物质和电的基本量子

第二节　物质和电的基本量子

在动理论所描绘的物质结构的图景里，所有的元素都是由分子构成的。我们拿最轻的元素——氢作为最简单的例子。我们曾经看到过，研究布朗运动使我们能决定出一个氢分子的质量。它等于3．3×10^－24克。

这意味着质量是不连续的。氢的质量只能按最小单位的整数倍来变，每一个最小单位对应于一个氢分子的质量。但是化学过程表明，氢分子可以分为两部分，或者换句话说，氢分子是由两个原子组成的。在化学过程中，起基本量子作用的是原子，而不是分子。将上面的数目用2来除，就得出氢原子的质量，它近似地等于：1．7×10^－24克。

质量是一个不连续的量。但是，在决定物体的重力时，当然不必考虑这一点。即使是最灵敏的秤，要达到能够检测出质量不连续变化的精确度还是差得很远的。

让我们回到大家所熟知的情况。把一根金属线与电源连接，电流就由高电势流向低电势而通过导体。我们记得，有很多实验论据是用电流体在导线中流动的这个简单理论来解释的。读者应该记得，是“正流体”从高电势流向低电势，还是“负流体”由低电势流向高电势，只不过是一个导体上的规定而已。我们暂且不管由场的概念而得到的所有进展。即使当我们只想到电流体这样一个简单的术语时，也仍然有一些问题需要解决。正如“流体”这个名称本身所暗示的，早前电被认为是连续的量。按照这种旧的观念，电荷的数量可以按任意小的一份去变化，而不必假设基本的电量子。物质动理论的建立使我们提出一个新的问题，电流体的基本量子是否存在呢？还有一个要解决的问题是，电流是由正电流体的流动所组成的，还是负电流体的流动所组成的，或是两者兼而有之的呢？

所有答复这个问题的实验，其基本观念都是将电流体从导线中分离出来使它在真空中流过并割断它和物质的任何联系，然后研究它的特性。在这种情形下，这些特性应当显示得更清楚了。在19世纪末，做了很多这类的实验。在说明这许多实验装置的观念以前，我们至少将在一个例子中先把结果引出来。在导线中流过的电流体是负的，因而它流动的方向是由低电势流向高电势。假使我们在建立电流体理论的时候一开头就知道了这一点，我们一定会把所用的名词改换一下，把硬橡胶棒所带的电叫作正电，而把玻璃棒所带的电叫作负电。这样把流过导线的流体看作正电，就方便多了。但是由于一开头我们就作了错误的猜测，我们现在就只好忍受这种不方便了。

下一个重要问题是：这种负的电流体的结构是不是“粒状的，它是不是由电量子所组成的。又有大量独立的实验指出，毫无疑问，这种负电的基本量子是确实存在的。负的电流体是由微粒构成的，正好像海滩是由沙粒构成或者房子是由一块一块砖砌成的一样。汤姆孙约在100年前就很清楚地把这个结果提出来了。负电的基本量子被称为电子，因此任何负电荷都是由大量的用电子来代表的基本电荷所组成的。负电荷和质量一样，只能不连续地变化。但是基本电荷是那样小，使得在很多研究中把电荷看成是连续的，不但可以，而且有时甚至更方便些。这样，原子和电子理论就在科学中引入了新的只能跳跃地变化的不连续的物理量。

设想有两块金属平板平行放置，它们周围的空气都被抽完了。一块带正电荷，而另一块带负电荷。放在这两块金属板之间的一个带正电荷的检验体，将被带正电荷的板所推斥又被带负电荷的板所吸引。这样，电场的力线方向将从带正电荷的板指向带负电荷的板。作用在带负电荷的检验体上的力，则方向相反。假使金属板足够大，则两板之间的电场线的密度到处都相等。不管检验体放在哪里，这个力的大小和力线的密度都到处一样。在两板之间产生出来的电子，会像地球的引力场中的雨滴一样，彼此平行地，由带负电的板向带正电的板运动。已经有很多著名的实验装置可以将一阵电子雨放入这样一个能使电子指向同一方向的电场中。最简单的方法之一，是在带电金属板之间放置烧热的金属线。烧热的金属线发射出电子，电子射出后就受外电场力线的影响沿力线方向运动。举个例说，大家熟知的无线电电子管，就是根据这个原理制造出来的。

科学家对于电子束完成了很多极为巧妙的实验，研究了它们在不同的外电场和外磁场中轨道的改变，甚至分离出单个电子来决定它的基本电荷和质量（即指电子对于外力作用的惯性抗力）。这里我们将只引用一个电子质量的数值，它大约是氢原子质量的1／2000。这样，氢原子的质量虽然很小，但和电子的质量比较时，就显得很大了从统一场论的观点看来电子的全部质量也就是它的全部能量）是它的场的能量，场的能量强度大部分集中在一个很小的球体内，而离开电子“中心”较远的地方场的能量就弱了。

我们以前讲过，任何一种元素的原子就是这种元素本身最小的基本量子。长久以来，人们都是相信这个说法的。但是，现在我们不再相信了！科学建立了新的观点，指出了旧观点的局限性。在物理学中，原子具有复杂结构这个论据已经是确实无疑的了，首先确认了电子——负电流体的基本量子——也是原子的组元之上，是建成所有物质的基本“砖块”之一。上面所引用的炽热的金属线发射出电子的例子，只不过是从物质中取出电子的无数例子中的一个罢了。这个把物质结构的问题和电的结构问题紧密地联系起来的结果、不容怀疑，是和大量独立实验的论据相符的。

从原子中把组成原子的几个电子抽取出来，是比较容易的。可以用加热的办法，例如我们的炽热金属线的例子；也可以用另外的方法，例如用其他电子来轰击这个原子。

假设把一根炽热的细金属丝插入稀薄的氢气里，金属丝将向所有的方向发射电子。在外电场的作用下，它们会获得一定的速度。一个电子的加速就正像在引力场中下落的一个石子加速一样。利用这个方法可以获得以一定方向和速度运动的电子束。用很强的电场作用于电子，我们现在已经可以使电子的速度接近光速。当具有一定速度的电子束打在这些稀薄的氢气的分子上时，将会发生什么事情呢？足够快的电子打到氢分子上时，不但将氢分子分裂为两个氢原子，而且还从两个原子中的一个“抽”出一个电子来。

我们如果承认电子是物质的组元。那么，被打出了电子的原子就不可能是电中性的了。假使它以前是中性的，那么它现在就不可能是中性的，因为它变得缺少一个基本电荷了。剩下的部分应该具有正电荷。而且，由于电子的质量远小于最轻的原子的质量，我们尽可以得出这样的结论：原子的绝大部分质量不是由电子贡献的，而是由比电子重得多的。剩下的基本粒子贡献的。我们把原子的这个重的部分叫作它的核。

现代实验物理学已经发展到了掌握分裂原子核的方法。把一种元素的原子转变为另一种元素的原子的方法以及把组成原子核的重质量的基本粒子从核中取出的方法等等。这个以“原子核物理学”命名的物理学分支，卢瑟福对它的贡献最大，从实验的观点看来，这部分是及其重要的。

但是至今还缺少一种能将原子核物理学范畴内大量论据联系起来而其基本观念又很简单的理论。因为本书只注重一般的物理学观念，所以尽管这个分支在现代物理学中非常重要我们还是将它撇开不谈。