向原子内部进军

发现X光

  1894年,实验物理学家勒纳德在放电管的玻璃壁上开了一个薄铝窗,成功地使阴极射线射出管外。

  1895年,物理学家伦琴在探索阴极射线本性的研究中,意外发现了X光。X光的发现,不仅揭开了物理学革命的序幕,也给医疗保健事业带来了新的希望。伦琴因此成为第一个诺贝尔物理学奖得主。

  

 

 

 

发现放射性


  在对X光的研究中,物理学家贝克勒尔发现只要有铀元素存在,就有贯穿辐射产生,由此证明,发射这种射线是铀原子自身的作用。放射性的发现,引起人们对原子核内部的研究的深入。学入原子内部和"分裂原子"从此,成为世纪之交时期科学领域中最振奋人心的口号。1903年,贝克勒尔与皮埃·居里和居里夫人因发现放射线荣获诺贝尔物理学奖。

 

 

 

更强的放射性元素

  1898年,物理学家居里夫人在寻找比铀的放射性更强的物质的过程中,先发现了一种新的放射性元素,为纪念她的祖国波兰,她将其名命为"钋"。居里夫妇又花了4年时间,发现了镭,并在极端艰苦的条件下,从几吨沥清铀矿渣中分离出0.12克纯氯化镭后又终于,测出其原子量为225,其发出的射线比铀强200多万倍。这项重要工作,使她获1911年诺贝尔化学奖。

 

元素嬗变

  1902年,物理学家卢瑟福与化学家索迪合作在对铀、镭、钍等元素的放射性研究中,提出了放射性元素的嬗变理论:放射性原子是不稳定的,它们自发性地放射出射线和能量,而自身衰变成另一种放射性原子,直至成为一种稳定的原子为止。这一理论轻而易举地解释了放射性元素为什么会放出巨大能量,并提出了"原子能"的概念。导致了对原子内部的新的认识。卢瑟福因此,获1908年诺贝尔化学奖。以后,卢瑟福和索迪等人进一步研究放射性元素递次变化(即衰变谱系)的线索,发现镭是由铀衰变而成的,铀的半衰期大约是几百万年,镭的半衰期是1千多年,随后经历了半衰期都很短的三个阶段,又变成了半衰期较长的放射钋,最后变为稳定元素铅。索迪因此及对同位素起源和性质研究获1921年诺贝尔化学奖。

  元素嬗变理论打破了自古希腊以来人们相信的原子永远是不生不灭的传统观念,而认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子。开始,连卢瑟福本人也感到犹豫,因为这太像早已被化学家否定了的炼金术。

 

 

发现α射线

  卢瑟福1898年发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种不同类型:一种是极易吸收的,他称之为α射线;另一种有效强的穿透能力,他称之为β射线。后来法国化学家维拉尔又发现具有更强穿透本领的第三种射线γ射线。由于组成α射线的α粒子带有巨大能量和动量,就成为卢瑟福用来打开原子大门、研究原子内部结构的有力工具。


  卢瑟福用镭发射的α粒子作“炮弹”,用“闪烁法”观察被轰击的粒子的情况。1919年,终于观察到氮原子核俘获一个α粒子后放出一个氢核,同时变成了另一种原子核的结果,这个新生的原子核后来被证实为是氧17原子核。这是人类历史上第一次实现原子核的人工嬗变,使古代炼金术士梦寐以求的把一种元素变成另一种元素的空想有可能成为现实。当时卢瑟福写了一本书就取名为《新炼金术》。

发现电子


  电子是在研究阴极射线的本质过程中得到的,阴极射线究竟是什么?物理学家汤姆逊设计了一个巧妙的实验装置,证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的,并推算出其质量和电荷比值。得出来源于各种不同物质的阴极射线粒子都是一样的,而且是比原子小得多的粒子,其质量只是氢离子的千分之一。汤姆逊认定这种粒子必定是“建造一切化学元素的物质”,也就是一切化学原子所共有的组成部分。

  期间,物理学家佩兰利用当时刚问世的借助于散射光,分辨率比普通显微镜高20倍的超显微镜开展了一系列检验布朗运动理论的实验,于1909年发表了《布朗运动和分子实在性》的论文,引起强烈的反响,佩兰1926年获物理奖。至此,各国科学家一致认为,分子和原子的实在性已没有怀疑的余地了。正如爱因斯坦所说的那样“分子和原子是否存在的问题是他在大学时代关心和讨论的一个重大问题,而今天再也没有物理学家为这个问题而操心了”。

 

分子和原子论的确立


  分子和原子论的确立经历了18、19两个世纪,产生过激烈争论。玻耳兹曼不仅从哲学上和方法论上,而且例举了气体分子运动论的最新实验证据,坚信原子论学说。1890年,他就声言:"理论的任务在于构造外在世界的图像,这种图像只存在于我们的头脑之中,用以指导我们的一切思想和一切实验。""理论研究愈抽象,也就会愈有力。"但当时,反对者的力量很强大,他几乎孤立无援,1898年他在自已编写的《气体理论讲义》第二卷序言中伤感而愤慨地宣告:"我意识到,单凭个人孤军奋战,不足以抗击时代的潮流","如果气体理论由于一时对它的敌视态度而暂被遗忘,科学将出现大灾难,(光的)波动论由于受到牛顿权威的影响(而一度被遣忘)就是先例"。长期以来对当时科学思想界状况的那种愤世嫉俗的情绪使他非常抑郁,成为他自杀的重要原因。普朗克在他的《科学自传》中回顾了原子论确立的斗争历史后,很有感慨地说:"科学的重大革新很少通过说服反对者并使他们转变立场来实现,索耳是难以变成保耳的。事实上倒是,反对者逐渐死去,新生的一代一开始就熟悉新思想"。

 

 

离经叛道提出能量子概念

  人们知道:当物体受热,温度不太高时,只能发射出人眼看不见的热射线,被称为红外线;温度升到一定高度,就会发出红光,即物体变红;温度继续升高时,物体会发亮,发出强烈的白光,即发出了大量波长比红光更短的光;温度更高,就会发出大量蓝光。在对这个现象做精密的实验观测和理论研究中,物理学家普朗克1900年提出了一个大胆假说:物体在产生和吸收辐射时,能量不是连续变化的,而是以一定数量值整数倍跳跃式地变化的。也就是说,在辐射的发射或吸收过程中,能量不是无限可分的,而是有一最小的单元。这个不可分的能量单元,普朗克称它为“能量子”或“量子”,即普朗克常数。这一大胆的理论长期以来得不到承认。普朗克直到1918年才获诺贝尔物理学奖。

  能量的变化竟然是不连续的,这不仅对古典物理理论是离经叛道的,而且也为常识所不容。量子论的出现,物理学界最初的反应是极其冷淡的。人们只承认普朗克那个同实验一致的经验性的辐射公式,而不承认他的理论性的量子假说。在当时的环境下,就连普朗克本人也对自己的冒昧行动惴惴不安,甚至一有机会就想倒退到古典立场。用他的话说,这“完全是一种孤注一掷的行动”,“由于当时考虑到这个问题对于物理具有根本的重要性”,“必须不惜任何代价去找出理论解释。”

伟大的科学家爱因斯坦


  1905年,爱因斯坦发表题为“论动体的电动力学”的著名论文,提出根本不同于传统观念的空间、时间理论。其核心是空间和时间的统一性。闵可夫斯基1909年在为相对论的空时观作的一次题为《空间和时间》的报告开头即说“我要向你们介绍的空间和时间观念,是从实验物理学的土壤中生长起来的,而这正是它们的力量所在。它们是带有根本性的变革的。从今以后,空间和时间本身都消失在阴影之中了,只有两者的一种统一体才仍然是一种独立的实在。”三个月后爱因斯坦提出了关于物体的质量和能量相当性的推论,即著名的质能关系公式:E=mc2。揭示了物体的质量是它所含能量的量度。这使当时无法解释的放射性元素特别是镭为什么能够不断释放出如此强大能量的现象,以及太阳能的来源问题,都得到了合理解说。这是以后原子核物理学和粒子物理学的理论基础。并且在理论上预示了原子能时代的到来。


  狭义相对论不仅揭示了作为物质存在形式的空间和时间的统一性,还进一步揭示了物质和运动的统一性,加深并发展了物质和运动不可分割的原理,揭露了两种运动量度(动量和能量)的统一。

 

爱因斯坦光量子概念


  爱因斯坦1905年写的一篇论文中,没有满足普朗克把能量不连续性只局限于辐射的发射和吸收过程,而认为即使在空间中传播的过程中,辐射也是不连续的,是由不可分割的能量子组成的。这一观点同19世纪已取得绝对胜利并为大量实验所证实的光波动论和麦克斯韦的电磁理论是完全对立的,但爱因斯坦充分认识到量子概念所带来的将是整个物理学的根本变革,需要建立新的理论。他指出:关于光的产生和转化的瞬时现象,波动论的结论同经验不相符;要解释这类现象,只能假设光是由能量子所组成,即"光量子",以后人们称其为"光子"。这是人类认识自然界历史上第一次揭示了微观客体的波动性和粒子性的对立统一,即"波粒二象性"。这是整个微观世界的最根本的特征,也是微观物理理论的最基本的概念。

  早在1887年,赫兹无意中观察到,当接受电磁波的装置受到紫外线照射时就容易出现电火花。在发现电子后,才知道这是由于紫外线把空气分子中的电子驱逐出来的结果。1902年勒纳德用各种频率的光照射钠汞合金,发现只有频率高于一定下限的光才能放逐电子;而被放逐出的电子的速度只同光的频率有关,同光的强度无关。这种现象麦克斯韦理论根本无法解释。爱因斯坦的光量子理论却可以轻而易举地给以完美说明。光电效应的研究以后发展成光电池、有声电影、电视等技术,对现代人类文明生活和太阳能的利用有十分密切的关系。

  密立根和康普顿的精密实验研究终于确立了光量子论的地位,他们因此分别获1923年和1927年诺贝尔物理学奖。