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物理新天地 |
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气体中的放电现象 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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？ 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。 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。 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。 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。 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。 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！ 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。 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。 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。 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。 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 “盖斯勒管”。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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”。 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。 人们还发现了阴极射线的一系列物理现象。 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。 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。 伦琴发现X射线 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。 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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