活中的责任。我们的主要义务是，有助于那些我们认为会对他们十分有益的人。”玛丽就是将自己的毕生奉献给放射性物质的科学研究上，直至生命的最后阶段。有一天，她从实验室回家时，自言自语道：“啊，我多么疲倦啊！”次日，她已经不能起床了。医生们来看她，但诊断不出她生了什么病。有点像感冒、结核、恶性贫血，但又一样都不是。1934年7月4日，居里夫人死于“镭中毒”引起的恶性贫血症。长年累月的研究，使她付出了致命的代价。但她的杰出发现，为人类做出了伟大的贡献，永远闪烁着灿烂的光辉。 超导现象的发现 1911年，从著名的莱顿大学低温实验室里传出了一个惊人的消息：水银在零下269摄氏度的条件下，它的电阻消失了。 过去，人们从未想到过导体的电阻可以变得一点也没有。电阻可以说是一种同时具有“优”“缺”点的性能。我们知道白炽灯泡能亮是由于灯丝有电阻，电炉能烧饭也得归功于炉丝的电阻。但是，在输电线上，在电动机里，在电子器件中，电阻使电能产生白白的消耗，电阻越大，电的消耗也越大，在这种情况下，我们希望电阻越小越好，最好是没有，如今真的能让电阻消失，这对电气工程来说，真是一个大喜讯。 发现这个现象的是荷兰物理学家卡麦林—翁纳斯。翁纳斯领导的实验室是世界上“最冷的地方”，虽然莱顿城里鲜花常开，但是实验室里制造出来的低温，比南极或北极的最低温度（-88℃）还要低几倍。 低温世界是一个魔术般的世界，把一束鲜花放在液态氮中一浸，拿出来向地上一摔，鲜花就会像玻璃一样破碎；把一只橡皮球放在液态氮里一浸，拿出来以后，能像铃铛一样敲响。水银在低温下冻得比铁还硬，可以用锤子把它钉在墙上；在液氮中冻硬的面包，在漆黑的房间里竟然发出天蓝色的光辉。 翁纳斯简直被这童话般的世界迷住了。他决心获得更低的温度。当时，科学家已经能把除了氦气以外的气体全部都变为液态。利用液态氢，已获得了-253℃的低温。但是，要使氦气变成液态困难还很大。例如在液体氦的温度下，连空气都会变成固体。如果不小心与空气接触，空气便会立刻在液体氦的表面上结成一层坚硬的盖子。但是翁纳斯是一位出色的实验专家，这一点困难是吓不倒他的。 翁纳斯出身在一个书香之家，叔叔伯伯都是知名的学者，父母也是博学之士。翁纳斯从小就表现出对于数学、物理的天分。他不仅喜欢读书，把家中丰富的藏书读个遍，还喜欢动手实验。 翁纳斯有一次做实验时，化学药品引燃了周围的织物，等他发现时，火势已不可控制，火借风势，刹时间半座楼就被烧毁了。他被吓坏了，逃到野外，在灌木丛中躲了一夜。 救过火以后，父母亲才发现翁纳斯丢了。于是又连夜寻找直到次日的凌晨。看到缩成一团的小翁纳斯，又冷又害怕，父亲非常心疼，他一把抱起儿子说，“我的孩子，别害怕，为了研究科学，你就是把自家的房子全拆了，把田地全毁了，我也不会埋怨你的。”父母的教育对翁纳斯产生了极大的影响。 翁纳斯的成就还要感谢两位老师的精心培养。18岁的翁纳斯进入德国海德堡大学学习，深受著名化学家本生和学者基尔霍夫的器重。在两位导师的指导下，他养成了锲而不舍、精益求精的治学态度，很快就获得博士学位。29岁就担任莱顿大学物理学主任教授，并着手在该校建立一个低温实验室。 提起科研，提起实验室，在有些人的心目中总是明亮的屋子，轻松的工作，只要按一下电钮就可以了。实际上，低温实验室简直像一个车间，实验室里充满了管道，还有隆隆作响的真空泵。因为低温不是一下子就能获得的。必须沿着温度的台阶一步一步向下走，温度越低就越困难。翁纳斯先用液化氯甲烷达到-90℃，用乙烯达到-145℃，用氧气达到-183℃，用氢气达到-253℃。终于在1908年成功地实现了最后一种“永久气体”——氦气的液化，得到了-269℃的低温。在这以后，他用液氦抽真空的方法，得到-272℃。 这个温度属于超低温，当时世界上只有莱顿大学的低温实验室可以得到这么低的温度。翁纳斯和他的同伴在这得天独厚的条件下进行极低温度下的各种现象的研究。他们发现水银、铅、锡一般降温到该物质的特性转变点以下时，电阻会突然消失，变成“超导电性”物体。 这就是说，在一个超导线圈中一旦产生了电流就会周而复始地流下去。因为电阻已经消失，电流不会在流动中衰减，翁纳斯把一个铅制的线圈放在液体氦中，铅圈旁放一块磁铁，突然把磁铁撤走，根据法拉第发现的电磁感应，铅圈内便产生了感应电流。 果然，在低温的条件下，电流不断地沿着铅圈转起来，就像不知疲倦的一匹马一样。1954年3月16日的一次类似实验，电流持续了长达两年半的时间，一直到1956年9月5日才由于液态氦供应不上而终止。理论计算表明，如果保持这种低温条件，电流就是流10万年也不会衰减。 这种现象物理学称为超导现象。1913年，翁纳斯因为这项重大的发现获诺贝尔奖。翁纳斯之所以能获得这种殊荣，与他的治学态度有关。他在总结自己一生探索经验时说：“只要一养成做学问的习惯，那就跟一日三餐那样，到时不吃不喝，就会感到饥渴难忍。有了做学问的习惯，还要牢记一点，那就是专和精。跟整个知识相比，个人所掌握的实在太渺小了。我认为，人可以在专和精中求广博；如果想懂得一切，那显然是不切实际的无稽之谈。” 翁纳斯的这一番话是值得人们深思的。他的一生也确实是这样做的。在逝世的前两年，他已是71岁的老人，仍然经常通宵达旦地工作，直到他1926年逝世之日。 |
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