世纪末物理学界的三大发现

第三节　19世纪末物理学界的三大发现

原子的发现

原子不可分、原子是物质的最小微粒，是从古希腊德谟克利特到近代道尔顿原子论中铁一般的概念。但是，在19世纪末，几千年来神圣不可分的原子的大门被打开了，从此，人们开始了对原子内部奥秘的探索。而打开原子大门的功劳要归于19世纪末的物理学三大发现：x射线、放射性、电子。“我看见了我的骨头”——X射线的发现x射线的发现起源于对阴极射线的研究。所谓阴极射线管进行实验他惊异地发现胶片又感光了经多次重复实验，结果都一样，所以他断定：阴极射线管会发出一种具有穿透力的射线，这种射线肉眼看不见，但是能用实验装置测试到。

伦琴在极困难的条件下，对他发现的新射线又做了系统的研究。他发现，这种新射线穿透力很强，它能穿过人的衣服、肌肉，但不能穿过骨骼。伦琴在做实验时，无意中用手去遮挡射线，他在屏幕上看到了自己的手，手的肌肉和皮肤部分轮廓微弱、模糊，但骨骼的线条却非常清晰，他试着弯弯手指，握握拳头，屏幕上的手也跟着动作。伦琴高兴极了。

1895年12月22日，伦琴做了一个更有意义的实验。这天，他的夫人来到实验室，伦琴让她把手放在黑纸包严的照相底片上，然后用这种射线对准照射了15分钟。显影后，底片上呈现出伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也十分清晰可见。这成了一张有历史意义的照片。夫人惊奇地问：“什么射线有这么大的魔力？”伦琴回答：“无名射线。”夫人顺口说：“又是一个x！”此刻伦琴心头一亮，接着他说道：“那就叫它x射线吧！”

1895年12月28日，伦琴公布了他的发现，立即震惊了全世界。他那生物骨骼的x射线照片，引起了人们惊恐的好奇心。几天后，全世界的报纸都知道了这个重大发现。差不多有名望的物理学家都在重复做这个实验。在美国报道伦琴发现x射线的新闻四天后，就有人用x射线发现了患者足部的子弹。于是，x射线很快就被应用于医学和冶金学，从而创立了x射线学。x射线的发现，也为后来物理学的发展提供了一个有力的工具。

x射线的发现给伦琴带来了十分巨大的荣誉。1901年，诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。

1923年2月10日，伦琴死于癌症。死前，他把诺贝尔奖金全部留给了维尔茨堡大学，以促进科学发展。伦琴的发现至今仍造福于人类。

关于x射线的本质，当时伦琴本人也不完全理解。到1912年，德国物理学家劳厄通过晶体衍射实验证实了x射线是波长很短的电磁辐射。现代物理学证明，x射线是高速电子轰击靶物质造成内层电子向外层高能态激发在回落到内层电子空位时造成的辐射。

放射性的研究

X射线发现后，全世界科学家把注意力集中在x射线上。伦琴关于发现X射线的论文在3个月内就重印了5次。据统计，1896年一年内全世界有关x射线的研究论文竟达1000篇之多，发表的小册子达48本。其传播之快，反应之强烈，达到空前的程度。

正是这种对x射线研究空前的热情，使得人们对x射线源也发生了兴趣，从而导致了元素放射性和放射性元素的发现。也就是说，元素放射性的发现源于人们对x射线源的探究。

当伦琴把最早印出的论文稿寄给彭加勒等各国物理学家时，在1886年1月20日法国科学院的例会上，彭加勒介绍并展示了伦琴寄给他的X射线照片。参加这次例会的法国物理学家贝克勒耳当场提出：X射线发自阴极射线管的哪个部位？彭加勒回答是管壁发出荧光的区域。贝克勒耳马上想到X射线很可能与荧光有某种关联，他从第二天起就开始寻找这种关联的实验。

贝克勒耳家族都是著名的物理学家，他的祖父和父亲都是以研究荧光和磷光而闻名的。他们的实验室里收集了许多荧光物质，这为贝克勒耳的研究提供了条件。

他选定了铀盐进行试验。他用黑纸包好一张感光底片，在底片上放置两小块铀盐，在其中一块和底片之间放了一枚银元。然后他把这些东西在阳光下曝晒几小时。当他打开黑纸包封的底片时，就可以分辨出银元的影像。

正当贝克勒耳想做进一步试验时，天公不作美，连着几天阴云密布，不见阳光。他只好把实验用的东西锁在抽屉里。1896年3月1日，天气放晴，他决心做完中断的实验。当他检查密封的底片时，他发现了明显的感光现象。他惊喜万分。这表明，铀盐未经日光照射、不发荧光时，依然可以使底片感光，说明铀本身在不断地自行发光，原先的结论错了。第二天，他在科学院的学术会议上公布了这一发现。为了探索这种射线的来源，贝克勒耳试验了大量有磷光和荧光效应的晶体，发现只有含铀的晶体才有这种“穿透辐射”；而且，纯铀所产生的辐射比铀盐强3—4倍。于是，1896年5月18日，他宣布：发射穿透射线的能力，是铀的一种特殊的性质。铀是人们发现的第一种放射性物质。人们把这种天然放射线叫做“贝竞勒耳射线”。

与伦琴发现x射线的境况大不相同，贝克勒耳发现放射性并未引起多大反响，也未引起人们的激动。这种新发现也未在报纸上报道，因为这时科学家们还在继续谈论和研究X射线。

贝克勒耳本人虽然继续从事这方面的研究，但由于只限于研究他所熟悉的铀，且认为别的物质不可能发出更强的射线，因此，研究工作进展也不大。

两年后，一对科学史上著名的夫妇科学家——居里夫妇，投身于放射性元素的研究中，并取得了巨大的成功，先后发现了钋、镭等新的放射性元素，才使放射性研究工作取得一次大的飞跃，为物理学开辟了新的天地。

居里夫人名叫玛丽，1867年出生于波兰华沙，父亲是一位中学教师。后来，玛丽在姐姐的帮助下到法国半工半读，以优异的成绩获数学、物理学两个学位。1895年，与法国青年物理学家居里结婚，因此世称居里夫人。从此，夫妻共同致力于科学研究工作。

贝克勒耳提出的铀及其化合物的放射性现象，没有在科学界引起如伦琴发现X射线般的轰动，但却引起了新婚不久的居里夫妇的注意。居里夫人敏锐地意识到该问题的重要性于是决定将放射性物质的研究作为其博士论文题目，“放射性”一词也是她首先使用的。

居里夫人首先深入研究铀的放射特性。实验工作是在一间破旧的木棚里进行的，潮湿而冰冷，用极为可怜的工具，试验铀的特性。经过几个星期的实验，居里夫人提出了令人惊奇不已的结论：铀的辐射强度正比于所用的数量，不受铀与其他元素的影响；而这类辐射也不受光和温度变化的左右；它们与人们所知的其他任何东西不同，也没有东西会影响它们。

居里夫人立即提出了一个问题：是否还有别的元素也具有这种性质。于是，她不眠不休地、系统地研究和试验当时已知的各种元素和化合物。1898年，她再度公布了一个惊人的发现：“钍”也具有铀那种光线。建议把这种能力叫做“放射性”。

居里夫人在对铀和钍的混合物进行研究时，观察到有些铀钍混合物的辐射强度比其中铀和钍的含量所应发射的还要强得多。那么，这种特别强大的射线又从何而来呢？一定还有一种未知的新元素。比埃尔·居里立刻意识到这一研究的重要性，放下自己正从事的晶体的研究，和玛丽一起投入寻找这种新元素的艰巨的化学分析工作。他们希望从沥青铀矿石中把新元素分离开来，但这种矿石非常昂贵。一吨沥青铀矿石的价值根本不是居里夫妇能够买得起的。他们想到既然不同于铀，那可从已提炼出铀的矿渣中找到，而这种下脚料几乎一文不值。于是，他们就成吨地订购这种“垃圾”，运到他们的木头房子里。他们夫妻俩一铲一铲地往铁炉里送，毒烟呛得他们既咳嗽又喘气。1898年7月，他们终于发现了一种新的放射性元素。为了纪念玛丽的祖国波兰，他们把这新发现的元素取名叫做“钋”。钋的放射性比铀强400倍。

在这年的年底，他们又发现了放射性比铀强200万倍的镭。这个消息再次轰动了世界，但也有人提出了怀疑。为了证实镭的存在，他们在十分简陋和艰苦的条件下，用“分步结晶法”经过4年的努力，于1902年才从几吨的矿石中提炼出0．1克浓缩的镭化合物——氯化镭，并首次测得镭的原子量为225（现在已知为226），从而证实了镭的存在。这时才打消了化学家、物理学家们的疑问。

为了表彰贝克勒耳和居里夫妇在发现放射性方面的贡献，1903年，他们三人分享了该年度的诺贝尔物理学奖。

因为镭的发现，使居里夫妇名扬四海，他们的科学事业也正处于蓬勃上升的时期，但谁也没有想到，一个人生的巨大悲剧正在偷偷地向他们袭来。1906年4月16日，阴雨连绵，居里撑着雨伞，慢慢地在拥挤的人群中走着。街道很窄，路很滑。居里在一辆出租马车后面横穿马路，没想到，后面又冲来一辆马车，居里被碰滑倒了，马车轮轧碎了他的头颅。

居里夫人失去了她心爱的丈夫，失去了科学征途中不可分离的战友38岁的居里夫人进入了一生中最悲痛的日子。但是，她强忍悲痛，以超人的毅力，接替了她丈夫的教授工作，并领导实验室的研究。1908年，她进一步提纯了氯化镭，精确测定出镭的原子量是226．45。

1910年9月在比利时布鲁塞尔召开的放射学大会上，她建议将镭等放射性元素应用于医学事业，并以居里的名字命名放射单位。

不久，世界上第一台镭辐射仪诞生，并首先用来治疗癌症。20世纪以来，癌症日益猖獗，放射性治疗使成千上万的癌症患者生命得到延续。为此，1911年瑞典科学院再度授予居里夫人诺贝尔化学奖，表彰她为放射性元素化学做出新贡献。她成了世界上第一个两次荣获诺贝尔奖的人。

居里夫人是一位伟大的科学家，同时也是一个人格高尚、心地无私的人。当镭可治疗癌的效用被证明后，有人建议她把提炼镭的过程申请专利权。也有大企业上门要求独家买断提炼镭的技术。如果这样，居里夫人可以毫不费力地成为百万富翁。但居里夫人都拒绝了。她毫无保留地把提取镭的技术公布于众。她说：“我们发现了镭，但不是创造了它，因此它不属于我们个人，它是全人类的财产。”“镭是一种慈善的工具，它是属于全世界的。”而对成功后铺天盖地而来的各种荣誉，居里夫人始终淡然处之。爱因斯坦曾这样称赞这位世界上最谦逊的伟大女性：“在所有的世界著名人物中，玛丽居里是唯一没有被盛名宠坏的人。”

居里夫人因长期研究放射性物质，受到了放射性的严重伤害，得了白血病，于1934年7月4日逝世。其实，最早研究放射性的贝克勒耳，也是由于受到放射性的伤害而献出宝贵生命的，死时年仅56岁。可以说，居里夫人和贝克勒耳都成了放射性事业的殉职者。

后来，居里夫人的女儿伊雷娜和女婿约里奥·居里继承了居里夫人的事业，并取得了巨大的成就，于1935年夫妇两人一起荣获诺贝尔奖。居里一家先后三次五人获得诺贝尔奖，这在诺贝尔奖史上一直传为佳话。

放射性物质的发现，打破了原子不可再分的陈旧观念，证明原子不是组成单质的最小单位，它还可以再分（放出射线）。正如著名物理学家劳厄指出：“几乎没有任何东西像放射性那样对原子概念的变化有那么大的贡献。”

汤姆孙与电子的发现

电子的发现也是研究阴极射线的结果。关于阴极射线的本质，一直存在着两种看法：一种认为是以太波，一种认为是带电粒子流。正是这两种意见的长期争论和不断研究，促成了英国物理学家汤姆孙在19世纪末发现了电子。

1856年，汤姆孙出生于英国的曼彻斯特。父亲原先靠摆书摊养家糊口，后经奋斗成了著名的书商。他从自己的经历中深知没有知识的苦衷因此十分重视对子女的文化教育，特地请家庭教师指导子女的学业。由于这一缘故，汤姆孙从小就打下了坚实的学习基础。14岁进入曼彻斯特大学，毕业时获得了奖学金。1876年，20岁的汤姆孙被保送到剑桥大学三一学院深造，成为知名教授路兹的得意门生。大学毕业后，他留在著名的卡文迪许实验室工作。27岁被选为皇家物理学会会员。1884年，28岁的汤姆孙接替瑞利担任卡文迪许实验室主任，在该室工作长达42个春秋。

汤姆孙少年英俊，意气风发，曾吸引不少名家闺秀，但他一心扑在科学事业上，无暇他顾。吉德勋爵夫妇的掌上明珠露丝小姐，早在剑桥上学时就爱上了汤姆孙，等了多年不见回音，就提笔给他写了情书：“现在，你是年轻的皇家学会会员，最崇高的卡文迪许教授。亲爱的，我们该结婚了吧？”汤姆孙壮志未酬是不愿结婚的，他回信安慰心爱的人说：“再等一等，等我获得亚当斯物理学奖时咱们再结婚，那样，你不会觉得更光柴、更幸福吗？”1890年元旦，汤姆孙获得了亚当斯物理奖。获奖的第二天，34岁的汤姆孙怀着胜利与幸福的心情同露丝小姐结为百年之好。国王和王后也光临他们的结婚典礼，他们的姻缘一时传为剑桥大学的美谈。

就在结婚的这一年，汤姆孙开始了对阴极射线的研究。他在一个15米长的真空管内，用旋转镜测时间差的方法测量阴极射线在低压气体中的传播速度，得到的速度远小于光速。

根据速度，他认为把阴极射线看作电磁波是没有道理的。为了进一步证明阴极射线是粒子流，并查明它的物理性质，汤姆孙完成了一系列阴极射线的实验。

首先他测定阴极射线所带电荷的性质。通过实验，他发现阴极射线与负电荷在磁场和电场作用下遵循同样的路径，因此，它是由带负电荷的粒子组成。

接着他由阴极射线在电场与磁场中的偏转来测定带电微粒的荷质比。使他惊奇的是，通过计算求出的荷质比，比最轻的氢原子的荷质比要大得多，这说明这种粒子的质量比氢原子的质量要小得多，前者大约是后者的1／1840。他借用一位前辈物理学家斯托内曾用过的名词，把这种粒子称为“电子”。

电子的发现再一次否定了原子不可分的观念。正如汤姆孙所指出的，以前认为不可再分原子，现在已经由于有很小的粒子从里面跳出来而被分开了。

电子的发现，在物理学史上有着重要的意义。因此，汤姆孙获得了1906年的诺贝尔物理学奖。

汤姆孙毕生从事科学研究工作，除了发现电子外，还取得过许多重大成就。1908年被封为勋爵。1918年任英国皇家学会主席。

1940年8月30日，汤姆孙以84岁高龄去世，葬于成斯敏斯特教堂公墓的中央，那里安放着牛顿，达尔文、开尔文等伟大科学家的骸骨。

x射线放射性电子三大发现后原子不可分的古老信念被打破了，加上开尔文所称的两朵乌云：迈克耳孙一莫利以太漂移实验的零结果和“紫外灾难”，整个经典物理学的大厦开始动摇了。建立新的物理学理论体系的条件已经成熟。