探索原子内部的奥秘

第二十四章　探索原子内部的奥秘

至门捷列夫止，人们对原子已经认识得相当深了，并且，这些西方人像他们的古希腊祖宗一样，相信这种原子就是构成物质的最小微粒。

然而两个发现将这种信念打破了，这就是X射线与元素放射性的发现。

—神奇的X射线—

关于伦琴之于X射线，我们在前面已经略提过两次，这里再比较详细地说一下，因为它乃是整个科学史上最具革命性意义的发现之一呢！

伦琴是德国人，1845年生。早年毕业于瑞士苏黎世的一所技术学院，毕业后在五六所大学当过老师，例如法国的斯特拉斯堡大学、德国的吉森大学、慕尼黑大学等。1888年任维尔茨堡大学物理研究所的教授和所长，1894年起担任该校校长。1900年转到慕尼黑大学，在这里一直任物理学教授直到1920年退休。三年后逝世于慕尼黑。

伦琴不是化学家，而是物理学家，他对科学最大的贡献是发现了X射线。

X射线是伦琴无意中发现的。本来，他研究的是阴极射线管的放电现象。所谓阴极射线管就是一种玻璃管，先将里面的空气抽去，再通过高压电流，这时候，在它的阴极一端会发出某种看得见的射线，科学家们称之为阴极射线。

伦琴对这种神秘的现象也深感兴趣。1895年11月的一天，他为了保护这些阴极射线管，把它用硬纸板包好，外面再盖上锡箔。这时候，即使通电从外面也看不见阴极射线了。他甚至将硬纸板涂黑，并且把房间弄黑，再去看管子，直到确实看不见管里发出的阴极射线为止。当他确信管子已经被包裹得好好的后，就准备开灯了。

这时候，他突然看到，在管子前面不到1米处的一个小工作台上闪烁出微光，就像是一点淡淡的荧光或者极微弱的电火花。

这现象让伦琴大吃一惊，觉得不可思议，他又一次通电，又一次看到了那神秘的闪烁，而被包裹得严严实实的阴极射线管里仍没有一丝光线透出。他还看出来，这光线是由阴极射线管使工作台上一张亚铂氰化钡小屏上发出来的。这亚铂氰化钡我们可以将它看作是一卷密封好的胶卷，而这神秘的射线能够使已经密封好，连太阳光照射都没问题的胶卷曝光。

这曝光的原因是明显的，一定是从阴极射线管里发出来某种看不见的光使之曝了光，也就是说使亚铂氰化钡小屏发光。

他发现这神秘射线最大的特点是具有极强的穿透性，无论他将书本、木块甚至铝板挡在前面，后面的亚铂氰化钡小屏都会发出荧光，唯一的例外是铅板，它似乎能够完全阻挡神秘射线的穿透。

更有意思的是，当他手执小铅板放到阴极射线管前面时，在亚铂氰化钡屏上出现的不但有铅板的轮廓，竟然还有他手指浅浅的阴影，最奇的是，他竟然在手指的阴影里看到了它骨骼清晰的轮廓。

能够看到活人的骨骼，在当时简直是大白天碰见了鬼！伦琴在震惊之余，更加深入地研究起来。他想到，要是能够将骨骼的轮廓留下来就好了，他想到了一个好办法。

那时候已经发明了最早的照相机，伦琴也知道照相机的原理。他于是想到了，要是将手放在神秘的光线与照相底片之间，神秘光线会使底片感光，那时候，在底片之上不就会留下阻挡神秘射线的物体的影子了吗？

想到这个妙招之后，伦琴立即行动。这天晚上，刚好他夫人来了，他立即当了说客，游说夫人接受他神奇的实验，不用说，夫人乍一听到这怪主意，如何敢轻易接受，但拗不过夫君，只得将手伸到了阴极射线管前。

一刻钟之后，她将手挪开了。过了一会，丈夫递给她一张照相底片。在那张底片之上，伦琴夫人竟然看到了一只张开五指的手，上面没有肉，只剩下骨头！当她听丈夫说那就是她自己的手，上面那只漆黑的小团就是她手上的戒指时，她被吓了个半死。

这就是世界上第一张X光片。

这年12月，伦琴写出了论文《一种新射线》，文中详细地介绍了他发现的这种神秘的射线。

因为当时根本不知道这是一种什么射线，他称之为“X射线”。我们知道，西方人习惯用“X”来表示未知的东西，连方程中的未知数都用“X”来表示。由于是伦琴发现的，后人又称为“伦琴射线”。

次年1月，伦琴的著作正式出版了。这可是科学史上从来没有过的神秘发现呢！而且，这发现可不像门捷列夫的发现，只对科学家们有意义，伦琴的神秘射线能够照出每一个人的骨骼来呢！不管它是科学家还是文盲都一样。一个人竟然活着就能看到自己的骨头，竟然还一点也不痛，这样的奇迹就像是上帝创造的，叫人们如何不又惊又喜，甚至欢呼雀跃呢！

在相当长的一段日子内，欧洲各大报纸上充斥着关于神秘的X射线各种奇迹般的故事。其中有的更是写得神乎其神，似乎耶稣就是在这种神秘的光线里复活了呢。其中有名大报《法兰克福日报》中的一条新闻是这样写的：

一个惊人的发现——科学界正在热烈地讨论维尔茨堡物理学教授W.C.伦琴的发现。如果这个发现实现了人们所期待的情况，它将给精密科学提供一个划时代的研究成果，这成果必然会在物理学以及医学方面带来令人感兴趣的影响……

这则报道毕竟来自权威大报，还是比较客观的，它也看出了X射线的另一大用途——在医学上的用途。

从此伦琴一举成名，在社会上的知名度只有此前的牛顿能够相比。

我们前面已经说过，X射线实际上是一种波长很短的电磁波。

X射线发现之后，大批科学家展开了对它的研究。其中一个是法国物理学家贝克勒尔。

他知道有一种叫硫酸双氧铀钾（或称为铀盐）的化合物能够发出荧光，便想知道这种荧光中是不是含有X射线。他先将照相底片用黑纸严严地裹好，这样即使放在大太阳光底下也不会曝光了。然后再将一些铀盐放在上面，因为太阳光能够激发出铀盐的荧光。放了一段时间后，他再带回实验室，打开黑纸包，发现底片果真感光了。他以为这就证明了荧光里含有X射线，而且与伦琴的X射线可能有所不同，因为它用不着阴极射线管帮忙就能发出X光。

后来有一天是阴天，他没法儿找到太阳晒，便将包好了的底片与铀盐放在一起塞进暗房的抽屉。等天晴后，他取出来时，竟然发现底片也感光了。而这时铀盐并没有发出荧光。

这个现象让贝克勒尔大为奇怪，不过他也没有深究，只是将之公布出来。

对这个现在更感兴趣的是居里夫人，她对于这种放射性作出了进一步研究并且发现了有强大放射性的钋与镭两种新元素。

—深入原子内部—

伦琴发现X射线，贝克勒尔发现元素的放射性，居里夫人对这种放射性作出进一步研究并且发现有强大放射性的钋与镭之后，科学界对之作出了什么反应呢？

科学界的反应无疑是热烈的，因为元素放射性的存在给传统的两个基本定律：即物质与能量的守恒定律提出了挑战。根据传统的守恒定律，物质与能量应该是守恒的，既不会无中生有，也不会从有化无。然而放射性的存在却似乎否定了这个定律。因为放射性元素根本不需要什么动力就能够自己放射出强大的能量，既不知它的能量从何而来，又不知它们归于何处。这自然会激起科学家们要解决这一问题的决心。

其实，早在伦琴发现X射线之前，英国物理学家汤姆逊就很关注阴极射线了。

汤姆逊是英国人，生于1856年，死于1940年。一辈子都待在剑桥大学，先是当学生，后来是做老师，还是一个杰出的领导者。担任剑桥著名的卡文迪许实验室主任后，他把这里建成了当时全世界最重要的实验物理研究中心。许多优秀的科学家在他的麾下工作，在他的科学家当中，包括他自己和他的独生子小汤姆逊，先后共8次获得诺贝尔奖。

1895年，伦琴发现X射线后，使对阴极射线进行进一步研究成为可能。借助伦琴射线，汤姆逊发现阴极射线是一些带电微粒，它不仅会被磁场偏转，还会被电场偏转，它带的是负电。他还测出了这种微粒的质量约为氢原子质量的。经过进一步实验，汤姆逊发现，所有化学元素的原子里都有这种微粒。

如此，汤姆逊得出了这样的结论：所有物质，无论其来源是什么，都包括同一种粒子，这种粒子的质量要比原子小得多，而且是原子的组成者。

汤姆逊理论的革命性是显而易见的，它终结了千年以来西方人认为的原子不变、原子是构成物质的最小微粒的理论，因此，汤姆逊一时被称为“原子的分裂者”。

他所发现的组成原子的微粒就是电子，它是围绕原子核高速运动的极小的带电微粒。

发现电子后，关于原子不变的古老传说自然消失了，人们认识到原子也是有其结构的，汤姆逊也提出了一个原子组成的模型，在这模型里，原子是一个球，而电子则镶嵌在原子里，就像将葡萄干粘在面包上一样。

这种模型当然有其合理性，但很快又被否定了，因为另一个英国物理学家、汤姆逊的弟子卢瑟福做了一个绝妙的实验，得出了一个新的、更加合理的原子结构模型。

我们先来简单地说几句卢瑟福的实验。我们知道那些放射性元素像有无数子弹的机关枪一样，能够自动地发射出一些微小的粒子，正因为如此它们才被称为“放射性元素”。钋就是这样的放射性元素，它能够发射出一种叫α的粒子。卢瑟福就想到了用这些粒子去轰击原子，看能打出点什么东西来。

他于是找来一块很薄的金箔，又用一个盒子装了一点钋，只在前面挖了一个小孔。然后他将这块金箔放在小孔前面，又在金箔后面装了一架显微镜。

这一切布置好后，他通过显微镜看到了什么呢？他看到了绝大多数α粒子能够顺利地从金箔穿过，就像穿过空气一样，路线都没有改变。但却有极少数的α粒子方向发生了明显甚至很大的改变，有的竟然改变了180°，就像子弹打到了防弹玻璃上一样被弹了回来。此时已经知道原子中有电子，而且知道电子的质量是极小的，根本不足以抵挡α粒子的轰击，这就是为什么绝大多数α粒子能够自由穿过金箔的原因。但那一小部分的α粒子方向偏转说明了什么呢？说明在原子内部有一些质量比电子大得多的微粒，正是它们阻挡了α粒子的轰击。依据之，卢瑟福提出了他的原子结构观念，他认为：在原子中心有一个很小的核，原子的全部正电荷和几乎全部质量都集中在这个核里，带负电的电子则在核外的空间里绕着核旋转。

这个假设与上面的实验很符合，因此很快被接受了，但不久又遇到了难题。例如是一种什么力能够让电子不停地绕着原子核旋转呢？为什么它不会被拉进原子核？就像人造地球卫星久了会被拉进地球的大气层烧毁一样。

为了解释这些问题，另一个物理学家玻尔提出了新的原子结构模型，这个模型已经与现在我们对原子的认识差不多了。以后，等我们前面说过的量子力学诞生之后，就构成我们现在的关于原子结构的完整的认识了。下面我就完整地说一下人们现在所认识到的原子。

原子按其定义是这样的：原子是仍保有元素化学属性的最小单位。

原子当然是可分的，但如果再分的话，它就不能保有原来元素的属性了，例如铁或者氦的原子便具有铁或者氦的属性，但如果将铁或者氦的原子再加以分割的话，它就不再是铁或者氦了，而成了别的元素的原子或者别的微观粒子。

就体积而言，所有的原子大小大致相同。每个原子的直径大约是2×10⁸厘米，它有多少呢？难说，比一根头发丝都要小不知多少倍，不但不可能用肉眼看到，甚至一般的显微镜也看不到，据说电子显微镜可以看到某些种类的原子，但也十分朦胧。

由于原子这样小，因此需要很多原子才能组成哪怕是一小块物质，例如在一般的固态物质上，1厘米的长度内就有多达5千万个原子紧紧地靠在一起排列着，而1立方厘米这样的物质之内就有约10²³个原子。

就质量而言，不同原子的质量是不同的，其中最轻的是氢原子，如果将它的质量定为1，那么最重的铀是238，也就是说，一个铀原子的质量是238个氢原子的质量。

至于原子的大致构成我们都知道，它是由原子核及环绕着它高速旋转的电子组成的，这些电子由于运动速度太快，简直像一团云雾笼罩在原子核外，于是被形象地称为电子云。其中原子核又由质子与中子构成，不过其中的氢原子核没有中子，只有一个质子。