物质的电结构

当一束电流关闭时，在开关的两个终端之间常常可以见到短暂的火花出现。电流因为动量将之保持在原来的路径上一段时间，但很快被终端之间的空气的高阻力所阻断——因为通常条件下的空气是电的不良导体。如果开关被置于一个空气基本抽空的容器内，这种感觉现象可以得到较高形式的显现，因为稀薄的气体对电流通道的阻力较小。如果空气压力足够低并且电压足够高，两个终端即便相距较远也可以出现电流的持续存在，并且电流在落到玻璃容器壁的时候会产生独特的磁光现象。

电通过部分真空环境要比通过大气压下的空气更容易这种现象，这是沃森在1752年发现的。磁光现象由法拉第在1838年首次记录，从1859年起，德国，尤其是盖斯勒、普吕克尔和希托夫详细地研究了电流通过气体的路径。希托夫在1869年、哥尔茨坦在1876年证实，电流通常以直线运行，并且可以因为路径上出现固体障碍物而被阻断。电流的这种现象会在容器壁上留下“阴影”，这是独特的磁光现象的缺失的显现。但是两个终端中只有一个，即阴极可以产生这样的阴影，这似乎表明电力仅仅包含单程航道——阴电从阴极流向阳极，正是这个原因，它被描述成包括阴极射线。

在德国，光线被认为包括波，即障碍物投下的阴影类似于阳光下站立的人投下的阴影。但是当瓦尔莱和克鲁克斯将光线通过强烈磁极时，他们发现阴影改变了位置，光线被磁力弯曲偏出原来的轨道。现在电磁科学熟知的事实是，磁力将运动中的带电粒子从轨道中偏离出去，但并不使电磁波发生偏离。这样，瓦尔莱和克鲁克斯观察意味着，阴极线是带电粒子的喷淋，传输电的方式如同喷洒下的雨点传输水。1895年，佩兰证实，当阴极线落在其上时，导体变成了负电荷带电体，就如同石路在雨中变湿一样。

阴极射线　关于阴极射线的本质的问题在1879年得到解决，并具有划时代意义，我们已经看到它们充满粒子，一个带电粒子在磁场中发生偏移所需要的粒子量取决于粒子的电荷和粒子的质量。如果带电量很大，偏移也很大，因为磁场对粒子的抓力大。而如果质量大，偏移就小，因为对抗改变的惯性更多。偏移量还取决于带电粒子运动的速度，如果运动速度已知，偏移的测量可以估算粒子电荷与质量之间的比——通常用表示。1890年，当时的曼彻斯特物理学教授亚瑟·舒斯特首先对阴极线做出了上述结论。物理学家已经对电荷与质量之间的一种比例熟知，即电解中的氢离子。舒斯特估计阴粒子的比应该在500倍（现在知道这仍然低估，真实的值是1840倍），并且设想应该没有比原子更小的粒子，因而得出结论，阴粒子一定是带电的原子。1892年，赫兹发现，光线可以穿过薄的金属箔，其程度似乎是原子大小的粒子所无法实现的，所以如果光线带有粒子，一定比原子小的多。

这个课题明显具有重要意义，现在对粒子运行的速度已经做出了很多测定，并得出了电荷与质量之间的比率。1879年，汤姆森在剑桥、维舍特在德国都独立地进行了粒子被电力和磁力同时偏移的实验，从而直接测量出其速度，的比率也得以推论出来，他们和其他许多实验者发现，该比率大约是氢原子中比率的1800倍。

1896年，一种新的仪器得以设计出来，并在后来做出了极为重要的贡献。威尔逊，即后来剑桥的自然物理学教授，发明了他的著名的“冷凝室”，其中带电粒子可以用来收集其周围的水滴，如同它们在大气中形成雨滴的效果，让这些雨滴降落在冷凝室的地面可以制造出人工降水。雨滴的平均大小可以估算出来，即测量出它们逆着空气阻力下落的速度，然后再称量整个水的重量，从而计算出雨滴的总体数量，通过验电器测量所有水的电荷，可以估算出每个雨滴的电荷。

所有这些都说服物理学家，他们所处理的粒子远远小于氢原子，而在此以前，氢原子被认为是自然界中最小的粒子，现在所有物质都似乎在其结构中包含这些新粒子。它们可以在任何地方找到，并且无论来源如何总是相同，它们被称为“电子”，这是由都柏林的约翰森·斯托尼首先进行的命名。

荷兰的物理学家亨得里克·安顿·洛伦兹将麦克斯韦的理论扩展到新的事实。例如，光可能是由于原子内电子的运动所造成的，这种运动当然受到磁力的影响，因而如果一个物质在磁场中发出光，这种光与正常条件下的光不同。阿姆斯特丹的物理学教授塞曼早在1896年就注意到了这种效果（塞曼效果），最初，该影响似乎仅仅包括光谱线的扩张，但是当更强大的磁投入使用时，每个线都被看到分裂成众多的分离成分。洛伦兹现在显示，这种情况该如何用数学方式解决？他提出，光是由原子中的电粒子的运动造成的，每个电粒子都带有电荷和并具有质量，与电子所具有的相等。

似乎可以安全地设想，光是由原子中电子的运动造成的。更进一步说，由于正常原子所带的总电荷数为零，可以设想正常的原子带有某数量的电子，同时也带有相当数量的正电荷，将所有电子上的电荷中和。

牛顿曾提出，一个物体的质量在其运动的各种变化后仍然保持不变，但早在1881年，汤姆森已经显示，当物体带电时，情况会发生变化。麦克斯韦等式要求带电体的质量随着速度增加而增加，其原因简单说，带电体不是独立的，而是在一定程度上包含从本体延伸到无限空间的力线，当物体的速度增加，这些力线会重新排列，并会增加对进一步变化的抵制。一句话，一个物体的表观质量增加了。这样一个物体的质量可以分为两部分，内部或称为牛顿质量，即不发生变化的部分，以及外部或称为电质量，即依赖于速度的部分。

从1906年以后，众多的物理学家——考夫曼、布雪勒、贝斯特梅尔等人，通过实验探索了为什么运动电子的质量取决于其运动速度，并得到了令人震动的结果：这种依赖恰恰是汤姆森以前对单独的带电部分计算的结果。换言之，电子没有牛顿质量，其质量似乎是完全的电质的。认为原子的正电也是如此是合理的假设，因而所有物质似乎都仅仅包含电。关于自泰勒斯时代就困扰科学界的“宇宙的终极物质什么”这个问题，现在似乎可以给出一个答案，一个字——“电”。

1890年1月哈里斯拍的照片，盒中的笔、蜥蜴、青蛙和一只手，据称是英格兰第一份X光照片。

X射线　1895年因为慕尼黑的威尔姆·康拉德·伦琴（1845-1923）发现伦琴线，即X射线的发现而载入史册。很多实验者都非常沮丧地发现，放在放电管附近的感光片都出现了雾状物质，但他们大都将之视为小事，仅仅需要更换新的储藏地点，不需要任何研究性的注意。但是伦琴对雾状物出现的原因搞到好奇，并猜测那些管子一定释放除了某些上不知道的物质，它们可以穿透感光片堆积的材质。几乎是偶然地，他发现存在这样一种辐射，并且不可见，仅仅通过其将磷光材质变得发光的特性才能够探知。这种辐射的特性令其研究变得简单，一个事实很快被发现，一个厚的金属片可以完全阻挡它，但是薄的金属片，或者纸、木头或人的肌肉却可以被穿透，并影响到线路终点的磷光屏或感光片。这样，对活体肌肉下的骨骼进行拍照就变得可能，该发现对专业物理学家和普通人的产生了同样的吸引力，并被证明对医学和外科手术具有极为重要的意义。

多年以来，物理学家无法确定这种辐射是否包含粒子或波。如果包含粒子，则它们必然是无电荷的，因为辐射不会被磁力所偏移。如果包含电磁波，它们必定是非常短的波长，因为辐射比可见光更具有穿透力。

这个问题被三名德国物理学家在1912年解决。劳厄看到，如果辐射包含短波，那么一个晶体规则排布的原子应该会使之发生衍射，就像衍射光栅会对可见光进行衍射一样，他还计算了基于这种假设的一般类型的衍射模式。当弗里德里希和尼平对这些建议进行实验时，他们恰恰发现了劳厄所预测的模式类型。

这些事实确定地表明，辐射具有电磁的本质，但是效果超出了这个本质。晶体中不同排列的原子当然可以产生不同的衍射方式，因而原子的排列可以从观察到的衍射图中推演出来，这个新技术由威廉·布拉格和他的儿子劳伦斯·布拉格以及其他人迅速开发出来。布拉格父子首先研究了非常简单的物质，如氯化钠和氯化钾，发现它们的原子排列成了规则的立方体形式，每个立方体的每个角都有一个原子。这些和他们后来研究的无机化合物一样，都显示出没有原子可以配对形成分子。在固体状态下，原子已经成为一个单位，但是当威廉·布拉格爵士在1921年对不同有机复合物诸如萘和蒽进行探查时，他发现分子仍然作为原子串保持了自己的形态。

对固体物质的X射线分析已经证明对生物化学和冶金学具有重要价值，但是实验物理学应该从X射线中获益最多。当辐射通过某种气体进入电导体时，会改变该气体，而这种情况下的电可以在最简单形式和最简单的条件下得以研究，这也许比其他所有事件都更具有意义，因为物理由此开始了胜利性的进步，我们下面将谈到。

辐射　X辐射之后，又有很多其他新辐射得以发现。X辐射是暂时现象，只有在电流流动时才产生，但其他的辐射则是持久的，从某个物质中不断地放射出来。这些物质中最重要的是铀，即佩利戈特在1804年发现的化学元素，其相对原子质量为238，并直至最近一直保持为最重的元素。1896年2月，亨利·贝克勒尔教授发现含有铀的某种复合物放射出辐射流，持续不断且完全自动，并且如同X射线一样可以穿透物质，影响感光片，刺激磷光，并且在穿过气体进入电导体时转变气体。事实很快被发现，这种特性来源于铀本身。两年后，施密特和居里夫人独立发现，贝采里乌斯1828年发现的另一种重元素钍也具有类似特性。

这种显现激起了居里夫人和他的丈夫皮埃尔·居里教授的兴趣，他们开始对被称为具有“放射性”这种新特性的物质进行系统研究。在长久的毫无新意的探索之后，他们对含铀的沥青油矿进行了实验。他们将铀提取出来，发现剩下物质具有的放射性是所提取的纯铀的4倍，沥青混合物一定含有某种比铀本身更强大的放射物质。通过与贝蒙特合作，他们在1898年将其分离出来，并命名为镭。这被证明是另外一种重元素，相对原子质量为226，是铀的放射性的数千倍。他们还发现另外一张元素钋，相对原子质量为210，具有类似性质。1899年，德比尔恩和盖瑟尔还发现了一种新的元素锕，相对原子质量为227所有这些放射性元素都比以前发现的元素重。广义上说，放射性是重原子的特性，所有比铅（207）和铋（209）重的元素都具有放射性。

下一个问题是关于这些辐射的本质和结构。1899年，吉塞尔、贝克勒尔、居里等人使用汤姆森用来测量阴极线粒子电荷的方法对β射线进行了测验，结果发现它们与这些粒子类似，但运行更快，有一些甚至接近了光速，这样β射线仅仅是电子的高速喷淋。

卢瑟福1903年也通过同样的方法发现α射线含有高速运行的正电荷粒子，这些粒子在电场或磁场中仅仅发生稍微的偏移，并显示出与其电荷相比，它们的质量一定很大——将它们拉着转圈的力与推动其前进的动量相比要小得多。他继而发现，每个粒子都具有超过电子7000倍的质量，电子两倍的电荷，但电极相反。这些粒子的真实本质在3年后得到发现，当时卢瑟福和罗依兹将它们的一束射过一个厚度低于英寸[1]的非常薄的玻璃，并进入一个无法逃离的室。他发现气体氦在室内形成，并且只要α射线不断进入就会不断聚集。显然，氦原子的成分中有α粒子。其他的则被发现为两种电子，可以中和α粒子上的电荷，并将整个原子变得中性，这样α粒子被证明为氦原子被剥夺了两个电子，或者我们可以说，氦原子的“核”。

另一个更难的问题由γ射线提出，该射线从不发生偏离，无论是在电场还是磁场中，因而可能是未充电的粒子或电磁波。在经过很多讨论后，它们被认为是波长很短的的波——大约一英寸的100亿分之一，或者可见光波长的10万分之一。由于其较短的波长，X线辐射比可见光更具有较强的穿透能力，但是γ线辐射，由于更短的波长，比上述两者都具有更强的穿透力。

同时，一系列新的放射性物质正在被发现、研究和分离。1899年，卢瑟福注意到，一块钍在有气流吹在其上时会减弱其辐射性，当他发现钍放射出一种本身即具有放射性的重气体时，谜底便大白了。这种气体在周围空气稳定时会附在钍的表面上，但是吹一口气就可以将它吹走，然后钍的放射性似乎突然降低了许多。卢瑟福将这种气体称为“钍射气”，并发现镭和锕也放射出类似的射气。由于镭是一种新的元素，因而这种镭射气被称为“氡”。1900年，威廉·克鲁克斯发现铀产生少量的较强的放射性物质，他称之为“铀-X”，2年以后，卢瑟福和索迪从钍中获得了一种类似的物质“钍-X”。

大量的其他类放射物质现在被发现，其中大多数表现出了强烈但短暂的放射性，显然它们要为其剧烈的活动付出寿命期较短的代价。

1902年，卢瑟福和索迪研究了放射力衰减的现象，发现背后的原则很简单：同样放射力的物质的多个样品在某一给定时间内会失去同样份额能力，一个放射物质的样品的放射能力从1000降到900所需要的时间与它后来从100降到90，以及再后来从10降到9所需要的时间一致。在数学语言中，这种减弱为指数级。但是衰减率从一种物质到另一种物质的变化极大，铀在450亿年中失去其放射力的一半，镭大约需要1600年，氡大约需要3.8天，等等，直至钍C'，大约只需1亿分之一秒。物理条件的变化不会改变衰减的速度，改变似乎来自于物质的内部，性质上似乎是核爆炸或核分解。这样一个原子总是有同样的分解机会，无论其过去的历史或现在的状态可能是怎样。这里有一条上不为人所知的自然法则，其巨大意义将很快显现出来。从德谟克利特到牛顿，到19世纪，科学总是宣称现在由过去决定，20世纪的科学似乎在说出某种不同的声音——从所进行的研究看，过去显然对现在没有影响，现在对未来也一样。

卢瑟福和其他人仔细研究了核分解，发现放射性物质经历了很长一串变化，不是一次而是多次改变其化学性质，在高放射性状态时速度快，低放射状态时速度慢，直至到达最终的完全永久的稳定状态。例如铀在经历不少于14次转换后会变成一种不同于普通铅的新铅，其相对原子质量从通常的207变为206，这些变化伴随着α-、β-或γ-射线的释放。释放β-或γ-射线不会明显改变原子的质量，但是当α-粒子被射出时，相对原子质量当然下降了4，这样，铀从最初的相对原子质量238，经历了234、230、226、222、218、214、210等相对原子质量后，最终变成了相对原子质量为206的铅。

所有这些放射性变化的在一个方向上发生——降低相对原子质量，没有其他方向的变化，这样，放射性并不支持自从德谟克利特时期就存在的观点，即除了永久原子的重组自然界中不存在其他变化。放射性讲述了开始和结束，从创造到死亡的稳定的进程，确定时间里发生的进化，提供了一种估算的这个时间的方法。

宇宙时代　由于地球地壳中的很多岩石里都发现了嵌在其中的放射性物质颗粒，其中夹杂着它们分解时的不同产物。对这些产物的比例分析显示了这些放射性物质已经在岩石中保存了多长时间，从而可以估算出地球固体化以来已经经历的时间。

地质学家已经通过不同方式形成了自己的估计，例如，从海洋的结盐度的推断。河流不断将随和盐带入海洋，水蒸发，但是盐不会，因而海洋变得越加咸。从海洋现代的盐度，天文学家哈雷已经计算出地球一定已经有几十亿年的年龄，他的估计得到了其他人的确证，其根据是山脉的剥蚀和山谷的积淀的速度——即山脉被削减和山谷升起的速度，但这些估计都取决于速度极不稳定也不能准确知晓的过程，放射性现在带着已知不变速率的钟表这样一个大礼物呈现出来。在最古老地球岩石中的放射性产物现在正在被分析，其年龄大约可以推断到20亿年，而由帕内斯和其同事所分析的陨石组的年龄可以到达70亿年，显然，宇宙的年龄可以测定为几十亿年。

这解决了一段时间以来热烈讨论的问题——太阳能源的来源。古代人也许在太阳不断发出的能量中没有看到任何令人惊奇的事物，但当赫尔姆霍茨在1857年遇到能量守恒原则时，他一定奇怪太阳从哪里得到了辐射的能量，他所能提出的充足来源是太阳的收缩。当钟锤向东落下时，他便为钟的不断运动提供了能量。同样的，赫尔姆霍茨认为，太阳的收缩和外缘向中心的降落可能为不断地辐射放射提供了能量。但是开尔文爵士计算，这个能量源所为辐射所能提供的能量不会超过2000万年，而地质学家认为他们有证据表明，太阳的辐射至少已经存在了几十亿年。放射性的证据不仅非常有力地支持了地质学家的观点，而且对可能的能量源提供了线索。由纯粹的铀组成的太阳应该比太阳的估算年龄辐射更长的时间，强度也应该更强，这表明，太阳的能量可能与放射能量具有某种相同的一般属性，而事实一直被证明是这样。

原子的结构　物质的这些放射性特质不仅迫使物理学家们重新设计关于自然的某些基本过程的概念，而且也给他们提供了一个新的工具。α-粒子实际上是原子大小和质量的抛射物，卢瑟福看到，它可以用来探索原子的内部。1911年，他对两个研究同伴基格和马斯登住提出，可以让α-射线齐射通过一层气体，其厚度可以让抛射物的一部分能击中一个原子。他们付诸实施后得到了轰动的完全没有预料到的结果，大多数的抛射物完全通过的气体，没有碰到任何东西，甚至没有从路径上发生偏离，这样去除了多年以来将原子描画为坚硬固体物质串的观点，原子现在被视为仅仅含有中空的空间。更加令人意外的是，一些粒子被发现以大角度从路径上偏离出去，用卢瑟福的话说：“其不可思议程度就好像你将15英寸的炮弹射向一张纸，而它却返回来打中你。”

观察到的偏移符合一个简单的数学定律，并从中可以推断出造成这种现象的原子结构。根据发现，每个原子必定含有一个中心核，或“原子核”，体积微小，但携带了原子几乎所有的质量。它还携带一个正极电荷，造成了观察到的喷射出的α-射线的偏离，从而其数量可以通过偏移的程度计算出来。另外，由于原子上的总电荷量为零，这个电荷一定中和了原子上所有电子的电荷，从而使得这些电子的数量可以计算出来。对于大多数物质来说，结果大约是相对原子质量的一半，一个粒子是氦，其相对原子质量为4，每个原子有两个电子，这为原子画了一幅“行星”图，大个的原子核就像太阳，周围的电子就像行星一样围绕它旋转。

后来，1913年，默塞来等人发现，行星状电子的数量遵循一个简单的原则：如果元素的排列是按相对原子质量上升顺序的，原子中电子的数量就分别是1、2、3、4、5……——系列整数。这样所有原子中最轻的氢原子只有1个电子，次轻的氦原子有2个，然后是锂原子有3个，铍原子有4个，等等。这些整数被称为各自元素的“原子序数”，最初在已知的元素序列中有一些间隙，但这些间隙很快被新发现的元素所填补，直至一共92个元素被发现，其原子序数从1（氢）到92（铀）。在1940年，这个数字由于2个新发现的元素镎和钚而增加，即原子序数93、94，之后序数95、96也被发现，但直到1946年才宣布。当原子序数的简单原则最初被发现时，原子结构的问题似乎得到解决，几乎没有人猜到还有多少障碍需要跨越。

阳极射线　阴粒子不是电在气体中穿行的唯一机制，还有正电荷的负载者沿着相反的方向运行，戈德斯坦在1886年通过在阴极钻一个孔这样一个简单的权宜之计发现了上述现象。一些粒子本来应该相反地在阴极终结行程，现在却穿过它，因而被分离出来进行研究。1898年，维恩通过电和磁偏移测量了这些负载者的电荷和体积，每个粒子被发现携带着数量相等但标记相反的正电荷，直至电子上的电荷，并与释放管上的任何原子都具有相同的质量。的确，可以通过测量这些原子在已知的电场和磁场中经历的偏移来得到其质量，这样，这些负载者仅仅是被去除了电子的原子——很快它们被称为“正离子”。

现在可以简单地看到电如何被负载穿过气体，造成电流流动的电力将原子的正负电荷推向相反方向，直至电子从原子中脱离，只剩下正离子。电子和正离子现在继续在电力下沿着相反方向运动——带有负电荷的电子从阴极到阳极，两股粒子流分别形成了阴极线和阳极线。

同位素　对阳极线的研究提供了一个新的方法来确定原子的质量，然后是元素的相对原子质量，并且这种方法很快被发现比以前的方法更加准确。1910年，汤姆森爵士用这种新方法测量不同简单物质的相对原子质量。如果阳极线束的粒子几乎都完全相似，都以完全一样的速度运行，那么所有粒子都会类似地被电力和磁力偏移，从而线束会保持紧密，而它们到达感光片时也只会出现单一的点痕。实际上，去除速度差异并不简单，因而线束蔓延出去并在感光片上记录下一个抛物线（磁偏移与原子的运动速度成反比，电位移与速度平方成比例。这样电偏移与磁偏移的平方成正比，并与之成直角，因而曲线为抛物线）。但当汤姆森记录氖的线束时，他发现了两条而不是一条抛物线。化学家给出的氖的相对原子质量为20.2，前一个抛物线是后一个强度的9倍。这令人惊异地意味着氖并不完全只是含有类似的原子，而是含有两种不同物质的混合体，相对原子质量分别是20.0和22.0。对于这种物质群，索迪给出的名称是“同位素”，因为它们在化学元素表中具有相同的位置——例如，它们有相同的原子序数。

他们还发现，如果氧的相对原子质量确定为16.00，那么大多数相对原子质量都非常接近整数。氢的相对原子质量为1.00837，同位素量为2.0142和3.016；氖含有三个同位素，量为19.997，21（近似）和21.995；而氪含有的同位素混合体中的各个量为77.93、79.93、81.93、82.93、83.93、85.93，大多数的元素都具有类似的故事。

我们看到普劳特的关于所有原子都是简单的氢原子的聚合体的假设不再受欢迎，因为人们发现相对原子质量并不都是完全的整数——没有人会认为氯原子是个氢原子的聚合体。相对原子质量新的确定方法向前走了一大步，将去除这种反对意见。因为尽管相对原子质量不是完全的整数，显而易见的小的不同可以简单地得到解释。我们看到相对原则如何要求能量的每一个变化都伴随质量的变化，如果两个电荷的距离改变，组合的能量也会改变，从而质量也会改变。这样任何原子的质量在其组成物被远距离分开时都会发生变化，如果所有原子都这样，其相对原子质量可能会令人信服地成为完全整数，从而普劳特的假设可能再次站得住脚。

根据卢瑟福的观点，氢原子含有一个负电荷电子和一个正电荷电子，即“质子”，并携带与电子等量相反的电荷，原子上的总电荷因而变成零。在一段时间内，人们认为每一个原子可能仅仅包含质子和电子——必然数目相等，因为每个原子的总电荷为零。如果是这样，每个原子会含有某整数的氢原子作为其成分，这正是普劳特所提出的，但这导致了与原子核的磁特性相关的某些困难，而且其他粒子很快开始出现在质子和电子旁边。

元素的转变　我们已经看到炼金术士如何花费几个世纪的时间尽力转变元素，一般都是出于将低质金属变成黄金的经济目的。当他们的努力没有获得成功，他们的目标也渐渐失去了光环，甚至被斥为无稽之谈。现在人们知道原子是持久和不可改变的结构，它们现在的形态是在造物之初就形成的，并将一直持续。

然后在1919年，卢瑟福做了一个划时代的实验，显示炼金术士的计划并非痴心妄想，而是完全可能实现的。不仅如此，而且改变一个物质的化学性质的方法也简单得令人惊异：用α-粒子对物质进行轰击。卢瑟福首先选择了氮气进行冲击，并发现当相对原子质量为4的α-粒子（或氦原子核）撞击到相对原子质量为14的氮原子核时，后者的原子核会射出小粒子，看起来像氢原子核。1925年4月，正在卢瑟福实验室工作的布拉开特设计了一次在威尔逊冷凝室发生的冲击，在该冷凝室中，一个运动的带电粒子可以在身后留下冷凝的痕迹，与飞机在大气上层留下的冷凝痕迹类似。这次实验被拍照，从而记录下运动粒子的路径。在以前冲击中，布拉开特发现原子核仅仅是如同众多弹子球般弹回，但是还有几次氦和氮的原子核组合变成了相对原子质量为17的氧的原子核（氧的一种同位素），以及一个质子或相对原子质量为1的氢原子核。相对原子质量14和4的两个原子核显然变成了3个质子和1个电子，形成了质量17和1的原子核。这个过程某种程度上预示着一个放射性的过程，但不同的是它在控制下完成；实验者们没有等待发令枪自己发声，而是通过强大的α-粒子对其进行影响，然后枪响了。还有更深一层的不同是，α-粒子被吸收而不是被释放，质子被释放，因为它们从没有在放射性转换中存在。这个实验打开了研究的广阔领域，仍然远没有完结，但是简单元素的转化中几乎全部被详细研究。

中子　1931年，玻特和贝克尔选择了轻元素铍进行轰击，发现它释放出具有高度穿透力的辐射，由于它不会因磁力而偏移，因而在最初被认为含有γ-射线。第二年，曾经在卡文迪许实验室工作，现在已成为利物浦大学教授的詹姆斯·查德威克证实它含有物质粒子，与氢原子大约质量相同，但并不携带电荷，他将这些粒子称为中子。它们形成了比α-粒子更有效的抛射物，因为不带电荷，它们不会被原子核所排斥。

很快做出的猜测是，它们可能是原子核正常的组成成分。一个原子核可能含有与该元素的原子序数相等数目的质子，使原子核带有电荷，同时含有足量的中子，从而将质量提升为该元素的相对原子质量。增加或消除中子当然会产生同位素。例如，相对原子质量为1、2、3的氢的三个同位素的原子核应该各自含有一个单一的质子以及0、1、2个中子。

实验室的证据很快证实了这个猜测。查德威克和戈德哈伯将相对原子质量为2的氢原子（氘核）分解成质子和中子，而西拉德将相对原子质量为9的铍的原子核分裂为相对原子质量为8的一个原子核和一个中子。

这些仅仅是非常一般的程序的简单例证，即通常所称的“核裂变”——将原子核分裂成更小的部分。费米和他的同事在罗马用中子轰击铀原子核，并认为得到了一种比铀更重的放射性元素，直至哈恩和史托拉斯曼在1938年证实，他们仅仅是将铀原子核分裂为两个更小的部分。弗里希和迈特纳指出，原来铀原子核物质的相当一部分一定已经转化成能量，弗里希确认了这一点，显示被打碎的原子核的各个部分以爆炸的速度四散飞行。

当核裂变伴随着中子的放射出现在1939年时，新的一章便揭开了序幕。其重要性在于，如果释放出的中子比吸收的多，每一个新释放的中子可能本身即成为冲击者，制造出更多的中子，直至无限，因而产生具有毁灭微粒的爆炸。这种效果被发现可以更加简单地制造出来，方法是对相对原子质量为235的铀的稀有同位素的原子核进行轰击。

这就是目前制造出原子弹的技术的起源，但是这种技术可能在未来的时间里产生最具价值的工业发展。转换将原子核的质量的一部分直接变成能量，而这可以成为有利用价值的能量，就像我们现在使用来自煤和石油的更加少量的能量一样。

两种带电荷粒子所储存的能量取决于它们之间的距离，与距离成反比。如果将两个粒子之间的距离减少到100万分之一，我们就可以将它们所产生的能量增加到100万倍。现在，燃烧煤炭、点燃汽油或引爆硝化甘油时，我们实际上将分子大小距离，即10-7～10-8cm的带电粒子重新排列。但在促成核裂变反应时，我们所重新排列的带电粒子仅仅为原子核距离大小，即10-13～10-14cm。由于这些仅仅为分子距离的100万分之一，其储藏的能量为100倍，这样我们必须期望一颗原子弹可以制造出等量高爆炸药100万倍的效果，我们可以希望，如果在和平领域核能代替化学能，那么也可以制造出100万倍的效用。

在萨姆·休斯顿堡建立“高等教育资源全国委员会”望远镜

宇宙辐射　到目前为止，现代物理学的故事一直围绕着发现新辐射的历程，现在我们必须描述一下20世纪初出现的另一类辐射。大约在1902年，很多实验者发现他们的电气设备在设有任何明显原因的情况下自动放电，并因此猜测原因一定是到目前为止尚不知晓的某种辐射。这似乎无处不在，并比任何一种辐射都具有更强大的穿透力，任何厚度的金属都无法屏蔽其效果。开始，人们认为这来自于地球本身，但是格克耳、黑尔、柯尔霍斯特和后来的密立根及其在帕萨迪纳的同事们发现他们的仪器如果放在气球中上升时会放电更快，而相反，如果仪器放入矿藏或深潜入无镭的水中时则放电较慢，显然，辐射一定是从外部空间进入大气的。

辐射不会来自某个星体，因为如果是这样，太阳应该到目前为止是最大的辐射源，而且白天和黑夜所接收到的辐射量等同，似乎辐射来自某种一般的宇宙过程，因而被称为“宇宙辐射”。

这是到目前为止最具有穿透力的辐射，因为它可以穿过数码的铅，这使其变得不可毁灭。由于空间的物质的平均密度非常之低（每立方厘米仅有10-28克），以至于辐射在穿行了几十亿年之后才会遇到与1微米厚度的铅板等同的物质。宇宙的年龄大约只有几十亿年，这意味着几乎所有的宇宙辐射在产生后仍然继续在空间内穿行。雷格纳发现，我们接到的这种辐射大约与我们从太阳以外的星体所接到的光和热等同，在每立方英寸中，它每秒分裂大约10个原子，从整个空间平均下来，这大概是整个宇宙中最普通的辐射。

发现这种辐射后的若干年，对其性质曾进行过很多讨论，它是否含有带电粒子，或者含有电子干扰，或者二者都不是？在普通实验室磁场中进行测试是没有意义的，因为在到达实验室时，它已经穿过了整个地球大气层，打碎了所遇到的每一个原子，因而与自己所创造出来的原子碎片混合在一起。唯一可以用来进行测试的磁场是地球本身，因为辐射在大气中发生纠缠已经穿过该磁场，这个场不会使电磁波发生偏移，因而如果辐射含有这些，它会等量地落在地球表面的各个部分。另一方面，如果辐射含有带电粒子，这些粒子会在地球的场中发生偏移，并不均衡地落在地球表面的各个部分，其不均衡性会显示出地球磁场的某些特性。

从1938年开始，密立根和在帕萨迪纳技术学院的合作者们一直不惜力量地在地球表面各个区域测量辐射的能量，并发现结果并不均衡。密立根和内尔对观察的解读是，60%的辐射一定含有带电粒子，其运行时带有一个电子从20亿～150亿伏电压下降的过程中所获得能量，他们对这些能量的来源进行了猜测。

我们已经看到一个粒子的质量在其运行速度增加的过程中如果相应增加，从而一个运动足够快的电子可能具有一个完整原子的质量。这不是异想天开的猜测，或仅仅是理论推演，因为罗林斯顿和福勒已经发现，实验室中的一个完整原子可以将自己转换成一对粒子，其运行速度可以使其质量之和等于原来原子的质量。密立根还猜测到，宇宙辐射可能含有这类粒子，它们的高速运动令其具有原子的质量。1943年，密立根、内尔和匹克林发现，观察到的辐射可以通过氦、氮、氧和硅原子的分解进行解释——这不是原子的随意分类，因为其中含有空间中最普通的一些原子，如果这些最终被证明是宇宙辐射之源，那将成为物质转换成辐射的显著案例，尽管到目前为止我们还不知道这种转换如何发生或为什么发生。我们已经看到较不完整的转换如何被应用在原子弹中，未来将很快看到来自太阳和其他星体的辐射将会如何得到应用。

其他粒子　宇宙辐射的高能穿透力暗示了一个高能的破碎能力，事实上这种辐射击碎了所有撞到的原子核。如果这种情况发生在威尔森冷凝室，被击碎的原子核碎片可以通过对不同组成部分冷凝痕迹的摄影进行检验。1932年，在帕萨迪纳技术学院工作的卡尔·安德森发现这些碎片含有一种尚不知晓的粒子，并且携带质子电荷，但质量只有一个电子大小，它们实际上是带有正电荷的电子，安德森称之为阳电子。

它们的存在时间很短，几乎一出生就与普通电子合并，并在辐射的一瞬间消失，这一闪所产生的能量当然是，其质量等于阳电子和电子的组合质量。1933年，布莱克特和奧恰利尼在卡文迪什实验室提出并由安德森迅速证实，该过程具有可逆性，由于阳电子和电子成对消亡，它们也成对出生，这样能量创造了物质。

到目前为止，这些阳电子仅仅被认为是来自空间深处的宇宙辐射的产物，但在1934年，约里奥发现类似的粒子也从某种实验室产生的放射性原子核中释放出来。

1937年，宇宙辐射所产生的碎片含有另外一种新的粒子——介子（重电子），它与电子具有同样的电子，但是其质量不同，据估算可能是电子质量的40～500倍，因而介于电子质量和质子质量之间。这种质量是否等同还不得而知，可能有很多种介子。

所有这些不同的粒子看起来都是从原子核中出现的，而原子核可以看作是所有这些粒子的混合体，但是我们不知道这些粒子在多大程度上可以永久并独立地存在。安德森曾经提出，中子可能不是基本粒子，而是一个质子和电子的组合——一种崩溃了的氢原子。卢瑟福和阿斯顿发现，其质量大约比一个质子和电子的组合质量高出大约1%的十分之一，更笼统地说，质子和中子可能是同一基本粒子的不同状态，二者通过释放1个电子或阳电子而互相转换。这种释放当然会产生反作用力，并且为了符合能量和动能守恒原则，还会有其他粒子同时被释放出来，所需要的纯粹的假想粒子被称为“中微子”或“反中微子”。

鉴于上述所有，对原子核赋予任何精确的规范都是徒劳的，讨论一杯茶是含有用糖甜化了的奶茶，还是含有用牛奶白化了的糖茶并没有太大的意义。