當(dāng)一束電流關(guān)閉時，在開關(guān)的兩個終端之間常?？梢砸姷蕉虝旱幕鸹ǔ霈F(xiàn)。電流因?yàn)閯恿繉⒅３衷谠瓉淼穆窂缴弦欢螘r間，但很快被終端之間的空氣的高阻力所阻斷——因?yàn)橥ǔl件下的空氣是電的不良導(dǎo)體。如果開關(guān)被置于一個空氣基本抽空的容器內(nèi)，這種感覺現(xiàn)象可以得到較高形式的顯現(xiàn)，因?yàn)橄”〉臍怏w對電流通道的阻力較小。如果空氣壓力足夠低并且電壓足夠高，兩個終端即便相距較遠(yuǎn)也可以出現(xiàn)電流的持續(xù)存在，并且電流在落到玻璃容器壁的時候會產(chǎn)生獨(dú)特的磁光現(xiàn)象。

電通過部分真空環(huán)境要比通過大氣壓下的空氣更容易這種現(xiàn)象，這是沃森在1752年發(fā)現(xiàn)的。磁光現(xiàn)象由法拉第在1838年首次記錄，從1859年起，德國，尤其是蓋斯勒、普呂克爾和希托夫詳細(xì)地研究了電流通過氣體的路徑。希托夫在1869年、哥爾茨坦在1876年證實(shí)，電流通常以直線運(yùn)行，并且可以因?yàn)槁窂缴铣霈F(xiàn)固體障礙物而被阻斷。電流的這種現(xiàn)象會在容器壁上留下“陰影”，這是獨(dú)特的磁光現(xiàn)象的缺失的顯現(xiàn)。但是兩個終端中只有一個，即陰極可以產(chǎn)生這樣的陰影，這似乎表明電力僅僅包含單程航道——陰電從陰極流向陽極，正是這個原因，它被描述成包括陰極射線。

在德國，光線被認(rèn)為包括波，即障礙物投下的陰影類似于陽光下站立的人投下的陰影。但是當(dāng)瓦爾萊和克魯克斯將光線通過強(qiáng)烈磁極時，他們發(fā)現(xiàn)陰影改變了位置，光線被磁力彎曲偏出原來的軌道?，F(xiàn)在電磁科學(xué)熟知的事實(shí)是，磁力將運(yùn)動中的帶電粒子從軌道中偏離出去，但并不使電磁波發(fā)生偏離。這樣，瓦爾萊和克魯克斯觀察意味著，陰極線是帶電粒子的噴淋，傳輸電的方式如同噴灑下的雨點(diǎn)傳輸水。1895年，佩蘭證實(shí)，當(dāng)陰極線落在其上時，導(dǎo)體變成了負(fù)電荷帶電體，就如同石路在雨中變濕一樣。

陰極射線　關(guān)于陰極射線的本質(zhì)的問題在1879年得到解決，并具有劃時代意義，我們已經(jīng)看到它們充滿粒子，一個帶電粒子在磁場中發(fā)生偏移所需要的粒子量取決于粒子的電荷和粒子的質(zhì)量。如果帶電量很大，偏移也很大，因?yàn)榇艌鰧αＷ拥淖チΥ?。而如果質(zhì)量大，偏移就小，因?yàn)閷垢淖兊膽T性更多。偏移量還取決于帶電粒子運(yùn)動的速度，如果運(yùn)動速度已知，偏移的測量可以估算粒子電荷與質(zhì)量之間的比——通常用表示。1890年，當(dāng)時的曼徹斯特物理學(xué)教授亞瑟·舒斯特首先對陰極線做出了上述結(jié)論。物理學(xué)家已經(jīng)對電荷與質(zhì)量之間的一種比例熟知，即電解中的氫離子。舒斯特估計陰粒子的比應(yīng)該在500倍（現(xiàn)在知道這仍然低估，真實(shí)的值是1840倍），并且設(shè)想應(yīng)該沒有比原子更小的粒子，因而得出結(jié)論，陰粒子一定是帶電的原子。1892年，赫茲發(fā)現(xiàn)，光線可以穿過薄的金屬箔，其程度似乎是原子大小的粒子所無法實(shí)現(xiàn)的，所以如果光線帶有粒子，一定比原子小的多。

這個課題明顯具有重要意義，現(xiàn)在對粒子運(yùn)行的速度已經(jīng)做出了很多測定，并得出了電荷與質(zhì)量之間的比率。1879年，湯姆森在劍橋、維舍特在德國都獨(dú)立地進(jìn)行了粒子被電力和磁力同時偏移的實(shí)驗(yàn)，從而直接測量出其速度，的比率也得以推論出來，他們和其他許多實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)，該比率大約是氫原子中比率的1800倍。

1896年，一種新的儀器得以設(shè)計出來，并在后來做出了極為重要的貢獻(xiàn)。威爾遜，即后來劍橋的自然物理學(xué)教授，發(fā)明了他的著名的“冷凝室”，其中帶電粒子可以用來收集其周圍的水滴，如同它們在大氣中形成雨滴的效果，讓這些雨滴降落在冷凝室的地面可以制造出人工降水。雨滴的平均大小可以估算出來，即測量出它們逆著空氣阻力下落的速度，然后再稱量整個水的重量，從而計算出雨滴的總體數(shù)量，通過驗(yàn)電器測量所有水的電荷，可以估算出每個雨滴的電荷。

所有這些都說服物理學(xué)家，他們所處理的粒子遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氫原子，而在此以前，氫原子被認(rèn)為是自然界中最小的粒子，現(xiàn)在所有物質(zhì)都似乎在其結(jié)構(gòu)中包含這些新粒子。它們可以在任何地方找到，并且無論來源如何總是相同，它們被稱為“電子”，這是由都柏林的約翰森·斯托尼首先進(jìn)行的命名。

荷蘭的物理學(xué)家亨得里克·安頓·洛倫茲將麥克斯韋的理論擴(kuò)展到新的事實(shí)。例如，光可能是由于原子內(nèi)電子的運(yùn)動所造成的，這種運(yùn)動當(dāng)然受到磁力的影響，因而如果一個物質(zhì)在磁場中發(fā)出光，這種光與正常條件下的光不同。阿姆斯特丹的物理學(xué)教授塞曼早在1896年就注意到了這種效果（塞曼效果），最初，該影響似乎僅僅包括光譜線的擴(kuò)張，但是當(dāng)更強(qiáng)大的磁投入使用時，每個線都被看到分裂成眾多的分離成分。洛倫茲現(xiàn)在顯示，這種情況該如何用數(shù)學(xué)方式解決？他提出，光是由原子中的電粒子的運(yùn)動造成的，每個電粒子都帶有電荷和并具有質(zhì)量，與電子所具有的相等。

似乎可以安全地設(shè)想，光是由原子中電子的運(yùn)動造成的。更進(jìn)一步說，由于正常原子所帶的總電荷數(shù)為零，可以設(shè)想正常的原子帶有某數(shù)量的電子，同時也帶有相當(dāng)數(shù)量的正電荷，將所有電子上的電荷中和。

牛頓曾提出，一個物體的質(zhì)量在其運(yùn)動的各種變化后仍然保持不變，但早在1881年，湯姆森已經(jīng)顯示，當(dāng)物體帶電時，情況會發(fā)生變化。麥克斯韋等式要求帶電體的質(zhì)量隨著速度增加而增加，其原因簡單說，帶電體不是獨(dú)立的，而是在一定程度上包含從本體延伸到無限空間的力線，當(dāng)物體的速度增加，這些力線會重新排列，并會增加對進(jìn)一步變化的抵制。一句話，一個物體的表觀質(zhì)量增加了。這樣一個物體的質(zhì)量可以分為兩部分，內(nèi)部或稱為牛頓質(zhì)量，即不發(fā)生變化的部分，以及外部或稱為電質(zhì)量，即依賴于速度的部分。

從1906年以后，眾多的物理學(xué)家——考夫曼、布雪勒、貝斯特梅爾等人，通過實(shí)驗(yàn)探索了為什么運(yùn)動電子的質(zhì)量取決于其運(yùn)動速度，并得到了令人震動的結(jié)果：這種依賴恰恰是湯姆森以前對單獨(dú)的帶電部分計算的結(jié)果。換言之，電子沒有牛頓質(zhì)量，其質(zhì)量似乎是完全的電質(zhì)的。認(rèn)為原子的正電也是如此是合理的假設(shè)，因而所有物質(zhì)似乎都僅僅包含電。關(guān)于自泰勒斯時代就困擾科學(xué)界的“宇宙的終極物質(zhì)什么”這個問題，現(xiàn)在似乎可以給出一個答案，一個字——“電”。

1890年1月哈里斯拍的照片，盒中的筆、蜥蜴、青蛙和一只手，據(jù)稱是英格蘭第一份X光照片。

X射線　1895年因?yàn)槟侥岷诘耐柲贰た道隆惽伲?845-1923）發(fā)現(xiàn)倫琴線，即X射線的發(fā)現(xiàn)而載入史冊。很多實(shí)驗(yàn)者都非常沮喪地發(fā)現(xiàn)，放在放電管附近的感光片都出現(xiàn)了霧狀物質(zhì)，但他們大都將之視為小事，僅僅需要更換新的儲藏地點(diǎn)，不需要任何研究性的注意。但是倫琴對霧狀物出現(xiàn)的原因搞到好奇，并猜測那些管子一定釋放除了某些上不知道的物質(zhì)，它們可以穿透感光片堆積的材質(zhì)。幾乎是偶然地，他發(fā)現(xiàn)存在這樣一種輻射，并且不可見，僅僅通過其將磷光材質(zhì)變得發(fā)光的特性才能夠探知。這種輻射的特性令其研究變得簡單，一個事實(shí)很快被發(fā)現(xiàn)，一個厚的金屬片可以完全阻擋它，但是薄的金屬片，或者紙、木頭或人的肌肉卻可以被穿透，并影響到線路終點(diǎn)的磷光屏或感光片。這樣，對活體肌肉下的骨骼進(jìn)行拍照就變得可能，該發(fā)現(xiàn)對專業(yè)物理學(xué)家和普通人的產(chǎn)生了同樣的吸引力，并被證明對醫(yī)學(xué)和外科手術(shù)具有極為重要的意義。

多年以來，物理學(xué)家無法確定這種輻射是否包含粒子或波。如果包含粒子，則它們必然是無電荷的，因?yàn)檩椛洳粫淮帕λ?。如果包含電磁波，它們必定是非常短的波長，因?yàn)檩椛浔瓤梢姽飧哂写┩噶Α?/p>

這個問題被三名德國物理學(xué)家在1912年解決。勞厄看到，如果輻射包含短波，那么一個晶體規(guī)則排布的原子應(yīng)該會使之發(fā)生衍射，就像衍射光柵會對可見光進(jìn)行衍射一樣，他還計算了基于這種假設(shè)的一般類型的衍射模式。當(dāng)弗里德里希和尼平對這些建議進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，他們恰恰發(fā)現(xiàn)了勞厄所預(yù)測的模式類型。

這些事實(shí)確定地表明，輻射具有電磁的本質(zhì)，但是效果超出了這個本質(zhì)。晶體中不同排列的原子當(dāng)然可以產(chǎn)生不同的衍射方式，因而原子的排列可以從觀察到的衍射圖中推演出來，這個新技術(shù)由威廉·布拉格和他的兒子勞倫斯·布拉格以及其他人迅速開發(fā)出來。布拉格父子首先研究了非常簡單的物質(zhì)，如氯化鈉和氯化鉀，發(fā)現(xiàn)它們的原子排列成了規(guī)則的立方體形式，每個立方體的每個角都有一個原子。這些和他們后來研究的無機(jī)化合物一樣，都顯示出沒有原子可以配對形成分子。在固體狀態(tài)下，原子已經(jīng)成為一個單位，但是當(dāng)威廉·布拉格爵士在1921年對不同有機(jī)復(fù)合物諸如萘和蒽進(jìn)行探查時，他發(fā)現(xiàn)分子仍然作為原子串保持了自己的形態(tài)。

對固體物質(zhì)的X射線分析已經(jīng)證明對生物化學(xué)和冶金學(xué)具有重要價值，但是實(shí)驗(yàn)物理學(xué)應(yīng)該從X射線中獲益最多。當(dāng)輻射通過某種氣體進(jìn)入電導(dǎo)體時，會改變該氣體，而這種情況下的電可以在最簡單形式和最簡單的條件下得以研究，這也許比其他所有事件都更具有意義，因?yàn)槲锢碛纱碎_始了勝利性的進(jìn)步，我們下面將談到。

輻射　X輻射之后，又有很多其他新輻射得以發(fā)現(xiàn)。X輻射是暫時現(xiàn)象，只有在電流流動時才產(chǎn)生，但其他的輻射則是持久的，從某個物質(zhì)中不斷地放射出來。這些物質(zhì)中最重要的是鈾，即佩利戈特在1804年發(fā)現(xiàn)的化學(xué)元素，其相對原子質(zhì)量為238，并直至最近一直保持為最重的元素。1896年2月，亨利·貝克勒爾教授發(fā)現(xiàn)含有鈾的某種復(fù)合物放射出輻射流，持續(xù)不斷且完全自動，并且如同X射線一樣可以穿透物質(zhì)，影響感光片，刺激磷光，并且在穿過氣體進(jìn)入電導(dǎo)體時轉(zhuǎn)變氣體。事實(shí)很快被發(fā)現(xiàn)，這種特性來源于鈾本身。兩年后，施密特和居里夫人獨(dú)立發(fā)現(xiàn)，貝采里烏斯1828年發(fā)現(xiàn)的另一種重元素釷也具有類似特性。

這種顯現(xiàn)激起了居里夫人和他的丈夫皮埃爾·居里教授的興趣，他們開始對被稱為具有“放射性”這種新特性的物質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究。在長久的毫無新意的探索之后，他們對含鈾的瀝青油礦進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。他們將鈾提取出來，發(fā)現(xiàn)剩下物質(zhì)具有的放射性是所提取的純鈾的4倍，瀝青混合物一定含有某種比鈾本身更強(qiáng)大的放射物質(zhì)。通過與貝蒙特合作，他們在1898年將其分離出來，并命名為鐳。這被證明是另外一種重元素，相對原子質(zhì)量為226，是鈾的放射性的數(shù)千倍。他們還發(fā)現(xiàn)另外一張元素釙，相對原子質(zhì)量為210，具有類似性質(zhì)。1899年，德比爾恩和蓋瑟爾還發(fā)現(xiàn)了一種新的元素錒，相對原子質(zhì)量為227所有這些放射性元素都比以前發(fā)現(xiàn)的元素重。廣義上說，放射性是重原子的特性，所有比鉛（207）和鉍（209）重的元素都具有放射性。

下一個問題是關(guān)于這些輻射的本質(zhì)和結(jié)構(gòu)。1899年，吉塞爾、貝克勒爾、居里等人使用湯姆森用來測量陰極線粒子電荷的方法對β射線進(jìn)行了測驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它們與這些粒子類似，但運(yùn)行更快，有一些甚至接近了光速，這樣β射線僅僅是電子的高速噴淋。

盧瑟福1903年也通過同樣的方法發(fā)現(xiàn)α射線含有高速運(yùn)行的正電荷粒子，這些粒子在電場或磁場中僅僅發(fā)生稍微的偏移，并顯示出與其電荷相比，它們的質(zhì)量一定很大——將它們拉著轉(zhuǎn)圈的力與推動其前進(jìn)的動量相比要小得多。他繼而發(fā)現(xiàn)，每個粒子都具有超過電子7000倍的質(zhì)量，電子兩倍的電荷，但電極相反。這些粒子的真實(shí)本質(zhì)在3年后得到發(fā)現(xiàn)，當(dāng)時盧瑟福和羅依茲將它們的一束射過一個厚度低于英寸[1]的非常薄的玻璃，并進(jìn)入一個無法逃離的室。他發(fā)現(xiàn)氣體氦在室內(nèi)形成，并且只要α射線不斷進(jìn)入就會不斷聚集。顯然，氦原子的成分中有α粒子。其他的則被發(fā)現(xiàn)為兩種電子，可以中和α粒子上的電荷，并將整個原子變得中性，這樣α粒子被證明為氦原子被剝奪了兩個電子，或者我們可以說，氦原子的“核”。

另一個更難的問題由γ射線提出，該射線從不發(fā)生偏離，無論是在電場還是磁場中，因而可能是未充電的粒子或電磁波。在經(jīng)過很多討論后，它們被認(rèn)為是波長很短的的波——大約一英寸的100億分之一，或者可見光波長的10萬分之一。由于其較短的波長，X線輻射比可見光更具有較強(qiáng)的穿透能力，但是γ線輻射，由于更短的波長，比上述兩者都具有更強(qiáng)的穿透力。

同時，一系列新的放射性物質(zhì)正在被發(fā)現(xiàn)、研究和分離。1899年，盧瑟福注意到，一塊釷在有氣流吹在其上時會減弱其輻射性，當(dāng)他發(fā)現(xiàn)釷放射出一種本身即具有放射性的重氣體時，謎底便大白了。這種氣體在周圍空氣穩(wěn)定時會附在釷的表面上，但是吹一口氣就可以將它吹走，然后釷的放射性似乎突然降低了許多。盧瑟福將這種氣體稱為“釷射氣”，并發(fā)現(xiàn)鐳和錒也放射出類似的射氣。由于鐳是一種新的元素，因而這種鐳射氣被稱為“氡”。1900年，威廉·克魯克斯發(fā)現(xiàn)鈾產(chǎn)生少量的較強(qiáng)的放射性物質(zhì)，他稱之為“鈾-X”，2年以后，盧瑟福和索迪從釷中獲得了一種類似的物質(zhì)“釷-X”。

大量的其他類放射物質(zhì)現(xiàn)在被發(fā)現(xiàn)，其中大多數(shù)表現(xiàn)出了強(qiáng)烈但短暫的放射性，顯然它們要為其劇烈的活動付出壽命期較短的代價。

1902年，盧瑟福和索迪研究了放射力衰減的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)背后的原則很簡單：同樣放射力的物質(zhì)的多個樣品在某一給定時間內(nèi)會失去同樣份額能力，一個放射物質(zhì)的樣品的放射能力從1000降到900所需要的時間與它后來從100降到90，以及再后來從10降到9所需要的時間一致。在數(shù)學(xué)語言中，這種減弱為指數(shù)級。但是衰減率從一種物質(zhì)到另一種物質(zhì)的變化極大，鈾在450億年中失去其放射力的一半，鐳大約需要1600年，氡大約需要3.8天，等等，直至釷C'，大約只需1億分之一秒。物理條件的變化不會改變衰減的速度，改變似乎來自于物質(zhì)的內(nèi)部，性質(zhì)上似乎是核爆炸或核分解。這樣一個原子總是有同樣的分解機(jī)會，無論其過去的歷史或現(xiàn)在的狀態(tài)可能是怎樣。這里有一條上不為人所知的自然法則，其巨大意義將很快顯現(xiàn)出來。從德謨克利特到牛頓，到19世紀(jì)，科學(xué)總是宣稱現(xiàn)在由過去決定，20世紀(jì)的科學(xué)似乎在說出某種不同的聲音——從所進(jìn)行的研究看，過去顯然對現(xiàn)在沒有影響，現(xiàn)在對未來也一樣。

盧瑟福和其他人仔細(xì)研究了核分解，發(fā)現(xiàn)放射性物質(zhì)經(jīng)歷了很長一串變化，不是一次而是多次改變其化學(xué)性質(zhì)，在高放射性狀態(tài)時速度快，低放射狀態(tài)時速度慢，直至到達(dá)最終的完全永久的穩(wěn)定狀態(tài)。例如鈾在經(jīng)歷不少于14次轉(zhuǎn)換后會變成一種不同于普通鉛的新鉛，其相對原子質(zhì)量從通常的207變?yōu)?06，這些變化伴隨著α-、β-或γ-射線的釋放。釋放β-或γ-射線不會明顯改變原子的質(zhì)量，但是當(dāng)α-粒子被射出時，相對原子質(zhì)量當(dāng)然下降了4，這樣，鈾從最初的相對原子質(zhì)量238，經(jīng)歷了234、230、226、222、218、214、210等相對原子質(zhì)量后，最終變成了相對原子質(zhì)量為206的鉛。

所有這些放射性變化的在一個方向上發(fā)生——降低相對原子質(zhì)量，沒有其他方向的變化，這樣，放射性并不支持自從德謨克利特時期就存在的觀點(diǎn)，即除了永久原子的重組自然界中不存在其他變化。放射性講述了開始和結(jié)束，從創(chuàng)造到死亡的穩(wěn)定的進(jìn)程，確定時間里發(fā)生的進(jìn)化，提供了一種估算的這個時間的方法。

宇宙時代　由于地球地殼中的很多巖石里都發(fā)現(xiàn)了嵌在其中的放射性物質(zhì)顆粒，其中夾雜著它們分解時的不同產(chǎn)物。對這些產(chǎn)物的比例分析顯示了這些放射性物質(zhì)已經(jīng)在巖石中保存了多長時間，從而可以估算出地球固體化以來已經(jīng)經(jīng)歷的時間。

地質(zhì)學(xué)家已經(jīng)通過不同方式形成了自己的估計，例如，從海洋的結(jié)鹽度的推斷。河流不斷將隨和鹽帶入海洋，水蒸發(fā)，但是鹽不會，因而海洋變得越加咸。從海洋現(xiàn)代的鹽度，天文學(xué)家哈雷已經(jīng)計算出地球一定已經(jīng)有幾十億年的年齡，他的估計得到了其他人的確證，其根據(jù)是山脈的剝蝕和山谷的積淀的速度——即山脈被削減和山谷升起的速度，但這些估計都取決于速度極不穩(wěn)定也不能準(zhǔn)確知曉的過程，放射性現(xiàn)在帶著已知不變速率的鐘表這樣一個大禮物呈現(xiàn)出來。在最古老地球巖石中的放射性產(chǎn)物現(xiàn)在正在被分析，其年齡大約可以推斷到20億年，而由帕內(nèi)斯和其同事所分析的隕石組的年齡可以到達(dá)70億年，顯然，宇宙的年齡可以測定為幾十億年。

這解決了一段時間以來熱烈討論的問題——太陽能源的來源。古代人也許在太陽不斷發(fā)出的能量中沒有看到任何令人驚奇的事物，但當(dāng)赫爾姆霍茨在1857年遇到能量守恒原則時，他一定奇怪太陽從哪里得到了輻射的能量，他所能提出的充足來源是太陽的收縮。當(dāng)鐘錘向東落下時，他便為鐘的不斷運(yùn)動提供了能量。同樣的，赫爾姆霍茨認(rèn)為，太陽的收縮和外緣向中心的降落可能為不斷地輻射放射提供了能量。但是開爾文爵士計算，這個能量源所為輻射所能提供的能量不會超過2000萬年，而地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為他們有證據(jù)表明，太陽的輻射至少已經(jīng)存在了幾十億年。放射性的證據(jù)不僅非常有力地支持了地質(zhì)學(xué)家的觀點(diǎn)，而且對可能的能量源提供了線索。由純粹的鈾組成的太陽應(yīng)該比太陽的估算年齡輻射更長的時間，強(qiáng)度也應(yīng)該更強(qiáng)，這表明，太陽的能量可能與放射能量具有某種相同的一般屬性，而事實(shí)一直被證明是這樣。

原子的結(jié)構(gòu)　物質(zhì)的這些放射性特質(zhì)不僅迫使物理學(xué)家們重新設(shè)計關(guān)于自然的某些基本過程的概念，而且也給他們提供了一個新的工具。α-粒子實(shí)際上是原子大小和質(zhì)量的拋射物，盧瑟?？吹?，它可以用來探索原子的內(nèi)部。1911年，他對兩個研究同伴基格和馬斯登住提出，可以讓α-射線齊射通過一層氣體，其厚度可以讓拋射物的一部分能擊中一個原子。他們付諸實(shí)施后得到了轟動的完全沒有預(yù)料到的結(jié)果，大多數(shù)的拋射物完全通過的氣體，沒有碰到任何東西，甚至沒有從路徑上發(fā)生偏離，這樣去除了多年以來將原子描畫為堅硬固體物質(zhì)串的觀點(diǎn)，原子現(xiàn)在被視為僅僅含有中空的空間。更加令人意外的是，一些粒子被發(fā)現(xiàn)以大角度從路徑上偏離出去，用盧瑟福的話說：“其不可思議程度就好像你將15英寸的炮彈射向一張紙，而它卻返回來打中你?！?/p>

觀察到的偏移符合一個簡單的數(shù)學(xué)定律，并從中可以推斷出造成這種現(xiàn)象的原子結(jié)構(gòu)。根據(jù)發(fā)現(xiàn)，每個原子必定含有一個中心核，或“原子核”，體積微小，但攜帶了原子幾乎所有的質(zhì)量。它還攜帶一個正極電荷，造成了觀察到的噴射出的α-射線的偏離，從而其數(shù)量可以通過偏移的程度計算出來。另外，由于原子上的總電荷量為零，這個電荷一定中和了原子上所有電子的電荷，從而使得這些電子的數(shù)量可以計算出來。對于大多數(shù)物質(zhì)來說，結(jié)果大約是相對原子質(zhì)量的一半，一個粒子是氦，其相對原子質(zhì)量為4，每個原子有兩個電子，這為原子畫了一幅“行星”圖，大個的原子核就像太陽，周圍的電子就像行星一樣圍繞它旋轉(zhuǎn)。

后來，1913年，默塞來等人發(fā)現(xiàn)，行星狀電子的數(shù)量遵循一個簡單的原則：如果元素的排列是按相對原子質(zhì)量上升順序的，原子中電子的數(shù)量就分別是1、2、3、4、5……——系列整數(shù)。這樣所有原子中最輕的氫原子只有1個電子，次輕的氦原子有2個，然后是鋰原子有3個，鈹原子有4個，等等。這些整數(shù)被稱為各自元素的“原子序數(shù)”，最初在已知的元素序列中有一些間隙，但這些間隙很快被新發(fā)現(xiàn)的元素所填補(bǔ)，直至一共92個元素被發(fā)現(xiàn)，其原子序數(shù)從1（氫）到92（鈾）。在1940年，這個數(shù)字由于2個新發(fā)現(xiàn)的元素镎和钚而增加，即原子序數(shù)93、94，之后序數(shù)95、96也被發(fā)現(xiàn)，但直到1946年才宣布。當(dāng)原子序數(shù)的簡單原則最初被發(fā)現(xiàn)時，原子結(jié)構(gòu)的問題似乎得到解決，幾乎沒有人猜到還有多少障礙需要跨越。

陽極射線　陰粒子不是電在氣體中穿行的唯一機(jī)制，還有正電荷的負(fù)載者沿著相反的方向運(yùn)行，戈德斯坦在1886年通過在陰極鉆一個孔這樣一個簡單的權(quán)宜之計發(fā)現(xiàn)了上述現(xiàn)象。一些粒子本來應(yīng)該相反地在陰極終結(jié)行程，現(xiàn)在卻穿過它，因而被分離出來進(jìn)行研究。1898年，維恩通過電和磁偏移測量了這些負(fù)載者的電荷和體積，每個粒子被發(fā)現(xiàn)攜帶著數(shù)量相等但標(biāo)記相反的正電荷，直至電子上的電荷，并與釋放管上的任何原子都具有相同的質(zhì)量。的確，可以通過測量這些原子在已知的電場和磁場中經(jīng)歷的偏移來得到其質(zhì)量，這樣，這些負(fù)載者僅僅是被去除了電子的原子——很快它們被稱為“正離子”。

現(xiàn)在可以簡單地看到電如何被負(fù)載穿過氣體，造成電流流動的電力將原子的正負(fù)電荷推向相反方向，直至電子從原子中脫離，只剩下正離子。電子和正離子現(xiàn)在繼續(xù)在電力下沿著相反方向運(yùn)動——帶有負(fù)電荷的電子從陰極到陽極，兩股粒子流分別形成了陰極線和陽極線。

同位素　對陽極線的研究提供了一個新的方法來確定原子的質(zhì)量，然后是元素的相對原子質(zhì)量，并且這種方法很快被發(fā)現(xiàn)比以前的方法更加準(zhǔn)確。1910年，湯姆森爵士用這種新方法測量不同簡單物質(zhì)的相對原子質(zhì)量。如果陽極線束的粒子幾乎都完全相似，都以完全一樣的速度運(yùn)行，那么所有粒子都會類似地被電力和磁力偏移，從而線束會保持緊密，而它們到達(dá)感光片時也只會出現(xiàn)單一的點(diǎn)痕。實(shí)際上，去除速度差異并不簡單，因而線束蔓延出去并在感光片上記錄下一個拋物線（磁偏移與原子的運(yùn)動速度成反比，電位移與速度平方成比例。這樣電偏移與磁偏移的平方成正比，并與之成直角，因而曲線為拋物線）。但當(dāng)湯姆森記錄氖的線束時，他發(fā)現(xiàn)了兩條而不是一條拋物線。化學(xué)家給出的氖的相對原子質(zhì)量為20.2，前一個拋物線是后一個強(qiáng)度的9倍。這令人驚異地意味著氖并不完全只是含有類似的原子，而是含有兩種不同物質(zhì)的混合體，相對原子質(zhì)量分別是20.0和22.0。對于這種物質(zhì)群，索迪給出的名稱是“同位素”，因?yàn)樗鼈冊诨瘜W(xué)元素表中具有相同的位置——例如，它們有相同的原子序數(shù)。

他們還發(fā)現(xiàn)，如果氧的相對原子質(zhì)量確定為16.00，那么大多數(shù)相對原子質(zhì)量都非常接近整數(shù)。氫的相對原子質(zhì)量為1.00837，同位素量為2.0142和3.016；氖含有三個同位素，量為19.997，21（近似）和21.995；而氪含有的同位素混合體中的各個量為77.93、79.93、81.93、82.93、83.93、85.93，大多數(shù)的元素都具有類似的故事。

我們看到普勞特的關(guān)于所有原子都是簡單的氫原子的聚合體的假設(shè)不再受歡迎，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)相對原子質(zhì)量并不都是完全的整數(shù)——沒有人會認(rèn)為氯原子是個氫原子的聚合體。相對原子質(zhì)量新的確定方法向前走了一大步，將去除這種反對意見。因?yàn)楸M管相對原子質(zhì)量不是完全的整數(shù)，顯而易見的小的不同可以簡單地得到解釋。我們看到相對原則如何要求能量的每一個變化都伴隨質(zhì)量的變化，如果兩個電荷的距離改變，組合的能量也會改變，從而質(zhì)量也會改變。這樣任何原子的質(zhì)量在其組成物被遠(yuǎn)距離分開時都會發(fā)生變化，如果所有原子都這樣，其相對原子質(zhì)量可能會令人信服地成為完全整數(shù)，從而普勞特的假設(shè)可能再次站得住腳。

根據(jù)盧瑟福的觀點(diǎn)，氫原子含有一個負(fù)電荷電子和一個正電荷電子，即“質(zhì)子”，并攜帶與電子等量相反的電荷，原子上的總電荷因而變成零。在一段時間內(nèi)，人們認(rèn)為每一個原子可能僅僅包含質(zhì)子和電子——必然數(shù)目相等，因?yàn)槊總€原子的總電荷為零。如果是這樣，每個原子會含有某整數(shù)的氫原子作為其成分，這正是普勞特所提出的，但這導(dǎo)致了與原子核的磁特性相關(guān)的某些困難，而且其他粒子很快開始出現(xiàn)在質(zhì)子和電子旁邊。

元素的轉(zhuǎn)變　我們已經(jīng)看到煉金術(shù)士如何花費(fèi)幾個世紀(jì)的時間盡力轉(zhuǎn)變元素，一般都是出于將低質(zhì)金屬變成黃金的經(jīng)濟(jì)目的。當(dāng)他們的努力沒有獲得成功，他們的目標(biāo)也漸漸失去了光環(huán)，甚至被斥為無稽之談?，F(xiàn)在人們知道原子是持久和不可改變的結(jié)構(gòu)，它們現(xiàn)在的形態(tài)是在造物之初就形成的，并將一直持續(xù)。

然后在1919年，盧瑟福做了一個劃時代的實(shí)驗(yàn)，顯示煉金術(shù)士的計劃并非癡心妄想，而是完全可能實(shí)現(xiàn)的。不僅如此，而且改變一個物質(zhì)的化學(xué)性質(zhì)的方法也簡單得令人驚異：用α-粒子對物質(zhì)進(jìn)行轟擊。盧瑟福首先選擇了氮?dú)膺M(jìn)行沖擊，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)相對原子質(zhì)量為4的α-粒子（或氦原子核）撞擊到相對原子質(zhì)量為14的氮原子核時，后者的原子核會射出小粒子，看起來像氫原子核。1925年4月，正在盧瑟福實(shí)驗(yàn)室工作的布拉開特設(shè)計了一次在威爾遜冷凝室發(fā)生的沖擊，在該冷凝室中，一個運(yùn)動的帶電粒子可以在身后留下冷凝的痕跡，與飛機(jī)在大氣上層留下的冷凝痕跡類似。這次實(shí)驗(yàn)被拍照，從而記錄下運(yùn)動粒子的路徑。在以前沖擊中，布拉開特發(fā)現(xiàn)原子核僅僅是如同眾多彈子球般彈回，但是還有幾次氦和氮的原子核組合變成了相對原子質(zhì)量為17的氧的原子核（氧的一種同位素），以及一個質(zhì)子或相對原子質(zhì)量為1的氫原子核。相對原子質(zhì)量14和4的兩個原子核顯然變成了3個質(zhì)子和1個電子，形成了質(zhì)量17和1的原子核。這個過程某種程度上預(yù)示著一個放射性的過程，但不同的是它在控制下完成；實(shí)驗(yàn)者們沒有等待發(fā)令槍自己發(fā)聲，而是通過強(qiáng)大的α-粒子對其進(jìn)行影響，然后槍響了。還有更深一層的不同是，α-粒子被吸收而不是被釋放，質(zhì)子被釋放，因?yàn)樗鼈儚臎]有在放射性轉(zhuǎn)換中存在。這個實(shí)驗(yàn)打開了研究的廣闊領(lǐng)域，仍然遠(yuǎn)沒有完結(jié)，但是簡單元素的轉(zhuǎn)化中幾乎全部被詳細(xì)研究。

中子　1931年，玻特和貝克爾選擇了輕元素鈹進(jìn)行轟擊，發(fā)現(xiàn)它釋放出具有高度穿透力的輻射，由于它不會因磁力而偏移，因而在最初被認(rèn)為含有γ-射線。第二年，曾經(jīng)在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室工作，現(xiàn)在已成為利物浦大學(xué)教授的詹姆斯·查德威克證實(shí)它含有物質(zhì)粒子，與氫原子大約質(zhì)量相同，但并不攜帶電荷，他將這些粒子稱為中子。它們形成了比α-粒子更有效的拋射物，因?yàn)椴粠щ姾桑鼈儾粫辉雍怂懦狻?/p>

很快做出的猜測是，它們可能是原子核正常的組成成分。一個原子核可能含有與該元素的原子序數(shù)相等數(shù)目的質(zhì)子，使原子核帶有電荷，同時含有足量的中子，從而將質(zhì)量提升為該元素的相對原子質(zhì)量。增加或消除中子當(dāng)然會產(chǎn)生同位素。例如，相對原子質(zhì)量為1、2、3的氫的三個同位素的原子核應(yīng)該各自含有一個單一的質(zhì)子以及0、1、2個中子。

實(shí)驗(yàn)室的證據(jù)很快證實(shí)了這個猜測。查德威克和戈德哈伯將相對原子質(zhì)量為2的氫原子（氘核）分解成質(zhì)子和中子，而西拉德將相對原子質(zhì)量為9的鈹?shù)脑雍朔至褳橄鄬υ淤|(zhì)量為8的一個原子核和一個中子。

這些僅僅是非常一般的程序的簡單例證，即通常所稱的“核裂變”——將原子核分裂成更小的部分。費(fèi)米和他的同事在羅馬用中子轟擊鈾原子核，并認(rèn)為得到了一種比鈾更重的放射性元素，直至哈恩和史托拉斯曼在1938年證實(shí)，他們僅僅是將鈾原子核分裂為兩個更小的部分。弗里希和邁特納指出，原來鈾原子核物質(zhì)的相當(dāng)一部分一定已經(jīng)轉(zhuǎn)化成能量，弗里希確認(rèn)了這一點(diǎn)，顯示被打碎的原子核的各個部分以爆炸的速度四散飛行。

當(dāng)核裂變伴隨著中子的放射出現(xiàn)在1939年時，新的一章便揭開了序幕。其重要性在于，如果釋放出的中子比吸收的多，每一個新釋放的中子可能本身即成為沖擊者，制造出更多的中子，直至無限，因而產(chǎn)生具有毀滅微粒的爆炸。這種效果被發(fā)現(xiàn)可以更加簡單地制造出來，方法是對相對原子質(zhì)量為235的鈾的稀有同位素的原子核進(jìn)行轟擊。

這就是目前制造出原子彈的技術(shù)的起源，但是這種技術(shù)可能在未來的時間里產(chǎn)生最具價值的工業(yè)發(fā)展。轉(zhuǎn)換將原子核的質(zhì)量的一部分直接變成能量，而這可以成為有利用價值的能量，就像我們現(xiàn)在使用來自煤和石油的更加少量的能量一樣。

兩種帶電荷粒子所儲存的能量取決于它們之間的距離，與距離成反比。如果將兩個粒子之間的距離減少到100萬分之一，我們就可以將它們所產(chǎn)生的能量增加到100萬倍?，F(xiàn)在，燃燒煤炭、點(diǎn)燃汽油或引爆硝化甘油時，我們實(shí)際上將分子大小距離，即10-7～10-8cm的帶電粒子重新排列。但在促成核裂變反應(yīng)時，我們所重新排列的帶電粒子僅僅為原子核距離大小，即10-13～10-14cm。由于這些僅僅為分子距離的100萬分之一，其儲藏的能量為100倍，這樣我們必須期望一顆原子彈可以制造出等量高爆炸藥100萬倍的效果，我們可以希望，如果在和平領(lǐng)域核能代替化學(xué)能，那么也可以制造出100萬倍的效用。

在薩姆·休斯頓堡建立“高等教育資源全國委員會”望遠(yuǎn)鏡

宇宙輻射　到目前為止，現(xiàn)代物理學(xué)的故事一直圍繞著發(fā)現(xiàn)新輻射的歷程，現(xiàn)在我們必須描述一下20世紀(jì)初出現(xiàn)的另一類輻射。大約在1902年，很多實(shí)驗(yàn)者發(fā)現(xiàn)他們的電氣設(shè)備在設(shè)有任何明顯原因的情況下自動放電，并因此猜測原因一定是到目前為止尚不知曉的某種輻射。這似乎無處不在，并比任何一種輻射都具有更強(qiáng)大的穿透力，任何厚度的金屬都無法屏蔽其效果。開始，人們認(rèn)為這來自于地球本身，但是格克耳、黑爾、柯爾霍斯特和后來的密立根及其在帕薩迪納的同事們發(fā)現(xiàn)他們的儀器如果放在氣球中上升時會放電更快，而相反，如果儀器放入礦藏或深潛入無鐳的水中時則放電較慢，顯然，輻射一定是從外部空間進(jìn)入大氣的。

輻射不會來自某個星體，因?yàn)槿绻沁@樣，太陽應(yīng)該到目前為止是最大的輻射源，而且白天和黑夜所接收到的輻射量等同，似乎輻射來自某種一般的宇宙過程，因而被稱為“宇宙輻射”。

這是到目前為止最具有穿透力的輻射，因?yàn)樗梢源┻^數(shù)碼的鉛，這使其變得不可毀滅。由于空間的物質(zhì)的平均密度非常之低（每立方厘米僅有10-28克），以至于輻射在穿行了幾十億年之后才會遇到與1微米厚度的鉛板等同的物質(zhì)。宇宙的年齡大約只有幾十億年，這意味著幾乎所有的宇宙輻射在產(chǎn)生后仍然繼續(xù)在空間內(nèi)穿行。雷格納發(fā)現(xiàn)，我們接到的這種輻射大約與我們從太陽以外的星體所接到的光和熱等同，在每立方英寸中，它每秒分裂大約10個原子，從整個空間平均下來，這大概是整個宇宙中最普通的輻射。

發(fā)現(xiàn)這種輻射后的若干年，對其性質(zhì)曾進(jìn)行過很多討論，它是否含有帶電粒子，或者含有電子干擾，或者二者都不是？在普通實(shí)驗(yàn)室磁場中進(jìn)行測試是沒有意義的，因?yàn)樵诘竭_(dá)實(shí)驗(yàn)室時，它已經(jīng)穿過了整個地球大氣層，打碎了所遇到的每一個原子，因而與自己所創(chuàng)造出來的原子碎片混合在一起。唯一可以用來進(jìn)行測試的磁場是地球本身，因?yàn)檩椛湓诖髿庵邪l(fā)生糾纏已經(jīng)穿過該磁場，這個場不會使電磁波發(fā)生偏移，因而如果輻射含有這些，它會等量地落在地球表面的各個部分。另一方面，如果輻射含有帶電粒子，這些粒子會在地球的場中發(fā)生偏移，并不均衡地落在地球表面的各個部分，其不均衡性會顯示出地球磁場的某些特性。

從1938年開始，密立根和在帕薩迪納技術(shù)學(xué)院的合作者們一直不惜力量地在地球表面各個區(qū)域測量輻射的能量，并發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不均衡。密立根和內(nèi)爾對觀察的解讀是，60%的輻射一定含有帶電粒子，其運(yùn)行時帶有一個電子從20億～150億伏電壓下降的過程中所獲得能量，他們對這些能量的來源進(jìn)行了猜測。

我們已經(jīng)看到一個粒子的質(zhì)量在其運(yùn)行速度增加的過程中如果相應(yīng)增加，從而一個運(yùn)動足夠快的電子可能具有一個完整原子的質(zhì)量。這不是異想天開的猜測，或僅僅是理論推演，因?yàn)榱_林斯頓和福勒已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)室中的一個完整原子可以將自己轉(zhuǎn)換成一對粒子，其運(yùn)行速度可以使其質(zhì)量之和等于原來原子的質(zhì)量。密立根還猜測到，宇宙輻射可能含有這類粒子，它們的高速運(yùn)動令其具有原子的質(zhì)量。1943年，密立根、內(nèi)爾和匹克林發(fā)現(xiàn)，觀察到的輻射可以通過氦、氮、氧和硅原子的分解進(jìn)行解釋——這不是原子的隨意分類，因?yàn)槠渲泻锌臻g中最普通的一些原子，如果這些最終被證明是宇宙輻射之源，那將成為物質(zhì)轉(zhuǎn)換成輻射的顯著案例，盡管到目前為止我們還不知道這種轉(zhuǎn)換如何發(fā)生或?yàn)槭裁窗l(fā)生。我們已經(jīng)看到較不完整的轉(zhuǎn)換如何被應(yīng)用在原子彈中，未來將很快看到來自太陽和其他星體的輻射將會如何得到應(yīng)用。

其他粒子　宇宙輻射的高能穿透力暗示了一個高能的破碎能力，事實(shí)上這種輻射擊碎了所有撞到的原子核。如果這種情況發(fā)生在威爾森冷凝室，被擊碎的原子核碎片可以通過對不同組成部分冷凝痕跡的攝影進(jìn)行檢驗(yàn)。1932年，在帕薩迪納技術(shù)學(xué)院工作的卡爾·安德森發(fā)現(xiàn)這些碎片含有一種尚不知曉的粒子，并且攜帶質(zhì)子電荷，但質(zhì)量只有一個電子大小，它們實(shí)際上是帶有正電荷的電子，安德森稱之為陽電子。

它們的存在時間很短，幾乎一出生就與普通電子合并，并在輻射的一瞬間消失，這一閃所產(chǎn)生的能量當(dāng)然是，其質(zhì)量等于陽電子和電子的組合質(zhì)量。1933年，布萊克特和奧恰利尼在卡文迪什實(shí)驗(yàn)室提出并由安德森迅速證實(shí)，該過程具有可逆性，由于陽電子和電子成對消亡，它們也成對出生，這樣能量創(chuàng)造了物質(zhì)。

到目前為止，這些陽電子僅僅被認(rèn)為是來自空間深處的宇宙輻射的產(chǎn)物，但在1934年，約里奧發(fā)現(xiàn)類似的粒子也從某種實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的放射性原子核中釋放出來。

1937年，宇宙輻射所產(chǎn)生的碎片含有另外一種新的粒子——介子（重電子），它與電子具有同樣的電子，但是其質(zhì)量不同，據(jù)估算可能是電子質(zhì)量的40～500倍，因而介于電子質(zhì)量和質(zhì)子質(zhì)量之間。這種質(zhì)量是否等同還不得而知，可能有很多種介子。

所有這些不同的粒子看起來都是從原子核中出現(xiàn)的，而原子核可以看作是所有這些粒子的混合體，但是我們不知道這些粒子在多大程度上可以永久并獨(dú)立地存在。安德森曾經(jīng)提出，中子可能不是基本粒子，而是一個質(zhì)子和電子的組合——一種崩潰了的氫原子。盧瑟福和阿斯頓發(fā)現(xiàn)，其質(zhì)量大約比一個質(zhì)子和電子的組合質(zhì)量高出大約1%的十分之一，更籠統(tǒng)地說，質(zhì)子和中子可能是同一基本粒子的不同狀態(tài)，二者通過釋放1個電子或陽電子而互相轉(zhuǎn)換。這種釋放當(dāng)然會產(chǎn)生反作用力，并且為了符合能量和動能守恒原則，還會有其他粒子同時被釋放出來，所需要的純粹的假想粒子被稱為“中微子”或“反中微子”。

鑒于上述所有，對原子核賦予任何精確的規(guī)范都是徒勞的，討論一杯茶是含有用糖甜化了的奶茶，還是含有用牛奶白化了的糖茶并沒有太大的意義。