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第10章 物理里程碑(2)

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着的效应,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。

柏克勒尔出生于科学世家,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。这样做了几次以后,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。

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。

在液体电解质中,以氢离子的电荷与质量之比为最大,约为104,汤姆生求得气体离子的电荷与质量之比为7.7×106,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为4.775×10-10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量约为1.66×10-24克,所以一个电子的质量约为9×10-28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,对莘莘学子最富有魅力的实验中心。

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,就可以算出振荡质点的电荷与其质量之比的新值为1.77×107,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。

电子是世界上最轻的运动粒子之一,大约1024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……