第二十四章　探索原子內(nèi)部的奧秘

至門捷列夫止，人們對(duì)原子已經(jīng)認(rèn)識(shí)得相當(dāng)深了，并且，這些西方人像他們的古希臘祖宗一樣，相信這種原子就是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒。

然而兩個(gè)發(fā)現(xiàn)將這種信念打破了，這就是X射線與元素放射性的發(fā)現(xiàn)。

—神奇的X射線—

關(guān)于倫琴之于X射線，我們在前面已經(jīng)略提過兩次，這里再比較詳細(xì)地說一下，因?yàn)樗耸钦麄€(gè)科學(xué)史上最具革命性意義的發(fā)現(xiàn)之一呢！

倫琴是德國人，1845年生。早年畢業(yè)于瑞士蘇黎世的一所技術(shù)學(xué)院，畢業(yè)后在五六所大學(xué)當(dāng)過老師，例如法國的斯特拉斯堡大學(xué)、德國的吉森大學(xué)、慕尼黑大學(xué)等。1888年任維爾茨堡大學(xué)物理研究所的教授和所長，1894年起擔(dān)任該校校長。1900年轉(zhuǎn)到慕尼黑大學(xué)，在這里一直任物理學(xué)教授直到1920年退休。三年后逝世于慕尼黑。

倫琴不是化學(xué)家，而是物理學(xué)家，他對(duì)科學(xué)最大的貢獻(xiàn)是發(fā)現(xiàn)了X射線。

X射線是倫琴無意中發(fā)現(xiàn)的。本來，他研究的是陰極射線管的放電現(xiàn)象。所謂陰極射線管就是一種玻璃管，先將里面的空氣抽去，再通過高壓電流，這時(shí)候，在它的陰極一端會(huì)發(fā)出某種看得見的射線，科學(xué)家們稱之為陰極射線。

倫琴對(duì)這種神秘的現(xiàn)象也深感興趣。1895年11月的一天，他為了保護(hù)這些陰極射線管，把它用硬紙板包好，外面再蓋上錫箔。這時(shí)候，即使通電從外面也看不見陰極射線了。他甚至將硬紙板涂黑，并且把房間弄黑，再去看管子，直到確實(shí)看不見管里發(fā)出的陰極射線為止。當(dāng)他確信管子已經(jīng)被包裹得好好的后，就準(zhǔn)備開燈了。

這時(shí)候，他突然看到，在管子前面不到1米處的一個(gè)小工作臺(tái)上閃爍出微光，就像是一點(diǎn)淡淡的熒光或者極微弱的電火花。

這現(xiàn)象讓倫琴大吃一驚，覺得不可思議，他又一次通電，又一次看到了那神秘的閃爍，而被包裹得嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的陰極射線管里仍沒有一絲光線透出。他還看出來，這光線是由陰極射線管使工作臺(tái)上一張亞鉑氰化鋇小屏上發(fā)出來的。這亞鉑氰化鋇我們可以將它看作是一卷密封好的膠卷，而這神秘的射線能夠使已經(jīng)密封好，連太陽光照射都沒問題的膠卷曝光。

這曝光的原因是明顯的，一定是從陰極射線管里發(fā)出來某種看不見的光使之曝了光，也就是說使亞鉑氰化鋇小屏發(fā)光。

他發(fā)現(xiàn)這神秘射線最大的特點(diǎn)是具有極強(qiáng)的穿透性，無論他將書本、木塊甚至鋁板擋在前面，后面的亞鉑氰化鋇小屏都會(huì)發(fā)出熒光，唯一的例外是鉛板，它似乎能夠完全阻擋神秘射線的穿透。

更有意思的是，當(dāng)他手執(zhí)小鉛板放到陰極射線管前面時(shí)，在亞鉑氰化鋇屏上出現(xiàn)的不但有鉛板的輪廓，竟然還有他手指淺淺的陰影，最奇的是，他竟然在手指的陰影里看到了它骨骼清晰的輪廓。

能夠看到活人的骨骼，在當(dāng)時(shí)簡直是大白天碰見了鬼！倫琴在震驚之余，更加深入地研究起來。他想到，要是能夠?qū)⒐趋赖妮喞粝聛砭秃昧?，他想到了一個(gè)好辦法。

那時(shí)候已經(jīng)發(fā)明了最早的照相機(jī)，倫琴也知道照相機(jī)的原理。他于是想到了，要是將手放在神秘的光線與照相底片之間，神秘光線會(huì)使底片感光，那時(shí)候，在底片之上不就會(huì)留下阻擋神秘射線的物體的影子了嗎？

想到這個(gè)妙招之后，倫琴立即行動(dòng)。這天晚上，剛好他夫人來了，他立即當(dāng)了說客，游說夫人接受他神奇的實(shí)驗(yàn)，不用說，夫人乍一聽到這怪主意，如何敢輕易接受，但拗不過夫君，只得將手伸到了陰極射線管前。

一刻鐘之后，她將手挪開了。過了一會(huì)，丈夫遞給她一張照相底片。在那張底片之上，倫琴夫人竟然看到了一只張開五指的手，上面沒有肉，只剩下骨頭！當(dāng)她聽丈夫說那就是她自己的手，上面那只漆黑的小團(tuán)就是她手上的戒指時(shí)，她被嚇了個(gè)半死。

這就是世界上第一張X光片。

這年12月，倫琴寫出了論文《一種新射線》，文中詳細(xì)地介紹了他發(fā)現(xiàn)的這種神秘的射線。

因?yàn)楫?dāng)時(shí)根本不知道這是一種什么射線，他稱之為“X射線”。我們知道，西方人習(xí)慣用“X”來表示未知的東西，連方程中的未知數(shù)都用“X”來表示。由于是倫琴發(fā)現(xiàn)的，后人又稱為“倫琴射線”。

次年1月，倫琴的著作正式出版了。這可是科學(xué)史上從來沒有過的神秘發(fā)現(xiàn)呢！而且，這發(fā)現(xiàn)可不像門捷列夫的發(fā)現(xiàn)，只對(duì)科學(xué)家們有意義，倫琴的神秘射線能夠照出每一個(gè)人的骨骼來呢！不管它是科學(xué)家還是文盲都一樣。一個(gè)人竟然活著就能看到自己的骨頭，竟然還一點(diǎn)也不痛，這樣的奇跡就像是上帝創(chuàng)造的，叫人們?nèi)绾尾挥煮@又喜，甚至歡呼雀躍呢！

在相當(dāng)長的一段日子內(nèi)，歐洲各大報(bào)紙上充斥著關(guān)于神秘的X射線各種奇跡般的故事。其中有的更是寫得神乎其神，似乎耶穌就是在這種神秘的光線里復(fù)活了呢。其中有名大報(bào)《法蘭克福日?qǐng)?bào)》中的一條新聞是這樣寫的：

一個(gè)驚人的發(fā)現(xiàn)——科學(xué)界正在熱烈地討論維爾茨堡物理學(xué)教授W.C.倫琴的發(fā)現(xiàn)。如果這個(gè)發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了人們所期待的情況，它將給精密科學(xué)提供一個(gè)劃時(shí)代的研究成果，這成果必然會(huì)在物理學(xué)以及醫(yī)學(xué)方面帶來令人感興趣的影響……

這則報(bào)道畢竟來自權(quán)威大報(bào)，還是比較客觀的，它也看出了X射線的另一大用途——在醫(yī)學(xué)上的用途。

從此倫琴一舉成名，在社會(huì)上的知名度只有此前的牛頓能夠相比。

我們前面已經(jīng)說過，X射線實(shí)際上是一種波長很短的電磁波。

X射線發(fā)現(xiàn)之后，大批科學(xué)家展開了對(duì)它的研究。其中一個(gè)是法國物理學(xué)家貝克勒爾。

他知道有一種叫硫酸雙氧鈾鉀（或稱為鈾鹽）的化合物能夠發(fā)出熒光，便想知道這種熒光中是不是含有X射線。他先將照相底片用黑紙嚴(yán)嚴(yán)地裹好，這樣即使放在大太陽光底下也不會(huì)曝光了。然后再將一些鈾鹽放在上面，因?yàn)樘柟饽軌蚣ぐl(fā)出鈾鹽的熒光。放了一段時(shí)間后，他再帶回實(shí)驗(yàn)室，打開黑紙包，發(fā)現(xiàn)底片果真感光了。他以為這就證明了熒光里含有X射線，而且與倫琴的X射線可能有所不同，因?yàn)樗貌恢帢O射線管幫忙就能發(fā)出X光。

后來有一天是陰天，他沒法兒找到太陽曬，便將包好了的底片與鈾鹽放在一起塞進(jìn)暗房的抽屜。等天晴后，他取出來時(shí)，竟然發(fā)現(xiàn)底片也感光了。而這時(shí)鈾鹽并沒有發(fā)出熒光。

這個(gè)現(xiàn)象讓貝克勒爾大為奇怪，不過他也沒有深究，只是將之公布出來。

對(duì)這個(gè)現(xiàn)在更感興趣的是居里夫人，她對(duì)于這種放射性作出了進(jìn)一步研究并且發(fā)現(xiàn)了有強(qiáng)大放射性的釙與鐳兩種新元素。

—深入原子內(nèi)部—

倫琴發(fā)現(xiàn)X射線，貝克勒爾發(fā)現(xiàn)元素的放射性，居里夫人對(duì)這種放射性作出進(jìn)一步研究并且發(fā)現(xiàn)有強(qiáng)大放射性的釙與鐳之后，科學(xué)界對(duì)之作出了什么反應(yīng)呢？

科學(xué)界的反應(yīng)無疑是熱烈的，因?yàn)樵胤派湫缘拇嬖诮o傳統(tǒng)的兩個(gè)基本定律：即物質(zhì)與能量的守恒定律提出了挑戰(zhàn)。根據(jù)傳統(tǒng)的守恒定律，物質(zhì)與能量應(yīng)該是守恒的，既不會(huì)無中生有，也不會(huì)從有化無。然而放射性的存在卻似乎否定了這個(gè)定律。因?yàn)榉派湫栽馗静恍枰裁磩?dòng)力就能夠自己放射出強(qiáng)大的能量，既不知它的能量從何而來，又不知它們歸于何處。這自然會(huì)激起科學(xué)家們要解決這一問題的決心。

其實(shí)，早在倫琴發(fā)現(xiàn)X射線之前，英國物理學(xué)家湯姆遜就很關(guān)注陰極射線了。

湯姆遜是英國人，生于1856年，死于1940年。一輩子都待在劍橋大學(xué)，先是當(dāng)學(xué)生，后來是做老師，還是一個(gè)杰出的領(lǐng)導(dǎo)者。擔(dān)任劍橋著名的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任后，他把這里建成了當(dāng)時(shí)全世界最重要的實(shí)驗(yàn)物理研究中心。許多優(yōu)秀的科學(xué)家在他的麾下工作，在他的科學(xué)家當(dāng)中，包括他自己和他的獨(dú)生子小湯姆遜，先后共8次獲得諾貝爾獎(jiǎng)。

1895年，倫琴發(fā)現(xiàn)X射線后，使對(duì)陰極射線進(jìn)行進(jìn)一步研究成為可能。借助倫琴射線，湯姆遜發(fā)現(xiàn)陰極射線是一些帶電微粒，它不僅會(huì)被磁場偏轉(zhuǎn)，還會(huì)被電場偏轉(zhuǎn)，它帶的是負(fù)電。他還測出了這種微粒的質(zhì)量約為氫原子質(zhì)量的。經(jīng)過進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，湯姆遜發(fā)現(xiàn)，所有化學(xué)元素的原子里都有這種微粒。

如此，湯姆遜得出了這樣的結(jié)論：所有物質(zhì)，無論其來源是什么，都包括同一種粒子，這種粒子的質(zhì)量要比原子小得多，而且是原子的組成者。

湯姆遜理論的革命性是顯而易見的，它終結(jié)了千年以來西方人認(rèn)為的原子不變、原子是構(gòu)成物質(zhì)的最小微粒的理論，因此，湯姆遜一時(shí)被稱為“原子的分裂者”。

他所發(fā)現(xiàn)的組成原子的微粒就是電子，它是圍繞原子核高速運(yùn)動(dòng)的極小的帶電微粒。

發(fā)現(xiàn)電子后，關(guān)于原子不變的古老傳說自然消失了，人們認(rèn)識(shí)到原子也是有其結(jié)構(gòu)的，湯姆遜也提出了一個(gè)原子組成的模型，在這模型里，原子是一個(gè)球，而電子則鑲嵌在原子里，就像將葡萄干粘在面包上一樣。

這種模型當(dāng)然有其合理性，但很快又被否定了，因?yàn)榱硪粋€(gè)英國物理學(xué)家、湯姆遜的弟子盧瑟福做了一個(gè)絕妙的實(shí)驗(yàn)，得出了一個(gè)新的、更加合理的原子結(jié)構(gòu)模型。

我們先來簡單地說幾句盧瑟福的實(shí)驗(yàn)。我們知道那些放射性元素像有無數(shù)子彈的機(jī)關(guān)槍一樣，能夠自動(dòng)地發(fā)射出一些微小的粒子，正因?yàn)槿绱怂鼈儾疟环Q為“放射性元素”。釙就是這樣的放射性元素，它能夠發(fā)射出一種叫α的粒子。盧瑟福就想到了用這些粒子去轟擊原子，看能打出點(diǎn)什么東西來。

他于是找來一塊很薄的金箔，又用一個(gè)盒子裝了一點(diǎn)釙，只在前面挖了一個(gè)小孔。然后他將這塊金箔放在小孔前面，又在金箔后面裝了一架顯微鏡。

這一切布置好后，他通過顯微鏡看到了什么呢？他看到了絕大多數(shù)α粒子能夠順利地從金箔穿過，就像穿過空氣一樣，路線都沒有改變。但卻有極少數(shù)的α粒子方向發(fā)生了明顯甚至很大的改變，有的竟然改變了180°，就像子彈打到了防彈玻璃上一樣被彈了回來。此時(shí)已經(jīng)知道原子中有電子，而且知道電子的質(zhì)量是極小的，根本不足以抵擋α粒子的轟擊，這就是為什么絕大多數(shù)α粒子能夠自由穿過金箔的原因。但那一小部分的α粒子方向偏轉(zhuǎn)說明了什么呢？說明在原子內(nèi)部有一些質(zhì)量比電子大得多的微粒，正是它們阻擋了α粒子的轟擊。依據(jù)之，盧瑟福提出了他的原子結(jié)構(gòu)觀念，他認(rèn)為：在原子中心有一個(gè)很小的核，原子的全部正電荷和幾乎全部質(zhì)量都集中在這個(gè)核里，帶負(fù)電的電子則在核外的空間里繞著核旋轉(zhuǎn)。

這個(gè)假設(shè)與上面的實(shí)驗(yàn)很符合，因此很快被接受了，但不久又遇到了難題。例如是一種什么力能夠讓電子不停地繞著原子核旋轉(zhuǎn)呢？為什么它不會(huì)被拉進(jìn)原子核？就像人造地球衛(wèi)星久了會(huì)被拉進(jìn)地球的大氣層燒毀一樣。

為了解釋這些問題，另一個(gè)物理學(xué)家玻爾提出了新的原子結(jié)構(gòu)模型，這個(gè)模型已經(jīng)與現(xiàn)在我們對(duì)原子的認(rèn)識(shí)差不多了。以后，等我們前面說過的量子力學(xué)誕生之后，就構(gòu)成我們現(xiàn)在的關(guān)于原子結(jié)構(gòu)的完整的認(rèn)識(shí)了。下面我就完整地說一下人們現(xiàn)在所認(rèn)識(shí)到的原子。

原子按其定義是這樣的：原子是仍保有元素化學(xué)屬性的最小單位。

原子當(dāng)然是可分的，但如果再分的話，它就不能保有原來元素的屬性了，例如鐵或者氦的原子便具有鐵或者氦的屬性，但如果將鐵或者氦的原子再加以分割的話，它就不再是鐵或者氦了，而成了別的元素的原子或者別的微觀粒子。

就體積而言，所有的原子大小大致相同。每個(gè)原子的直徑大約是2×10⁸厘米，它有多少呢？難說，比一根頭發(fā)絲都要小不知多少倍，不但不可能用肉眼看到，甚至一般的顯微鏡也看不到，據(jù)說電子顯微鏡可以看到某些種類的原子，但也十分朦朧。

由于原子這樣小，因此需要很多原子才能組成哪怕是一小塊物質(zhì)，例如在一般的固態(tài)物質(zhì)上，1厘米的長度內(nèi)就有多達(dá)5千萬個(gè)原子緊緊地靠在一起排列著，而1立方厘米這樣的物質(zhì)之內(nèi)就有約10²³個(gè)原子。

就質(zhì)量而言，不同原子的質(zhì)量是不同的，其中最輕的是氫原子，如果將它的質(zhì)量定為1，那么最重的鈾是238，也就是說，一個(gè)鈾原子的質(zhì)量是238個(gè)氫原子的質(zhì)量。

至于原子的大致構(gòu)成我們都知道，它是由原子核及環(huán)繞著它高速旋轉(zhuǎn)的電子組成的，這些電子由于運(yùn)動(dòng)速度太快，簡直像一團(tuán)云霧籠罩在原子核外，于是被形象地稱為電子云。其中原子核又由質(zhì)子與中子構(gòu)成，不過其中的氫原子核沒有中子，只有一個(gè)質(zhì)子。