物理學(xué)發(fā)展札記——原子和原子核部分

1、物理學(xué)發(fā)展札記——原子和原子核部分自然科學(xué)剛跨入20世紀(jì)，物理學(xué)領(lǐng)域內(nèi)首先掀起了革命的浪潮。19世紀(jì)末，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)上的一系列重大發(fā)現(xiàn)，沖擊著經(jīng)典物理學(xué)的連續(xù)觀念、絕對(duì)時(shí)空觀念和原子不可再分的觀念，使原有的經(jīng)典理論顯得無(wú)能為力。這一沖擊，對(duì)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們的影響是很大的。因?yàn)?9世紀(jì)物理學(xué)取得巨大成就時(shí)，不少物理學(xué)家除了贊嘆以外，還流露出滿(mǎn)足和無(wú)所作為的思想。著名的德國(guó)物理學(xué)家基爾霍夫（G.R.Kirchhoff，1824—1887）曾經(jīng)

2、表示過(guò)：“物理學(xué)將無(wú)所作為了，至少也只能在已知規(guī)律的公式的小數(shù)點(diǎn)后面加上幾個(gè)數(shù)字罷了?！逼绽士说膶?dǎo)師也曾經(jīng)說(shuō)過(guò)，物理學(xué)將會(huì)很快地具備自己的終極的穩(wěn)定的形式。并表示，雖然在這個(gè)或那個(gè)角落里，還可能發(fā)現(xiàn)或消除掉一粒塵土或一個(gè)小氣泡，但作為整體的體系卻足夠牢固可靠了。理論物理學(xué)已明顯地接近幾何學(xué)100年來(lái)已經(jīng)具有的那種完善程度。在剛跨入20世紀(jì)的第一天，世界著名物理學(xué)家開(kāi)爾文（LdKelvin，原名為W.Thomson，1824—1907）也

3、曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“在已經(jīng)建成的科學(xué)大廈中，后輩物理學(xué)家只能做一些零碎的修補(bǔ)工作了?！钡牵置翡J地發(fā)現(xiàn)，在物理學(xué)晴朗的天空里，還有兩朵小小的令人不安的烏云。這兩朵“烏云”是指什么？為什么這兩朵烏云會(huì)引起這樣著名的物理學(xué)家的不安呢？我們還是回顧一下歷史吧！物理學(xué)進(jìn)入到19世紀(jì)80年代以后，物理學(xué)的經(jīng)典理論不斷完善，與此同時(shí)，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)上卻陸續(xù)發(fā)現(xiàn)一些重大的結(jié)果，這些結(jié)果使舊有的物理學(xué)理論顯得無(wú)能為力。這些實(shí)驗(yàn)中，至少有7個(gè)重大的發(fā)現(xiàn)，不但舊理

4、論無(wú)法解釋?zhuān)械倪€導(dǎo)致觀念上的更新。第一個(gè)實(shí)驗(yàn)是1887年赫茲（H.R.Hertz，1857—1894）在驗(yàn)證麥克斯韋（J.C.Maxwell，1831—1879）預(yù)言電磁波存在的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。赫茲在研究電磁波發(fā)射和接收的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生火花的光與接收間隙隔絕時(shí)，必須縮短接收間隙，才能使它發(fā)生火花；任何其他火花的光射到間隙的端點(diǎn)，也能使間隙之間發(fā)生火花。當(dāng)赫茲進(jìn)一步研究后，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象中起作用的是光的紫外部分。當(dāng)這部分

5、光射到間隙的負(fù)極時(shí)，作用最強(qiáng)。這就表示紫外光照射負(fù)極時(shí)，負(fù)極更容易放電，即有更多的電子逸出負(fù)極的表面。用其他光照射時(shí)，就沒(méi)有這種現(xiàn)象。按照經(jīng)典理論，從金屬表面逸出電子的數(shù)目與光的強(qiáng)度有關(guān)，而與光的頻率無(wú)關(guān)。這一矛盾，赫茲無(wú)法解釋?zhuān)砸浴罢撟贤夤鈱?duì)放電現(xiàn)象的效應(yīng)”為題發(fā)表論文，描述了這一現(xiàn)象和結(jié)果，向物理學(xué)經(jīng)典理論發(fā)起了挑戰(zhàn)。第二個(gè)實(shí)驗(yàn)是1887年的邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)。這一結(jié)果使持有光是“以太”中的波動(dòng)這一觀點(diǎn)的人大失所望，連邁克耳遜本

6、人也不了解這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果的重要意義。第三個(gè)實(shí)驗(yàn)是1895年倫琴（W.K.Runtgen，1845—1923）發(fā)現(xiàn)了X射線。這一發(fā)現(xiàn)是對(duì)“不可入性是物質(zhì)的固有屬性”觀念的挑戰(zhàn)，也是對(duì)建筑在這一觀念基礎(chǔ)上的經(jīng)典物理學(xué)的有關(guān)理論的挑戰(zhàn)。第四個(gè)實(shí)驗(yàn)是1896年貝克勒爾（A.H.Becquerel，1852—1908）發(fā)現(xiàn)了放射性輻射。這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明化學(xué)元素是能蛻變的，它會(huì)變成其他元素，改變了人們一成不變的觀念。第五個(gè)實(shí)驗(yàn)是1897年J.J.湯姆

7、孫（J.J.Thomson，1856—1940）發(fā)現(xiàn)了電子。電子的發(fā)現(xiàn)和證實(shí)，向建筑在經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)上的舊觀念發(fā)起了沖擊，它表明比原子小的粒子是存在的，原子并不是最小的客體，指出了經(jīng)典的物質(zhì)結(jié)構(gòu)理論的局限性。J.湯姆孫獲得了1906年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這是表彰他在氣體導(dǎo)電方面的理論和實(shí)驗(yàn)的研究成果，而只字未提發(fā)現(xiàn)電子。這就表明傳統(tǒng)觀念是比較深的，不少人不容易接受新生事物。第六個(gè)實(shí)驗(yàn)是1898年居里夫婦發(fā)現(xiàn)放射性元素。這一重要發(fā)現(xiàn)，同樣證

8、明化學(xué)元素是要蛻變的，而原子并不是不可分的，它會(huì)放射出更小的粒子而改變自己的性質(zhì)，再次說(shuō)明經(jīng)典理論的局限性。使貝克勒爾相信，經(jīng)日光暴曬后的鈾鹽發(fā)出熒光，然后發(fā)出具有貫穿能力的射線，致使照相底片感光。接著，貝克勒爾用反射光、折射光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，都得到相同的結(jié)果。這樣，他于1896年2月24日向法國(guó)科學(xué)院提交了題為“論磷光輻射”的報(bào)告，描述了這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在貝克勒爾看來(lái)，似乎X射線是由鈾鹽發(fā)熒光時(shí)發(fā)射出來(lái)的。為了證實(shí)自己的論點(diǎn)，貝克勒爾準(zhǔn)備進(jìn)一

9、步做實(shí)驗(yàn)，以便在下周的科學(xué)例會(huì)上提出正式報(bào)告。但是，碰巧的事情發(fā)生了。那幾天天氣不好，沒(méi)有太陽(yáng)光，無(wú)法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他只得把黑紙包好的鈾鹽和照相底片一起放到抽屜里，等待太陽(yáng)光出來(lái)。隔了幾天，天晴了，他想繼續(xù)做實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)之前，貝克勒爾先對(duì)底片作了檢查，即對(duì)上面第一張底片進(jìn)行沖洗，結(jié)果發(fā)現(xiàn)底片上非常清晰地呈現(xiàn)出鈾鹽的影像輪廓。這一結(jié)果，使貝克勒耳陷入了深思。他馬上想到，這個(gè)使照相底片感光的過(guò)程是在黑暗的抽屜里進(jìn)行的，與日曬、熒光根本無(wú)關(guān)。于是他

10、推論，感光的真正原因，必定是鈾鹽自身發(fā)出的某種還不被人們知道的射線所引起的。第二天剛好召開(kāi)科學(xué)例會(huì)，貝克勒爾在會(huì)上公布了這一重要的發(fā)現(xiàn)。這種射線當(dāng)時(shí)被稱(chēng)為“貝克勒爾射線”。后來(lái)，根據(jù)居里夫人的建議，凡是具有這種性質(zhì)的物質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為放射性物質(zhì)，其射線也就稱(chēng)為放射性射線。不久，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)，這種鈾鹽所發(fā)出的射線，不僅可以使照相底片感光，同時(shí)也可以使氣體電離成導(dǎo)體。并發(fā)現(xiàn)，只要有鈾元素存在，就有這種貫穿輻射產(chǎn)生。過(guò)了2個(gè)月，貝克勒爾又發(fā)現(xiàn)，不發(fā)磷

11、光的鈾鹽，也能發(fā)出不可見(jiàn)的射線。貝克勒爾的發(fā)現(xiàn)，與倫琴的發(fā)現(xiàn)相比，情景大不相同，并沒(méi)有引起多大反響，也沒(méi)有引起人們的多大激動(dòng)。這一發(fā)現(xiàn)在報(bào)紙上也沒(méi)有披露，因?yàn)槿藗冞€在繼續(xù)談?wù)摵脱芯縓射線。當(dāng)然，貝克勒爾還在繼續(xù)研究著。直到2年后，居里夫婦的研究成果使放射性的研究工作發(fā)生了一次大的飛躍。由于貝克勒爾的貢獻(xiàn)，他和居里夫婦同獲1903年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。【居里夫婦和放射性元素的發(fā)現(xiàn)】皮居里（PierreCurie，1859.5.15—1906

12、.4.19）是法國(guó)物理學(xué)家。居里夫人——瑪麗居里（MarieSklodowskaCurie，1867.11.7—1934.7.4）祖籍波蘭，法國(guó)物理學(xué)家。對(duì)物理學(xué)的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了放射性元素。貝克勒爾發(fā)現(xiàn)了放射性輻射后，科學(xué)界對(duì)此并不關(guān)心，所以研究工作進(jìn)展不大。正在徘徊不前的時(shí)候，居里夫婦對(duì)貝克勒爾的研究成果表現(xiàn)出極大的熱忱和關(guān)往，并引起猜想：放射性輻射既然由鈾元素本身的性質(zhì)所決定的，那么在自然界中是否還存在其他一些像鈾那樣具有放射性的化學(xué)

13、元素呢？經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定，除了鈾以外還有釷。通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量，居里夫人發(fā)現(xiàn)，鈾（或釷）的化合物的放射性強(qiáng)度與化合物中的鈾（或釷）的含量成正比。由此，居里夫人得出放射性是原子的一種特性，放射性是從原子內(nèi)部產(chǎn)生的結(jié)論。居里夫人進(jìn)而檢驗(yàn)各種礦物放射性的強(qiáng)度，意外地發(fā)現(xiàn)了有幾種礦物的放射性比鈾元素應(yīng)有的放射性強(qiáng)。由此推想，一定還有放射性很強(qiáng)的新的放射性元素存在。但是這一想法卻遭到一些科學(xué)家的反對(duì)和攻擊，可居里夫人并沒(méi)有動(dòng)搖，在丈夫皮居里的支持下，

14、以瀝青鈾礦為原料，提煉這種新元素。經(jīng)過(guò)艱苦的歷程，終于在1898年7月18日向法國(guó)科學(xué)院報(bào)告發(fā)現(xiàn)了放射性強(qiáng)度比鈾高400倍的新元素。居里夫人將此元素命名為“釙”，以紀(jì)念自己的祖國(guó)——波蘭。后來(lái)又發(fā)現(xiàn)，釙元素的放射性還不是很強(qiáng)，為了尋找放射性很強(qiáng)的化學(xué)元素，居里夫婦試用鋇作載體進(jìn)行濃縮，得到了極少量能產(chǎn)生放射性的鋇化合物。但是鋇和它的化合物通常是沒(méi)有放射性的，而居里夫婦得到的少量氯化物，其放射性比鈾大900倍。通過(guò)其他科學(xué)家的協(xié)助，對(duì)該物