来自原子世界的信息

第四节　来自原子世界的信息

X射线的发现

在19世纪末期的时候，物理学已经发展到了能令人满意地勾画出自然现像及其相互关系的图像，并且似乎达到了相当完善的程度。看来，一切都好像很适合一般的力学概念，甚至包括电、磁、光等现象。许多人认为牛顿的物理学是无所不包、无所不能的，它能“概括”宇宙中最大的物体运动和最小的原子运动。

许多的物理学家都觉得，他们已经完成了他们该做的所有工作。当时有一位著名的科学家在1893年发表演说，认为物理学的所有伟大发现可能都已完备。他把科学的发展状况及历史，精心地编制成纲目。他说：以后的物理学家们除了重复及改良过去的实验，使原子量或一些自然常数增加些小数点位数以外，将再也不会有什么事可做了。这种言论在当时来说，是有一定代表性的。在一些人看来，“科学的大厦已经建成”，人类对自然界的认识已经到了顶点，经典物理学已经发展到“终极理论”，科学似乎已完成了历史使命。

但是，两三年以后，也就是19世纪的最后几年里，一些轰动世界的革命性发现无情地冲击了物理学界的保守观点。活生生的客观事实使一些科学的“顶峰论”者目瞪口呆。这些事实也使一些原来已经认为熟悉了这个物质世界的人们，立即又感到并不完全熟悉了，对某些领域又感到陌生了；对于从前蛮有信心地描绘的那个“简单”、“纯朴”、“有秩序”的世界，立刻又产生了怀疑。

在当时，比较轰动世界的事件，首先要数X光的发现和放射性元素的发现。1895年11月8日傍晚，德国物理学家伦琴（1845－1923年）正在沃兹堡大学的一个实验室，做一项关于阴极射线的实验。阴极射线实验是在抽空的电子管中，由阴极发出的电子在电场加速下所形成的电子流。确认电子的存在，是两年以后的事情，下面将会专门叙述。

伦琴用黑纸将阴极射线管完全掩遮好，使之与外界相隔绝，然后把窗帘放下，打开高压电源，以便检查有没有光线从管中漏出。突然，他发现有一道绿光从附近的一个板凳射出，掠过他的眼前。他把高压电源关掉，光线也随着消失。奇怪！板凳怎么会发射出光来呢？“留心意外的事情”是科学研究工作者的座右铭。伦琴马上点了灯，照了照板凳，发现那里摆着的原来是自己做其他试验时用的一块硬纸板，硬纸板上涂了一层荧光材料（氰亚铂酸钡的晶体）。

伦琴感到十分惊讶。从阴极射线管中散出的阴极射线有效射程仅有一英寸（1英寸＝2．54厘米），显然是不会跑出这么远的。那么是什么使荧光材料闪出光亮的呢？伦琴很快意识到有某种崭新的未知光线发生了。这种未知光线从阴极射线管发出，穿过了黑纸包层，射到了硬纸板上，激发了涂料的晶体发出荧光。

对大自然最细致的超出常规的举动，要加以注意，对那些意外事件进行研究，这是科研工作能取得成果的秘诀之一。在这里，最需要的是始终不懈的敏感性。因为“机遇只垂青那些懂得怎样追求它的人”。伦琴为此惊喜万分，再次打开开关，随手拿一本书挡在阴极射线管与硬纸板之间，发现硬纸板依然有光。

伦琴激动得难以控制自己，一连几天几夜关在实验室里继续实验。他先后在阴极射线管与硬纸板之间放了木头、乌木、硬橡胶、氟石以及许多种金属，结果发现这种未知的光线仍然能够照直穿透这些物体。只有铝和铂挡住了这种光线。

伦琴的妻子对于伦琴总是迟迟不回家很生气。于是伦琴把她带到实验室里，把用一张黑纸包好的照相底片放在她的手掌下，然后用阴极射线管一照，拍下了历史上最著名的一张照片。冲洗出来的底片清楚地呈现出伦琴夫人的手骨结构，手上那枚金戒指的轮廓也清晰地印在上面。

伦琴当时无法说明这种未知的射线，就用代数上常用来求未知数的“X”来表示，把它定名为X射线。实际上后来才知道，X射线是由阴极射线打在阳极靶上而获得的。伦琴经过了一连七个星期废寝忘食的紧张工作，终于在12月28日完成了举世轰动的科学报告。不久，世界上各大报纸都报道了这一重要新闻。这时，有一些物理学家们才开始懊悔自己没有追究实验室内照相底片“走光”的问题。也有的物理学家责备自己把照相底片感光，错误地归于阴极射线的作用结果。还有一位物理学家声称，他发现X光是在伦琴之前，只是由于不愿中断正常的研究工作，而未发表。的确，这个发现完全有条件在20年前的任何实验室完成。可是，如果伦琴对这一“科学的闪光”漫不经心，轻易放过这一重要线索，或是不深入思索，轻率地把它归于任何一种别的原因，那么X光还是发现不了。

伦琴的这个发现并不是偶然的。因为早在1878年8月英国物理学家克鲁克斯的工作就曾轰动一时。那时克鲁克斯就根据自己的研究在英国皇家学会作了讲演，他说：“这些真空管中出现的物理现像揭示出物理学的一个新世界”。但他不正确地把阴极射线归于物质的第四态了，他认为阴极射线是“超气态”。德国的勒纳受克鲁克斯的影响，进行了研究，并于1893年公布了关于阴极射线的研究报告。

伦琴在他们研究的基础上，进而通过试验发现，这种X射线不是像阴极射线那样随磁场偏转，它似乎发生在真空管中阴极射线照射的地方。因为他发现，当阴极射线随着磁铁偏转时，X射线的发源点也跟着移动。例如让阴极射线照射铂，产生的X射线远远比在铝、玻璃和其他物质中产生的X射线强。此外，尽管伦琴利用了区分普通光的棱镜，并没有观察到X光的折射，利用透镜也没有观察到反射的聚焦。显然，X光与普通光是不同的。

1901年，当瑞典科学院颁发第一次诺贝尔奖金时，物理学奖的选择对象自然在伦琴身上。伦琴成名以后，反对用自己的姓氏来命名X射线。同时他还谢绝了巴伐利亚王子所授予的他的贵族爵位，并因此受到贵族的冷遇。他把他获得的全部诺贝尔奖金都捐献给了自己的工作单位沃兹堡大学物理实验室作为研究费用。他说：“我认为发明和发现都应属于整个人类。”伦琴的无私精神受到了世界各国人民的高度赞扬。

X射线在后来一直到今天，得到了广泛的应用，工业上用于金属探伤，医院里用它来透视人体的心肺、脏腑和骨骼，已经成了重要的医疗设备。

对于X射线的研究，不久又促成了天然放射性的发现。因此，可以说X射线是原子世界透出的一道曙光，为人们深入观察原子及其运动带来了光明。

铀天然放射性的发现

亨利·贝克勒耳出生在一个物理学家的家庭里，他的爸爸是研究荧光的。有一种钟表上使用的物质，白天在阳光照射后，到了黑夜里会发出微弱的光亮，在物理学上，这种经过太阳的紫外线照射以后发出的可见辐射，称为荧光。

1896年，亨利·贝克勒耳从他爸爸那里选了一种荧光物质铀盐，学名叫硫酸钾铀，想研究一下一年前伦琴发现的X射线到底与荧光有没有关系。

贝克勒耳想，要弄清这个问题，方法并不难。只要把荧光物质放在一块用黑纸包起来的照相底片上面，让它们受太阳光的照射，就能作出判断。由于太阳光是不能穿透黑纸的，因此太阳光本身是不会使黑纸里面的照相底片感光的。如果在由于太阳光的激发而产生的荧光中含有X射线，X射线就会穿透黑纸而使照相底片感光。

后来，贝克勒耳果真进行了这个实验操作，结果照相底片真的感光了。因此，他满以为在荧光中含有X射线。他又让这种现像中的“X射线”穿过铝箔和铜箔，这样，似乎就更加证明了X射线的存在。因为当时除了X射线之外，人们还不知道有别的射线能穿过这些东西。

可是，有次一连几天是阴沉沉的天气，太阳始终不肯露头，这就使贝克勒耳无法再做实验。他只好把那块已经准备好的硫酸钾铀和用黑纸包裹着的照相底片一同放进暗橱，无意中还将一把钥匙搁在了上面。几天之后，当他取出一张照相底片，企图检查底片是否漏光。冲洗的结果，却意外地发现，底片强烈地感光了，在底片上出现了硫酸钾铀很黑的痕迹，还留有钥匙的影子。可这次照相底片并没有离开过暗橱，没有外来光线；硫酸钾铀未曾受光线照射，也谈不上荧光，更谈不到含有什么X射线了。

那么，是什么东西使照相底片感光的呢？照相底片是同硫酸钾铀放在一起的，只能推测这一定是硫酸钾铀本身的性质造成的。硫酸钾铀是一种每个分子都含有一个铀原子的化合物。

物质的最小单元是分子，分子若是由不同元素的原子组成的物质，被称为化合物。

硫酸钾铀这种化合物，含有硫原子、氧原子、钾原子、铀原子，通过比较和鉴别，后来进一步发现，原来，硫酸钾铀中，硫、氧、钾原子是稳定的，只有其中的铀原子能够悄悄地放出另一种人们肉眼看不见的射线，使照相底片感光了。

这种神秘的射线，似乎是无限地进行着，强度不见衰减。发出X射线还需要阴极射线管和高压电源，而铀盐无需任何外界作用却能永久地放射着一种神秘的射线。

贝克勒耳虽然没有完成他预想的试验，却意外地发现了一种新的射线。后来，人们把物质这种自发放出射线的性质叫放射性，把有放射性的物质叫做放射性物质。这就是世界闻名的关于天然放射性的发现。

在科学上，决不能轻易地放过偶然出现的现像。新的苗头或线索，一经出现，就要立即抓住它，刨根究底，问它个为什么，查它个水落石出。

据说，在贝克勒耳之前，已经有人发现了这种怪现像。有一位科研人员把沥青铀矿石和包好的照相底片搁在一起，底片因曝光而作废了。但是，这个人只得出了一个“常识性”的结论：不能把照相底片同沥青铀矿石放在一起。这个结论虽然是对的，也有实用价值；可是由于他缺乏一种刨根究底的钻研精神，没有把原因搞清楚，以至白白地放过了完成一项重大发现的机会。

粗心的人是难有重要发现的，伟大的机会到来时，常常被擦肩而过。因此，科学上想要有成就，必须首先养成善于细心观察事物的习惯和本领。

近代微生物学奠基人巴斯德说过一句话：“在观察的领域中，机遇只偏爱那种有准备的头脑。”这话说得很有道理。

天然放射性的发现揭示了一个非常重要的问题。在自然界中有某些元素能自发地放出射线来，可是这些元素又都是由某种原子构成的，这不就说明了原子本身还会发生某种变化吗？这种变化深刻地意味着原子还有结构，原子还隐藏着秘密。所以说，这项发现从根本上动摇了在这以前那种认为原子是不可分割的陈旧观念。从此，人类跨入了进一步了解原子的大门。

天然放射性的发现被誉为原子科学发展的第一个重大发现。

在世纪之交的19世纪末期，科学上是个令人迷惘的时期，面对如此重大的发现，有的科学家想不通，例如，当时很有名望的科学家洛伦兹就企图把这些崭新的实验事实纳入旧理论的框框，从旧的原子学说中寻找答案，这当然是不行的，不会取得任何成就的。于是，在这些客观事实面前，他们苦恼和彷徨，甚至对科学丧失信心，哀叹物理学发生了“危机”，“科学破产”了。他本人曾绝望地说：“在今天，人们提出了与昨天所说的话完全相反的主张；在这样的时期，真理已经没有标准，也不知道科学是什么了。我很悔恨，我没有在这些矛盾出现的五年前死去”。个别科学家甚至因此而走上了自杀的道路。而后来的事实发展充分证明，正是这些划时代的发现，点燃了新世纪的火炬。

电子存在的判定

汤姆生与其他青年物理学家一起，研究为什么气体在X射线照射下会变成电的导体。据汤姆生的推测：这种导电性，可能是由于在X射线的作用下，产生了某种带正电的和带负电的微粒所引起的。他甚至认为：这些带电的微粒可能就是想像中原子的一部分。这种想法，在当时不能接受，世界上哪有比原子更小的东西呢？

为了搞清楚在通电玻璃管内从阴极发出的射线可能就是由那些连续发射的粒子所组成的。汤姆生想称量出这些粒子的重量。可是怎么去称量那么小的粒子呢？

汤姆生利用电场和磁场来测量这种带电粒子流的偏转程度，以推测粒子的重量。他说，粒子愈重，愈不易被偏折；磁场愈强，粒子被偏折愈厉害。测量这些粒子被偏折的程度和磁场强度，就能间接地测出它们的质量，亦即能得出粒子所带电荷与其质量之比。这仿佛是要测定子弹的重量（铁子弹），我们可以在一个大磁铁附近发射子弹，子弹受磁场的作用会偏离靶心，然后根据子弹偏离靶心多远和磁场强度大小推知子弹重量多大。

1897年，汤姆生根据实验指出，阴极射线是由速度很高（每秒10万千米）的带负电的粒子组成的。起初称为“粒子”，后来借用了以前人们对电荷最小单位的命名，称之为“电子”。实验结果表明，阴极射线粒子的电荷与质量之比与阴极所用的物质无关。也就是说，用任何物质做阴极射线管的阴极，都可以发出同样的粒子流，这表示任何元素的原子中都含有电子。

汤姆生还发现，除阴极射线外，在其他许多现像中也遇到了这种粒子。例如把金属加热到足够高的温度时，金属或某些其他物质受光特别是受紫外线照射时，也都放出电子。这个事实更进一步说明了任何元素的原子中都含有电子。

汤姆生测出，电子的质量只有氢原子质量的1／1840，电子的电荷是－4．8×10^－10静电系单位（或－1．602×10^－19库仑）。电子的重量只有9．11×10^－28克。

汤姆生的思想摆脱了传统观念的束缚，发现了电子，但又受到了嘲笑。因为许多人根本就不相信思，认为汤姆生的说法是愚蠢的，甚至说他是个骗子。汤姆生在英国科学知识普及会上讲述他关于电子方面的实验时，在座的大部分物理学家对他所持的观点表示怀疑。所以，在当时，电子的发现并没有引起广泛注意。关于这一点，汤姆生的儿子后来写道：“反对这种比原子还小的粒子客观存在的论调，还是不停地出现，但那只不过是旧物理概念间歇的垂死痉挛。”

电子的客观存在，被后来愈来愈多的事实完全证实了。这项重大发现，不仅使我们对原子结构有了进一步认识，而且还使我们弄清了电的性质。每秒钟导体的某一横截面上会有6．242×10¹⁸（10¹⁸即100亿亿）个电子的定向流动，就是我们所知道的1安培的电流。

电子的发现及电子学的一系列成就，是现代文明的基础，天上的航天飞机、人造卫星，地上的电气列车，城市的电车，电灯、电话、电视、电炉、收音机、雷达等，无一不是靠电子的工作。

电子的发现，直接证明了原子不是不可分割的物质最小单位。原子的自身还有结构，电子就是原子家族中的第一个成员。

镭及人工放射性的发现

玛丽·居里，即著名的居里夫人，与她的丈夫皮埃尔·居里一起，夫妇俩共同就贝克勒耳首先发现的放射性现象进行研究，先后发现钋和镭两种天然放射性元素，为原子时代的开始，作出了重大贡献。

居里夫人在科学上的刻苦自励、坚韧不拔，生活上的不畏挫折、艰苦朴素，成为后代人敬仰和传颂的佳话。

玛丽生长在波兰一个诚实的农民家庭。她的父母后来离开了农业劳动，从事教育工作，父亲是一位中学的数学和物理教员，母亲做过小学校长，弹得一手漂亮的钢琴。玛丽继承了父亲的才智和母亲的灵秀。

玛丽中学毕业时以优异成绩获得了金质奖章，全家人都为她高兴，她的父亲更感到由衷的欣慰。

19世纪的波兰大学不收女学生，这使玛丽和她的另一个姐姐很犯愁。因为如果出国求学，需要一笔很大的开支。“有办法了！”一天，玛丽在月光下兴奋地对姐姐说：“是这样，你把我们俩省下来的钱都带上，先去巴黎。我在这儿做家庭教师，把挣来的钱再给你寄去。等你毕业有了工作再帮助我。若是我们仍旧各自奋斗，那就谁也无法离开这里。”

姐姐高兴地拥抱着妹妹，眼里闪着激动的泪花：“玛丽，你真愿意帮助我吗？你的天资这样好，应该你先出去，也许很快就会功成名就，为什么先让我走呢？”

“因为你是20岁，我才17岁。”

就这样，姐妹分手了。

姐姐从巴黎寄来了信，妹妹从华沙寄去了钱。为了支持姐姐读书，玛丽有时连一张邮票都买不起。后来，玛丽也到了巴黎。

玛丽在巴黎求学期间，一个波兰籍物理教授为物理学家皮埃尔·居里做了牵线搭桥的人，用中国话说，为玛丽和皮埃尔做了“红娘”。

皮埃尔原是一位对女性抱有成见的人，在他的日记中曾这样写道：“女人比我们更加留恋生命，天才的女人是少见的。”

皮埃尔与玛丽第一次见面时，漫不经心地同她握手，伸过来的是一只秀丽纤巧的小手，手指上留有硫酸灼伤的斑痕。

对于年轻有为的科学家皮埃尔，玛丽闻名已久。然而，第一次会见，除了欣喜之外，在这位27岁的姑娘心中还激起了一道波澜。

当晚，皮埃尔和玛丽都失眠了，皮埃尔找出了自己的日记本，把上面关于女性的偏见涂抹得一干二净。一年之后，两人的感情终于找到了共同的节奏，皮埃尔在给玛丽的信中写道：“如果我们能够生活在一起，那该有多好啊！”

1895年，玛丽和皮埃尔在充满诗情画意的夏天里结婚了。玛丽的婚礼没有白礼服，没有金戒指，也没有按照当地的习俗到教堂去举行仪式。亲友们来祝贺他们的结合，这对新婚夫妇用亲友的馈赠，购买了两辆新自行车。

理化学校的校长同意玛丽在皮埃尔的实验室里继续进行她的钢磁化性能研究。在那些日子里，玛丽白天做八小时的科学研究，回家料理两三小时的家务，学会了煮牛肉和煎土豆片。晚饭后，她坐在一张没有上漆的白木桌子的一端，在煤油灯下准备着大学毕业生的职业考试。皮埃尔坐在这张桌子的另一端，准备明天要上的课。

婚后第三年，玛丽生了一个女儿，玛丽下决心把对科学的热爱和做母亲的责任同时担负起来。她每天给女儿喂奶、换尿布。幸好玛丽的公公给了她很大的帮助。这位老人细心地看管这个小女孩，使玛丽有较多的时间从事她喜爱的科研工作。

玛丽看到一份报告，是法国物理学家贝克勒耳写的，内容是关于他发现铀矿石会放出看不见的射线，而使底片感光的研究。这真是一种奇妙的现像。这种射线是从那儿来的？具有什么性质？这是一个好题目，还没有人做过详细的研究，正可写一篇绝好的博士论文！

玛丽的想法得到了皮埃尔的支持，于是她便立刻动手，搜罗了一些铀矿石，一个皮埃尔和他的哥以前所发明的压电石英静电计和测电器，一个电离室，此外便是一些瓶子。可是得找一个地方来从事她的试验呀！经皮埃尔多次向理化学校校长请求的结果，同意让他们使用一间空着的小贮藏室。

这间房子阴暗、潮湿，对灵敏的测电器是极为不利的。不过玛丽倒觉得无关紧要，她首先是测量射线使空气电离的力量。多次的实验证明：射线的强度和矿石中铀的含量成比例，和外界的光照、温度无关。这结果已使当时的物理学界震惊。

玛丽想来想去，觉得这种独立的射线现像一定是一种原子的特性。铀具有这种特性，别的元素难道不具备这种特性吗？玛丽把能弄到的元素或它的化合物都逐个儿检查一番。结果，她发现另外一种元素钍的化合物也会自动发出射线。玛丽认为：必须给这种独立的放射现像另起一名称，就叫做“放射性”。

玛丽简直被放射性迷住了。由于好奇心的驱使，她几乎检查了所有的盐类、化合物、矿物质、软的、硬的以及各种奇形怪状的东西。她明白了：大凡含有铀或钍的物质，都会有放射性。

玛丽就专门研究那些有放射性的矿物，她发现，有一种铀沥青矿石的放射性，比其中照铀的含量算出来的应有的放射性大得多。难道是仪器不准，或是操作有毛病？可是反复几十次，证明测量没有错。这种过度的放射性是哪儿来的呢？玛丽想：在这种矿石中，一定含有一种放射性比铀或钍强得多的新元素。

玛丽的惊人发现使皮埃尔也感到惊奇，他决定暂停止他自己的结晶学方面的研究，用他的全部力量和玛丽一起研究这种神奇的新元素。

这种强放射既然是由一种新元素所产生，就一定要把它找出来。可是铀矿石的成分早就化验过了，并没有发现什么未知物质。由此可知，这种新元素在矿石中的含量一定非常非常少，以致于当时所用的分析方法都发现不了它。他们悲观地估计，至多不超过百分之一。

玛丽和皮埃尔用化学的方法，把这种矿石的各种成分分开，然后个别测量它们的放射性。经过反复的搜查，发现放射性主要集中在两种化学成分里，这是两种不同的新元素存在的象征。他们认为，现在已经可以宣布发现了这两种元素之一。

皮埃尔向玛丽说：“你给它起个名字吧！”

玛丽的祖国波兰当时已经不存在了，她喃喃地说：“为了纪念我的祖国，把它叫做‘钋’（钋是波兰的意思）吧！”

玛丽把这一发现，写在1898年7月给理科博士院的报告里。同年12月，在另一份报告里写道：“还发现另一种有强放射性的新元素，它放出的射线强到了是纯铀的九百倍。我们提议叫它‘镭’（镭是放射的意思）。”

这个发现使当时的物理学界大为惊奇，有人高兴，也有人怀疑。也有人毫不客气地提出来：“你说你发现了新元素，可是我们没有看见，你能把它放在瓶子里，用酸来化验它？它的原子量是多少？把新元素拿给我们看看，我就相信。”

为了把钋和镭指给不相信的人看，玛丽和皮埃尔决心要把它提炼出来。

根据以往的试验，钋是一个不稳定的东西，提炼起来比较困难，他们决定先提取镭。可是手头的沥青铀矿石太少了。按照他们当时作百分之一含量的“悲观”估计，要想提取看得见的一点镭，估计至少也得一吨矿石。哪儿去弄那么多原料呢？过去的研究全是花他俩自己的钱，政府并没有给他们一文经费。一个矿上正在用这种矿石提炼制玻璃用的铀盐，剩下的残渣就作为废物不要了。这些废物中一定也可提炼出镭来。

玛丽雇了一辆运煤的马车搬运。残渣像小山一样地堆在矿口附近一片松林里。搬运工人把这些废物装进了几十个大麻袋里，拉到玛丽在学校的那间小工作室前面。残渣运到的那一天，玛丽高兴极了。她立刻解开口袋，双手捧起那些灰褐色的东西，还夹杂着不少松针和泥土。玛丽仿佛看到，镭就在里面。

那么多大麻袋只好卸在露天。得找个地方来进行提炼镭的试验呀！皮埃尔去找理化学校的校长，请求他给一间屋子。校长一向是支持皮埃尔工作的，可是他摊着双手表示：哪儿有空屋子呢？

玛丽原来的小工作室对面有一个院子，院子的一侧有一个小木板屋，原来是大学的医学院当解剖室用的。现在这间屋年久失修，玻璃天窗漏雨，板壁破裂透风，连停放死尸都认为不合适了，很久没有人愿意使用这个破屋子。

他们在那木屋里忙碌起来，没有什么大型的器械，只有坩埚、烧杯、曲颈甑、大大小小的瓶子，还有两双手。他们把矿石残渣一千克一千克地加热、蒸干、结晶。这种工作是在院子里的空地上做的，因为有难闻的气味和烟雾。玛丽身穿粗布衣服，沾满了灰尘和酸渍，手拿一根大铁棍，一连几个小时地搅动着呛人的溶液。她的头发被风吹得飘起来，眼睛和咽喉刺激得红肿。皮埃尔则在木屋里专心做他的试验工作，因为他善于摆弄仪器。

下雨的时候，只好匆匆忙忙地把这些东西搬到木屋里来，把门窗打开，好让那些烟散出去。碰到下雨天，雨水透过天棚一滴一滴地落下来。他们只好用粉笔在地上划出记号，把仪器放在不滴水的地方。冬天，那个铁炉子尽管烧得发红，也只有离炉子很近的地方才感到有些热，稍远一点就如冰窖。

偶尔有一些物理或化学方面的同行来看看镭提炼得怎么样了。理化学校一个实验室工人叫伯弟，出于个人的热心，自愿给他们帮些忙。另一个青年化学家安德烈·德比尔纳对提炼镭很感兴趣，常常到木屋来看他们。

玛丽一锅一锅地提炼着这些谁也不要的东西，一吨残渣用完了，又去运来了许多。一次又一次的蒸浓、结晶，可是所得的非常少。他们当初所作的悲观估计只有含量为百分之一，其实实在是太过于乐观了，看来最多只有百万分之一。这种无休止的奋斗，使皮埃尔产生了暂停这项工作的念头。可是玛丽非常坚决，她把全部体力劳动都承担起来，到了晚上简直筋疲力尽。她独自一个人就是一座工厂，这使皮埃尔大为感动，也下决心干到底。这种枯燥的工作日继以月，月继以年。

从宣布镭存在的那天起，时间已过去三年零九个月了。他俩经过漫长的艰苦奋斗，终于从三十多吨残渣里，提炼出0．1克的镭，并且测定了它的原子量。人们可以想像，在这漫长的岁月里，有多少个艰苦劳动的白天，有多少个不可名状的焦心期待的黑夜。这需要有钢铁般的意志，还要有坚韧不拔的毅力。

那天晚上九点钟，玛丽坐在她四岁的小女儿的床边，一直等到这小女孩发出了均匀的鼾声。她站起身来，轻轻地走下楼去，手里拿着针线，坐在皮埃尔对面，缝着小女儿的衣服。可是她老是安不下心来，总记挂着刚刚提炼出来的镭。她对皮埃尔说：“我们到那儿去一会好不好？”

皮埃尔的心情和她一样，他们立刻穿上外衣，出了门，挽臂步行。谁也没有说话，默默地穿过街道，进入那个熟悉的院子。皮埃尔把钥匙插入锁孔，听到那扇板门转动时轧轧作响过几千次的声音。

在漆黑的木屋里，一个放在桌上的极小的瓶子里发出闪烁的、淡蓝的荧光。玛丽和皮埃尔没有点灯，她俩坐在木凳上，身体向前倾斜，久久地望着这神秘的微光。那就是人们一再要求他们拿出来看看的，新发现的放射性镭所发出来的。

他们在科学的道路上携手共进，攻克了一道又一道难关，终于在1902年从沥青矿渣中提炼出了现代物理化学中最宝贵的放射性元素——镭。从而揭开了原子时代的序幕，成为现代科学史上一项伟大发现。

居里夫妇的长女伊伦，从呱呱坠地起，她就得到了父母的爱抚。她的妈妈玛丽·居里，既是严谨的学者，又是慈爱、温存的母亲。玛丽即使在工作最忙的时候，也要挤出时间照料孩子。

当伊伦到了入学年龄时，玛丽·居里对她施行了一种不循惯例的教育。她认为小孩子在学校里太累了，儿童正是长身体、长知识的年龄，把她们整天关在空气污浊的教室里，消耗过多的精力是野蛮的。她对孩子教育的原则是：孩子要学得少些，但要学得好些。玛丽的这种想法得到了朋友们的支持和赞赏，一群有才华的学者都把自己的子女聚集在一起，实施这种新的教育方法。

当时包括伊伦在内共有十来个孩子，每天都去听一种课程，由特邀的老师讲授。这种教育方法既使孩子们兴奋，又使孩子们感到有趣。比如，第一天，孩子们听化学课，第二天，又听另一个教师的数学课。他们还学各种语言，自然科学，雕塑和绘画。最令人兴奋的是听玛丽·居里的物理课。

玛丽利用星期四下午给年幼的学生们讲初步的物理知识，她把书本上抽象而枯燥的概念变成了生动而有趣的语言。玛丽还把她对科学的热爱和严格的治学作风都传授给伊伦和其他孩子们。就这样，当伊伦还是一个几乎不会写不会读的孩子时，就接受了母亲和其他学者的教诲。可以说，伊伦从小就受到了第一流的科学教育。

伊伦所受的这种特殊教育一直继续了两年，直到玛丽·居里及其他孩子的父母实在忙得无暇顾及时，她才被送进一所学校。

在那个初春阴冷的日子里，居里的幸福家庭遭受了巨大的不幸。1906年4月19日，当伊伦还不满9周岁时，她的父亲皮埃尔·居里在巴黎街头不幸被马车辗死了。深深的悲痛笼罩着居里全家。玛丽失去了志同道合的亲密伴侣，伊伦和妹妹失去了敬爱的父亲。

年幼的伊伦是个懂事的孩子，她常常依偎在妈妈的怀抱里，安慰悲伤的母亲。父亲的不幸去世给小伊伦留下的印象太深了，她唯恐母亲再发生什么不幸。她常跟随母亲去实验室，依伴在母亲的身旁。也正是在这里，伊伦渐渐对物理及化学实验发生了浓厚的兴趣，长大后她成了母亲的助手。

约里奥是同伊伦一起在实验室里工作的同事。玛丽·居里虽然失去了忠实的伴侣皮埃尔，而现在又有了两个助手。

核及质子中子的发现

有“核子科学之父”尊称的卢瑟福，终生从事原子结构和放射性的研究。

古代哲学家认为，原子是不可分割的最小物质单元，后来人们又得悉原子内有电子存在。但是，电子在原子内属于何等地位，原子内部情形如何，一直到19世纪末，原子学说对此始终无法解答，更不能证明是否有单个原子存在。卢瑟福迈出了决定性的一步。

1899年，卢瑟福发现了镭的两种辐射。第一种辐射，不能贯穿比1／50毫米更厚的铝片，但能产生显著的电效应。第二种辐射，能贯穿约半毫米厚的铝片，然后强度减少一半，并且能穿过包装纸使照相底片感光。卢瑟福把前者命名为α（阿尔法）射线，后者命名为β（贝塔）射线。卢瑟福的这些发现以及后来在测定α射线的性质等方面的工作，大大地推进了贝克勒耳开始的关于放射性的研究。

1911年，卢瑟福完成了闻名的α粒子散射实验，证实了原子核的存在，建立了原子的核模型。人们对原子模型曾作过各种各样的猜测。卢瑟福老师汤姆生提出：球形的原子内部均匀地分布着阳电荷，带阴电的电子夹杂其中。这个原子模型在科学史上被称为“西瓜模型”，因为它像一个西瓜：整个西瓜分布着阳电荷，而瓜籽带阴电荷，所以对整个“西瓜”——原子而言——显现中性。

按照“西瓜模型”，如果用α粒子轰击原子，α粒子会容易地穿过这个原子，而不至于发生α粒子的散射现像。然而，卢瑟福和他的学生们做了多次实验，表明汤姆生的结论不符合事实。

当卢瑟福以高能量的α粒子流来轰击金属箔时，发现了一种奇妙的现像：大多数α粒子穿过金属箔后依然沿直线前进，但有少数α粒子偏离了原来的运行方向，还有个别的α粒子被射回来，即和原来的放射方向恰好相反。这种偏离现像称为α粒子的散射。那些少数的不依原来的放射方向前进的α粒子的行为，好比一个弹球打在一块硬石上，弹球被反射回来或被弹到别处一样。

同学们玩玻璃球时，会有这样的体验：玻璃球打玻璃球，其中之一必定会弹射到别的方向去，而玻璃打到小砂粒上，决不会弹射回来，因为玻璃球比砂粒大的多。同样，由于α粒子的质量要比电子的约大7000～8000倍，因此，电子是不可能将α粒子弹回的。

卢瑟福作了在各种金属薄膜下α粒子流的散射实验，计数了在不同方向上散射的粒子数。通过实验、观察和计算，一副崭新的原子图就出现在他的面前：原子具有很小的、坚硬的、很重的并且带正电的中心核。卢瑟福把这个核称之为“原子核”。

卢瑟福假定，环绕着核的大量电子是在电磁引力作用下旋转的。看起来，它多少类似于环绕着太阳运转、并以万有引力维系着运动轨道的行星系。因此，后来有人把卢瑟福的原子模型称为“小太阳系”。

原子具有核的结构这一物理学思想，对于当时的物理学家和化学家都是一个巨大的震动。核模型的建立对原子物理学的发展起了重大使用。虽然今天对原子结构已有更精确的认识，但人们还经常用这种模型作为原子结构的直观的粗线图，也就是我们在各种杂志报纸、宣传画上常常可以看到的作为科学技术象征的原子图像。因此，科学家们称卢瑟福是“近代原子物理学的真正奠基者”。

自从发现放射性物质以后，人们总是考虑以人工的方法使自然界中一些元素的原子核转变为另一元素的原子核。第一个实现这种思想的又正是卢瑟福。他在1919年用实验表明了这一点。

卢瑟福用α粒子轰击氮原子核，会从它里面打出一粒碎屑，这粒碎屑在涂着硫化锌的荧光屏上发出闪光。后来，科学家们又成功地把这种“星球相撞事件”拍摄成了立体照片。

研究了碎屑之后，知道氮原子核并吞了α粒子，变成了氢原子核（质子）和原子量不是16而是17的氧原子核，普通氧原子的原子量是16。于是，人们把一种元素转变成另外一种元素的研究初次成功了。

炼金家徒劳了多少世纪，妄想找到把铅和铜变成黄金的“哲人石”。要达到这个目的，那些炼金家不仅仅是知识不够，而且手里也没有这种能够打破原子的工具和能量。在炼金家炉子的烈焰里，原子核始终没有变化。即使现代的那种温度高达几千度的电炉也未必能够破坏它。可是现代炼金家——核科学家终于学会了转变元素。

卢瑟福以α粒子轰击氮核后，元素氮转变为氧的同位素氧－17，并放出一个质子。卢瑟福和查德威克还测定了质子的射程，他们发现从硼到钾的所有轻元素中，除碳和氧以外，都可以用α粒子轰击使它们产生嬗变并放出质子。此外，卢瑟福还曾预言中子和正电子的存在。从卢瑟福关于原子核的种种研究和发现，实际为原子能的利用起了先导作用。

卢瑟福否定了“原子是不可再分的”，“电是一种连续的、均匀的液体”，“原子永恒不变”的学说。他正确地指出：“看来很清楚，在如此微小的距离内，带电粒子间的普通的力学定律显然已经破产了。”既认定旧定律不适用于新领域，就需要努力探索新领域的新规律。卢瑟福坚信自己的信念“是建筑在坚固的事实的岩石之上的”。

卢瑟福在1920年的一次演讲中，有一个极为出色的预言，认为在原子的某个地方，可能存在着一个尚未被察觉到的中性粒子，而一经发现这种中性粒子，很可能比α粒子的用途要大得多，“它能自由地穿过物体，但却不能把它控制在一个密封的容器中。”

卢瑟福所预言的这种粒子就是后来所说的中子，它是12年后，查德威克在卡文迪许实验室里发现的。这是在原子能利用的历史上具有重大意义的事件。

又过了六年多，哈恩用中子使铀核发生了裂变。紧接着，玻尔、费米、约里奥、西拉德等分别实现了由中子引起的铀裂变的链式反应，从而为原子能的释放及利用找到了实施的途径。

卢瑟福在原子科学中的贡献，总结起来有下列几个方面：

提出假设，原子内部存在着一个质量大、体积小、带正电荷的部分——原子核。

原子内部的结构像行星系一样，有一个处于原子中心的原子核，若干个绕核运转的电子。核带正电，电子带负电，核正电量与电子总负电量相等，所以原子显中性。

核和电子较原子小得多，如果把原子的直径放大到北京人民大会堂一般大，那么核或者电子也不过如黄豆一样大，由此可以想像到原子内部是何等的空旷啊！

核的质量较电子的大得多。核的质量可以是一个氧单位的一倍到二、三百倍；而电子的质量约是一个氧单位的1／184。所以可以认为，原子的质量主要集中在它的核上。

卢瑟福考虑到电子是原子里带负电的粒子，而原子是中性的，那么原子核必然是由带正电的粒子组成的。这粒子的特征是怎样的呢？他又想到氢原子是最轻的原子，那么氢原子核也许就是组成一切原子核的更小微粒，它带1个单位正电荷，质量是1个氧单位。卢瑟福把它叫做“质子”。这就是卢瑟福的质子假说。1919年，卢瑟福本人用速度是20000千米／秒的“子弹”——α粒子去轰击氮、氟、钾等元素的原子核，结果都发现有一种微粒产生，电量是1，质量是1，这样的微粒正就是质子，这就证明了卢瑟福自己的质子假说是正确的。

预言中子。卢瑟福考虑到原子核如果完全由质子组成，那么某种元素的原子核所带的正电荷，在数值上一定等于那种元素的原子量，因为元素的原子量，主要是由原子核决定的，核外电子的质量是微不足道的。但是事实并不是这样，元素的原子量总是比它的核所带的正电荷数大一倍或一倍以上，这说明原子核里除了质子之外，必然还有一种质量和质子相仿，但却不带电的粒子存在。所以在1920年，他提出了中子假说：原子核里存在一种“中子”微粒，它不带电，质量是一个氧单位。

尽管卢瑟福预言了中子的存在，但是，直到12年以后的1932年，英国物理学家查德威克才在卡文迪许实验室里发现了中子。这时卢瑟福已接替卡文迪许实验室退休的汤姆生的职务。

查德威克1891年出生在英国柴郡，曼彻斯特维多利亚大学毕业。中学时代并未显示出过人天赋。他沉默寡言，成绩平平，但坚持自己的信条：会作则必须做对，一丝不苟；不会做又没弄懂，决不下笔。因此他有时不能按期完成物理作业。而正是他这种不慕虚荣、实事求是、“驽马十驾，功在不舍”的精神，使他在科学研究事业中受益一生。

进入大学的查德威克，迅即由于基础知识的扎实而在物理研究方面崭露超群才华。他被著名科学家卢瑟福看中，毕业后留在曼彻斯特大学物理实验室，在卢瑟福指导下从事放射性研究。两年后，由于他的“α射线穿过金属箔时发生偏离”的成功实现，获英国国家奖学金。

中子的发现要追溯到德国和法国物理学家们的研究工作。1930年，德国物理学家博特和贝克尔利用钋发射的α粒子去轰击铍、硼和其他轻元素时，他们用尖端式盖革计数管（一种对γ即伽马射线灵敏的探测器）探测到了有一种穿透力异常大的射线发生。法国物理学家约里奥·居里夫妇，利用一个强得多的钋源进一步研究了受到α粒子射击后的铍的辐射现像。他们把铍发射出来的射线解释为“γ射线”，把从含氢物质中打出的质子解释成“γ射线”在氢核上的“散射”。由于他们没有足够地重视理论，这就使他们错过了完成一项重大发现的机会。他们误认为是“γ射线”的，正是人们长期寻找的中子流，并不是γ射线。他们走到了“中子”的门口，而没有发现它。

1932年，在海峡对岸的查德威克，对此进行了反复实验，每次他都得到了相同的结果。他进一步察觉这些射线像γ射线和X射线一样不会被磁场偏折，可见是中性的。然而，这种射线的运动速度却与之大不相同，只为光速的1／10，比起几乎以光速前进的γ射线来说，简直太慢了。

查德威克继续研究这些射线，发现当这种射线被笔直地引向氮气时，偶尔会有个别以极大的力量打进氮原子。如果是γ射线，则没有这种现像发生。查德威克对这种新射线进行了多次试验和能量测定，发现在不同情况下，新射线的能量也不同。他想，这种新射线显然与γ射线不相同，它是由粒子组成的。为了确定粒子的大小，他用这种粒子轰击硼，并从新产生的原子核所增加的质量来计算加到硼中去的这种粒子的质量，结果算出新粒子的质量与质子大致相等。查德威克在卢瑟福的领导下，长期从事寻找中子的研究，理论思维帮助了他从现像中抓到本质，终于悟出：这种新射线正是长期寻找的中子流。这样，他惊人地发现了人们预言的中子。

这是科学预言的又一个胜利。至此，人们在探索原子秘密的道路上，又前进了一大步。所以，中子的发现被誉为原子科学发展的第二个重大发现。（第一个重大发现是放射性现像的发现）

在中子发现的启示下，前苏联的伊凡宁柯和德国的海森堡先后提出了原子核是由质子和中子组成的模型（质子和中子统称为核子），使长期存在的原子核结构问题得到了初步解决。

因此新闻界曾不止一次地为卢瑟福及其助手们在进行的原子转变工作欢呼、喝彩，称他们为现代可以点铁成金的“炼金术士”。他们经常提出这样的问题——可不可以说，现代炼金术士所做的工作要比古代的炼金术士所曾梦寐以求的理想更为神奇、美妙呢？是否真能很快地“制造”出金子来呢？

卢瑟福为此发表了公开声明，严正地驳斥了这种过于天真的臆测：“把一种金属变为另一种金属并不是不可能的。不过，至少在相当长的一段时间里，企图使之商品化的可能性是不存在的。”

不论在什么情况下，卢瑟福同科学界绝大多数学者一样，对自己所从事的科学工作的商业利益毫无兴趣，他们只对扩展知识领域有兴趣，他们的目的并不在于把廉价的金属转变为昂贵的金属，而是为了探索元素之间相互转变的可能性。

这是卢瑟福他们的局限性，是一种错误的观念。

更令人感到惋惜的是，卢瑟福对原子的研究虽然得到了那么突出的成果，但他对于原子能量的开发利用却抱着一种悲观的态度，1933年9月，他在不列颠协会的演说中声称：“通过这些方法，我们可能获得比目前提供的质子高得多的能量，但一般说来，我们不能指望通过这种途径来取得能量。这种生产能的方法是极端可怜的，效率也是极低的。把原子嬗变看成是一种动力来源，只不过是纸上谈兵而已……我们可能永远做不到这一点。”其实，通过原子核的变化取得能量不仅是可能的，而且由此取得的原子能非常巨大，应用非常广泛。

这是卢瑟福在他一帆风顺的科学生涯中走错了几乎是唯一的一步。这次会上，与会者中的大多数人感到他对将来利用原子能的可能性，未免过于悲观了。

不仅卢瑟福在认识上有错误，当时对于原子核内蕴藏的能量能否实际应用，开始并没有引起普遍注意。甚至到了1938年哈恩发现铀核裂变时，核物理学家玻尔也还认为，核裂变反应的实际应用是不可能的。连哈恩自己，当他同几个要好的同事辩论他的发明的实用性问题时，对核能的应用还大叫：“无疑，这是违反上帝意志的！”

其实，科学家们不仅实现了古代炼金术士的梦想，他们用原子核轰击产生的新元素比金子更宝贵、更有价值。1942年，当科学家们在历史上首次实现了核裂变的自持链式反应，并控制住它的时候，表明原子能不仅可以为人类所利用，而且力量惊人。