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（二） 前面已经讲了，贝克勒耳发现了放射线，居里夫妇又作出了新的贡献。放射线本身究竟是什么呢？这正是当时科学界最关注的大问题。下面我们来讲一下另一位伟大的物理学家卢瑟福的工作。 1895年，就在伦琴发现X射线的那一年，年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国，到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。 一开始，他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后，在汤姆逊的建议下，卢瑟福立即转而研究放射线。 卢瑟福把铀装在铅罐里，罐上只留一个小孔，铀的射线只能由小孔放出来，成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线，结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住，他把它叫做“软”射线；另一类射线则穿透性极强，几十厘米厚的铝板也不能完全挡住，他把它叫做“硬”射线。 正在这时候，居里夫妇发现了镭，并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下，射线分成两束。其中一束不被磁场偏转，仍然沿直线进行，就像X射线那样；另一束在磁场的作用下弯曲了，就像阴极射线一样。 用磁场研究射线，在卡文迪许实验室里可是拿手好戏，实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国，卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀（这时他手中还没有新发现的镭）的射线。 结果，铀的射线被分开了，不是两股，而是三股。新发现的一股略有弯曲，卢瑟福把它叫做α（阿耳法）射线；那一股弯曲得很厉害的叫做β（贝他）射线；不被磁场弯曲的那一股叫做γ（伽玛）射线。 卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是： α射线的穿透本领最差，它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母，一张0.05毫米的铝箔，一张普通的纸都能把它挡住。 β射线的穿透本领比α射线强一些，能穿透几毫米厚的铝片。 γ射线的穿透本领极强，1.3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。 这三种射线是什么物质呢？ 居里用汤姆逊研究阴极射线的方法去测定了β射线，证明了β射线和阴极射线性质一样，是带阴电的电子流，只不过速度更快一些。 γ射线和X射线类似，都是波长非常短的电磁波。 α射线是什么呢？一时还不清楚。 由于α射线和β射线在磁场中弯曲的方向相反，显然α射线带的电荷和β射线正相反，α射线应该是带阳电（正电）荷的粒子流。 卢瑟福用了几年时间专心研究α射线，最后才证明α射线是失去两个电子的氦原子（氦离子）流。这段故事在下面再讲。 1899年，年轻的科学家欧文斯在卢瑟福指导下开始进行科学研究。 卢瑟福想，他自己已经研究过铀的放射性了，何不叫欧文斯研究一下钍的放射性呢！ 欧文斯用钍在卢瑟福研究铀的仪器上做实验。一开始，卢瑟福没有来。几天以后，卢瑟福听了欧文斯的报告，来到了实验室。 师徒两人都戴上大口罩，还把实验室的门窗关得紧紧的。难道他们都伤风了吗？不是。 原来，欧文斯的实验一开始就不顺利。铀的放射性强度很稳定，而钍的放射性强度老是变来变去，实验室一开门，窗口吹来一阵风，甚至呼一口气，钍的放射性都会变。所以卢瑟福要亲自来观察这个怪现象。 因为气流会影响钍的放射性，所以他们关紧门窗，戴上口罩做实验。这时候，钍的放射性似乎是稳定的。欧文斯故意开了开门，卢瑟福看到仪器立刻显示出放射性的变化。门关好了，放射性又慢慢稳定下来。 卢瑟福轻轻地把钍由仪器中拿了出来，奇怪的是，仪器显示出仍然有放射性存在。吹上一口气，放射性又消失了。 看来，钍似乎有传染性，它把空气传染上了放射性。但是铀为什么没有传染性呢？ 反复实验的结果，说明这种现象不是什么“传染性”，而是由于钍中放出来了一种气体。这种气体本身也有放射性，它不断放出α射线，卢瑟福把这种由钍放出来的放射性气体叫做“钍射气”。 说来也巧，发现钍射气的第二年，居里夫妇指导学生多恩研究镭，发现镭也会传染放射性。这就是说，镭也在放出一种放射性气体，这种气体当时叫做“镭射气”。 卢瑟福知道了这个消息十分兴奋，立刻又去研究镭射气。他收集了两种射气进行比较，发现镭射气的放射性很快就消失了，而钍射气的放射性可以维持几个星期。 镭射气是什么？放射性消失以后，镭射气又变成了什么？卢瑟福和他的另一位同事索地应用光谱研究了镭射气。他们发现，镭射气原来是一种新的气体元素，他们给它命名为氡。镭射气在不断消失，变成了固体物质而沉积在容器的表面，同时，它又不断地产生出另外一种气体——氦。 氡是放射α射线的，氡又会不断地消失变成氦，人们很自然地推测α射线可能就是氦。但是推测不等于事实，这要用实验来证明。 做这个实验，首先要抓住α射线，然后才能检验它是不是氦。为了这个目的，卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验。 卢瑟福知道α射线可以穿透很薄的玻璃，厚的玻璃就穿不过了。他把放射α射线的物质，例如钋或氡，封在一个很薄的小玻璃管里；这个小玻璃管的壁非常薄，钋或氧放射的α射线可以穿过管壁跑出来。 他把这个管壁薄的装有钋或氡的小玻璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里，然后把大玻璃管抽成真空。 钋或氡不断地放射出α射线，α射线穿过薄玻璃管壁跑出来，但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了。α射线被抓住了！ 几天以后，在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一定数量的α射线了。在厚玻璃管两端预先封好的电极上通上高压电，管中发出黄色的辉光，用光谱仪检验，真的是氦。 α射线原来就是氦，但是并不是普通的氦原子，因为α射线是带阳电荷的。卢瑟福进一步证明，α射线是带阳电荷的氦离子流。它们一粒粒地由放射性元素内部射出来，速度非常大。因此，人人常常把α射线叫做α粒子。 卢瑟福这个实验是1909年做的。 古代希腊哲学家认为物质的最小微粒是原子。“原子”这个词，在希腊文中就是不可再分的意思。道尔顿在1803年提出：元素是永恒不变的，元素的最小粒子就是不可再分的原子。才过了100多年，人们发现这种观点不对了，元素不是永恒不变的，新发现的放射现象正是由一种元素蜕变成为另一种元素的过程。 这可不是毫无根据的瞎说，因为人们已经亲眼看到镭中产生了氡，氡又变成了氦。 既然元素会变，那么，元素的最小粒子——原子也就不可能是坚硬的不可分割的小球了，原子一定有更复杂的结构。要弄清楚一种元素是怎样变成另一种元素的，首先要知道原子到底是什么样的。 前面已经讲了，汤姆逊发现在各种元素的原子中都有电子，可是在原子中，电子是怎样安排的呢？ 汤姆逊总结已经发现的事实，在1904年第一个提出了原子结构的理论。 他想象原子是一个均匀的带阳电的球，在这个球里面，飘浮着许多电子。这许多电子带的阴电，正好和这个球所带的阳电相等，所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子，这个原子的阳电荷就过多了，形成阳离子；如果多了几个电子的话，这个原子的阴电荷就过多了，形成阴离子。 汤姆逊的原子模型有点像果子面包，整个面包好像一个原子，面包里的葡萄干好像电子。 人们发现，β射线就是快速运动的电子，它能够穿透几毫米厚的铝片，也就是说，电子能穿透原子。如果原子是道尔顿所认为的那样坚硬的小球的话，电子就没法穿过了。但汤姆逊用他的模型解释了这个现象，他认为，比起原子来，电子的体积是极小的，在原子里面电子之间的空隙很大，所以速度非常快的电子可以穿过空隙跑过去。这种情形可以比作一粒快速的葡萄干打穿了果子面包。 原子里面的电子之间的空隙就那么容易穿过吗？汤姆逊认为，带阳电荷的球是没有质量的，只有带阴电荷的电子才有质量。汤姆逊已经测量出来电子的质量差不多是氢原子质量的1／2000。既然原子中只有电子有质量，那么一个氢原子中就应该有差不多2000个电子。氦原子的质量是氢原子的4倍，那么一个氦原子中就会有8000个左右的电子！更重的元素的原子中的电子，数目就应该更多了。 能有这样多的电子吗？还有，α粒子也能穿过很薄的金属箔。这又怎样解释呢？ α粒子是失去两个电子的氦原子，按汤姆逊的模型，那就是一块掉落两粒葡萄干的小面包。一块小面包打在大面包（金原子）上，不管速度有多大，很难想象怎么能穿透过去。 看来，汤姆逊的果子面包原子模型有很多问题。 卢瑟福已经对α射线进行了多年的研究，他一直在考虑α粒子在穿透很薄的金箔时发生的怪现象：它们绝大多数笔直地穿过了金箔，有极少数穿过金箔之后却改变了方向。这些α粒子为什么会改变方向呢？ 高速前进的α粒子会转弯，看来是碰到了什么障碍物。这种障碍物不会是质量极小的电子，而应该是体积非常小、质量足够大的一粒什么物质。这一粒物质，就在金原子中。 于是，探究原子深处奥秘的新的科学实验开始了。 这一天，卢瑟福和他的年轻助手盖革走进实验室，还有几个学生也来帮忙。实验室里装着新设计的仪器——中间是一片金箔，正对着金箔有一个装有放射性元素的小罐，α粒子成为一小束由罐口向金箔射去。金箔周围有一个大的有刻度的圆盘，上面装着一个能够沿着圆盘转动的闪烁镜。 闪烁镜是老科学家克鲁克斯在1903年发明的。这是一小片涂有硫化锌的荧光屏，要是有一个α粒子打在屏上，屏上就会发生一个小小的闪光。用放大镜进行观测，并且数出闪光的次数，就可以推算出α粒子的数目来。 窗上的黑色帷幕放下来了。在漆黑的实验室的一角点起一根小小的蜡烛，卢瑟福和学生们一起闲谈了一会，等候大家的眼睛习惯黑暗。 “可以开始了！”卢瑟福说。 盖革坐在仪器旁边，记下闪烁镜转动的角度后，睁大眼睛看着闪烁镜。 “记数！”卢瑟福看着时间。 “1、2、3、4……”盖革数着闪烁镜中出现的闪光的次数——α粒子的数目。 过了一定时间，卢瑟福说：“停！”这时候，盖革数到58，这就是在这段时间里偏转过来的α粒子数。 闪烁镜转到新的角度，实验重新开始。 过了一段时间，盖革的眼睛酸了。于是卢瑟福坐在仪器旁观测，盖革记时间，学生们也轮流帮助他们进行观测。 他们转了一个角度又一个角度，结果发现偏转角度越大，α粒子就越少。 最后，他们把闪烁镜转到α粒子源的同一边，观测又开始了。 经过较长的沉默以后，盖革数出了“1”，又过了一段时间，才是“2” 看！α粒子不但偏转，而且还在金箔上反弹了回来。 这些现象怎样解释呢？他们进行了热烈的讨论。 1911年3月的一天早晨，盖革正在实验室里整理仪器。他的老师卢瑟福兴冲冲地进来了。 “我知道了！”卢瑟福说：“原子到底是什么样的我知道了！原子确实有核，而且核是带阳电荷的。α粒子也是带阳电荷的，所以在接近带阳电荷的核的时候，由于同性电荷相斥而偏转了。” 卢瑟福接着解释实验结果：带阳电荷的核和整个原子相比是非常小的，所以大部分α粒子穿过原子中的空当，不受核的阳电荷的斥力的影响，只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转，极个别的α粒子差不多正对着核撞去，在斥力的作用下被弹了回来。 过了几天，卢瑟福拿出理论计算公式给盖革看。他根据新的模型算出偏转到各种角度的α粒子的数目，和盖革的实验结果比较，基本上是一致的。 原子不像果子面包了，而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当，因为和原子中的情况相比，核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系，中心是带阳电荷的原子核，外面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是：在太阳系中，行星绕太阳转，靠万有引力；在原子中，电子绕着原子核转，靠异性电荷的吸引力。 1911年10月，卢瑟福在卡文迪许实验室科学年会上作了报告。他详细介绍了他们的实验，提出了新的原子模型。他通过理论计算，证明金原子的半径是0.000000016厘米，而金原子核的半径大约只有0.000000000003厘米。他指出，原子核的体积虽然小，但是原子的质量几乎全集中在原子核上。原子的质量越大，原子核带的阳电荷就越多，外围的电子数目也就越多。 精密的实验、严格的理论，使到会的科学家人人信服，都接受了卢瑟福的新的原子模型。 现在，这个模型比当时又发展了。原来，电子绕原子核运动并不像行星按固定的轨道绕太阳转。电子在原子核外面的运动有时分布成球形；有时分布成为对称的椭球或别的形状，这叫做“电子云”。 一个新的原子模型建立了，但是还不完善，还有许多问题。 按照卢瑟福的模型，带阴电荷的电子靠异性电荷的吸引力，围绕着带阳电荷的原子核运动。但是，一些物理学家提出了疑问。 他们指出，根据已经知道的电磁运动的规律，电子在运动的时候会放出电磁波（能量）。因此，绕着原子核旋转的电子，因为能量逐渐减小，应当沿着一条螺旋形的轨道转动，离中心的原子核越来越近，最后碰在原子核上。这样一来，原子就被破坏了。 实际上，原子很稳定，有一定大小，并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢？ 曾经作过卢瑟福的研究生的丹麦科学家玻尔研究了这个问题。他应用当时物理学中新发展起来的量子论，指出电子按着固定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的，所以电子不会掉到原子核上去。他还指出，电子在原子核外面只能在一定的轨道上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。 卢瑟福也在继续指导他的助手做实验。他们用各种方法测定各种元素的原子核所带的阳电荷数。 1913年，他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序，原来就是原子核带的单位电荷数。当然，在原子核外面也有同样数目的电子。他把元素的原子核所带的单位电荷数叫做原子序数。 莫斯莱的原子序数，玻尔的原子模型，把元素周期律解释得更清楚了。他们的发现很重要，直到今天，全世界的中学和大学的物理、化学课本中都要详细介绍。 在周期表中还有多少空当呢？以前只能说大体上清楚，而且还说不清道理。比如，在氢和氦之间会不会还有没发现的元素？根据相对原子质量来看，氢是1，氦是4，中间可能有2和3的空当，于是就有许多人去找相对原子质量为2和3的新元素，当然他们不可能找到。 如今根据原子序数，也就是核电荷数来看，氢是1，氦是2，中间不再有空当，人们就知道，相对原子质量为2和3的新元素是不会有的。 一些新发现的元素，如钋、镭、锕和氡等都在周期表上找到了自己的位置。可是对放射性的继续研究又提出了新的问题。 这又得从头讲起。 在刚开始发现放射性的时候，人们认为放射性元素是永远不停地放射着射线的。经过进一步的研究，发现这种看法并不正确。 例如，一小管氯化镭的放射性是会慢慢减弱的。经过长时间仔细测量，发现一定量的镭的放射性，经过1622年就要减弱一半，这表示镭已经减少了一半。铀减少的速度更慢，要4510000000年才减少一半。放射性强度减弱一半所需要的时间叫做放射性元素的半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不一样的。 用测量放射性半衰期的办法，可以分辨不同的放射性元素。 在20世纪初，寻找放射性元素的科学研究在各国的实验室里进行着。 那位老克鲁克斯在研究铀，他用碳酸铵从钠盐的溶液中沉淀出来一种物质。这种物质不是铀的化合物，但是有极强的放射性，半衰期只有24天。他认为这里面含有新的放射性元素，取名叫铀X[[[1。 卢瑟福和索地在硝酸钍溶液中加上氨水，钍都沉淀了，剩下的溶液还有放射性，半衰期只有3天多。这又是一种新的放射性元素，他们给它取名叫钍X。 又有人研究镭射气，把一根金属针放在镭射气里，过了一段时间，这根金属针也“传染”上了放射性。研究的结果，是针的表面上沉积了一些放射性物质，分离开来有三种，起名叫做镭A、镭B和镭C。 几年之内，新发现的放射性元素多极了，有新钍[[[1、新钍[[[2、铀X[[[2、铀Y、铀Z、镭C′、镭D、镭E、镭F、锕X、射锕、射钍……一共三四十种，它们的放射性半衰期都不一样。 发现很多新的放射性元素当然是好事，但是周期表上可没有那么多的空位呀！ 有人认为，周期表对放射性元素是不适用的。 事实真是这样吗？ 科学家们继续研究这些放射性元素的各种性质，不仅研究它们的放射性，还研究它们各自的化学性质和物理性质。 人们发现镭会放出镭射气，钍会放出钍射气，锕会放出锕射气。这三种射气的放射性半衰期完全不一样：镭射气是4天，钍射气是1分钟，而锕射气只有4秒。但是用光谱仪检验这三种射气，发现它们都是同一种元素——氡。同一种元素应该有完全相同的性质，为什么放射性会不一样呢？ 卢瑟福的学生哈恩由钍中分离出一种名叫射钍的放射性元素，半衰期是1.9年，但是它的化学性质与钍完全一样。 又有人从钍中分离出来一种放射性元素，半衰期为6.7年，起名叫新钍[[[1，它的化学性质竟与镭完全一样。把新钍[[[1；和镭混合在一起，就再也不能用化学方法把它们分离开来了。 还有人从镭中分离出一种放射性元素，半衰期是80000年，起名叫鑀，但它的化学性质又和钍完全一样。 索地根据这些新发现的事实提出了一个假说：有一些原子在质量上和放射性上可能是不同的，但是它们的化学性质完全一样。所以，这些化学性质相同而质量和放射性不同的元素，应该放在周期表上的同一位置里，叫做“同位素”。 索地的同位素假说是和卢瑟福的原子的核模型在同一年提出来的，还需要用实验来进一步证实。首先就应该“称量”一下这些同位素的原子，看看它们的质量是否真的不一样。 现在要讲讲卢瑟福的老师汤姆逊这些年在研究些什么了。 前面我们已经讲了他测量阴极射线——电子流的实验。1907年他又开始去研究那些失掉了电子的原子。 大家还记得，汤姆逊使阴极射线穿过带有细孔的阳极而成为一束，测量这束射线在电场和磁场的作用下发生的偏转，求出了电子的电荷和质量的比值。 这一回，他把仪器的高压电极反过来接，原来的阴极变为阳极，原来的阳极变为阴极。结果怎样呢？穿过带细孔的阴极也会射出一束射线。当然，这束射线是带阳电荷的，所以对应的叫做阳极射线。这是带阳电荷的粒子流，也就是离子流。 汤姆逊用和测量电子一样的方法，去测量阳极射线的电荷和质量的比值。 他在管内换用了不同气体进行测量。结果发现，同阴极射线不一样，阳极射线粒子的电荷和质量的比值，随气体的不同而不同，而以前测定阴极射线——电子，气体不同而结果一样。这说明阳极射线是失去了电子的某种原子或分子。 只要知道了离子的电荷，并且测定出它的电荷和质量的比值，就能计算出单个离子的质量。 在管内充上氢气，可以测定出失去一个电子的氢原子——也就是氢原子核的质量是： 0.0000000000000000000000017克。 这当然是极小的数值，但是比电子的质量大1836倍。 汤姆逊测量了许多气体的阳离子的质量，发现氦是氢的4倍，氮是氢的14倍，氧是氢的16倍，等等。 在卢瑟福发现原子有核的第二年，汤姆逊用上面的办法研究空气，他发现了质量是氢原子核的20倍的带阳电荷的粒子，这是氖。同时还发现了一种质量是氢原子核的22倍的粒子，这又是什么呢？ 汤姆逊换上了纯氖，结果，质量是氢原子核20倍和22倍的两种粒子同时存在。 汤姆逊和他的学生阿斯顿反复试验，最后证实了这两种粒子都是氖。 索地的预言证实了。有两种不同质量的氖原子，一种的质量是氢原子的20倍，另一种的质量是氢原子的22倍，为了区别起见，把它们写作20Ne和22Ne。 氖的同位素发现了，道尔顿的学说必须修正。同一元素的原子，在质量上并不一定是一样的。 慢慢地，已经发现的那许多放射性元素，都在周期表中找到了自己的位置。它们原来是几种元素的同位素。镭射气、钍射气和锕射气都是氡的同位素；镭A、镭C′都是钋的同位素；钍X、新钍[[[1都是镭的同位素；铀X[[[1、射钍、鑀都是钍的同位素…… 为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性呢？这就需要研究原子的心脏——原子核了。 多年来，汤姆逊兼任着剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长的职务。1919年，他辞去卡文迪许实验室主任的职务，并且推荐卢瑟福做他的接班人。 卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后，开展的第一件重大的科研工作，就是解剖原子核。 可是，一个金原子核的半径只有0.000000000003厘米，哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢？用锤子打吧，原子核又不是个核桃，要用什么样的锤子呢？为了这件事，卢瑟福想了好久。 他回想起他和盖革一起做过的α粒子散射实验。当时发现有极少数的α粒子会反弹回来，说明这些α粒子是正对着金原子核撞去的，只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使α粒子克服斥力，打在原子核上呢？这就需要两个条件。 第一，α粒子的速度要足够大，卢瑟福选用了镭C′（由镭蜕变生成的）放出来的α粒子，它的速度达到19200公里／秒。 第二，同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比，金原子核有79个单位阳电荷，所以斥力很大。要使α粒子能打到原子核上，这个原子核的阳电荷越少越好，所以要选用列在周期表前面的一些元素。 卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子，罐中放着一片涂有镭C′的小片，它不断地射出快速的α粒子。正对着这个小片的铜罐一端，有个小窗口，窗口上涂着硫化锌。如有α粒子射在窗口上，窗口就会发出闪光。 卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的α粒子，在空气中只能通过一定的距离，这叫做α粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的α粒子的射程是不一样的，镭C′放射的α粒子在空气中能射7厘米远。 在铜罐中涂有镭C′的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些，所以α粒子刚好射不到硫化锌上，在一般情况下，窗口不会发出闪光。 卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气，换上各种不同的气体来研究。 有一天，马斯登向卢瑟福报告了一个新发现：在罐内充了氢气，本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和α粒子所发出来的闪光不一样，可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢？ 用汤姆逊的方法做实验证明，这是一种穿透力很强的速度比α粒子更快的粒子。它不是别的，原来就是失去电子的氢原子——氢核。 解释是这样的：快速的α粒子正对着氢原子核碰去，就像我们弹玻璃球一样，一个球弹在另一个球上，就把另一个球弹开了；由于α粒子的质量是氢核的4倍，所以碰撞以后，氢核以更大的速度弹开去了。 这个实验证明，α粒子确实打到氢原子核上了。 马斯登继续做实验。 他换上了二氧化碳气和氧气，这时候，硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重，即使受到α粒子碰撞，也弹不远。 换上了氮气以后，窗口上又出现闪光了。难道是α粒子推动了氮原子核吗？这不可能，因为氮原子核的质量要比α粒子大两倍多。进一步的研究表明，引起硫化锌闪光的还是氢原子核。 这又是一个重大发现，卢瑟福的助手们都跑来看，大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来：这是α粒子撞击了氮原子核，从氮原子核中打出来的氢原子核。 “这是可能的。”卢瑟福说，“但是，现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混人一些氢气或水汽呢？要知道，一个水分子中有两个氢原子，α粒子打到水分子上，也会把氢原子打下来。那就是击破了分子，而不是击破了原子核。” 科学是不容许一点马虎的。 助手们开始更仔细地做起实验来。他们把氮气中的水汽和可能存在的氢气都排除干净以后，再把它充到铜罐内去做实验。结果在α粒子的轰击下，还是出现了高速的氢原子核。 氮原子核真的被α粒子打破了！ 是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢？他们改装了仪器，又做了不少实验。结果发现，用α粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾，都会打出高速的氢原子核来。 原子核被打破了！在各种元素的原子核里面，都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。 α粒子射中氮原子核，放出来质子，那么氮原子核变成什么了呢？α粒子又到哪里去了呢？这些问题，在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明：α粒子打到氮原子核里去了，在放出高速质子的同时，氮原子核变成了氧原子核。 这是一件非常了不起的大事。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素，希望能点石成金，他们始终没做到。而如今，在卢瑟福的实验室中，第一次实现了这个古老的幻想。 这是第一次实现的人工核反应。 1919年，卢瑟福打开了原子核，发现核里面有质子，质子就是氢原子核。看来，原子核可能是由质子组成的。 这就使人们想起100多年前的一个假说。这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的，所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说：氢原子才是最基本和最简单的物质。 他的假说发表以后，有的科学家赞成，有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。那时候，人们都相信道尔顿提出的观点：同一元素的原子，质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后，发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍，例如氯的相对原子质量是35.5，就不是整数。反对派们有实验为根据，宣布普劳特的假说是胡说八道。 到了20世纪，赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据：许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。 但是，有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍，这又怎样解释呢？ 就在卢瑟福发现核中有质子的同一年，汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开，并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素，结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。 更有意思的是，他发现各种元素的同位素的质量，差不多都是质子的质量的整数倍。 阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量，而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。 他发现氯有两种同位素：一种的质量是质子的35倍——35Cl；另一种的质量是质子的37倍——37Cl。他还测出在天然的氯中，35Cl占75.4％，而37Cl占24.6％。 天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的，那么氯原子的平均质量是多少呢？这很容易计算： 35×75.4％＋37×24.6％ ———————————＝35.5 100％ 也就是说，氯原子的平均质量是氢原子的质量的35.5倍，正好和过去测定的结果一致。 35.5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的，而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。 但是要承认普劳特的假说是科学真理，也还有一些问题没有解决。 普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的。 按照普劳特的观点，当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。 已经测定了，一个氢原子核——质子带有一个单位阳电荷，一个氦原子核——α粒子带有两个单位阳电荷，一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是，一个氦原子核的质量是质子的4倍，一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的，质量对了，但是电荷的数目不对，少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的，电荷数目对了，但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎样解释呢？ 还有一个问题：由于同性电荷相斥，几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中，除氢之外，其他元素的原子核的质量都比质子大，从大几倍一直到大200多倍。这又怎样解释呢？ 这时候，人们想起了1913年居里夫人提出的一个原子核的模型：原子核是由阳电荷和电子组成的。显然，这阳电荷就应该是质子。 在过去，人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素，是各种原子。而现在，情况变了，人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种——质子和电子。各种元素的原子，不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来，就可以建成千变万化的物质世界。 用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢？科学家们提出了质子-电子模型： 第一号预制件就是氢，它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。 第二号预制件是氦，它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷，一个电子带有一个单位阴电荷，在氦原子核中，两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷，所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。 在原子核中，带阴电荷的电子像胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把一些困难问题都解决了。 为了更清楚地标明各种预制件的情况，人们把第一个预制件用11H表示，在左上角的1表示原子核的质量数，也就是原子核中的质子的数目，左下角的1表示原子核的阳电荷数，也就是原子序数。 第二个预制件是42He。这说明氦原子核中有4个质子，带两个阳电荷。当然为了中和多余的阳电荷，核中还应该有2个（4－2＝2）电子。 只要有质子和电子，就能搭配成各种预制件。例如，周期表上第8号元素氧是168O。显然，它的原子核要用16个质子和8个（16－8＝8）电子组成，而核外的电子是8个。 周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素，所以这种元素又分为两种原子：一种影3517Cl，它的原子核是由35个质子和18个（35－17＝18）电子构成的；另一种是3717Cl，它的原子核是由37个质子和20个（37－17＝20）电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。 这一切是多么简单啊！只要用最简单的加减法就能解决问题。 那些天然放射性元素可以看作是一些大型预制件。这些预制件不很牢固，常常会自动掉下一两块东西，就变成另外型号的预制件。 居里夫人发现的镭的符号是22688Ra，它放射出α粒子——也就是氦原子核42He，结果变成镭射气——氡22286Rn。我们可以写成一个原子核反应方程： 22688Ra→22286Rn＋42He 氡还要继续放射出α粒子，反应方程是： 22286Rn→22286Po＋42He 你们看，在反应方程的箭头两边，元素符号左上角的数目的和是相等的，226＝222＋4，222＝218＋4；元素符号左下角的数目的和也是相等的，88＝86＋2，86＝84＋2。 很清楚，一种放射性元素放出α粒子以后，它的原子核的质量数就减少4，阳电荷数减少2。结果，这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。88号元素镭放出α粒子蜕变成86号元素氡，86号元素氧放出α粒子蜕变成84号元素钋。22284Po是钋的一种同位素，最初发现时把它叫做镭A（RaA）。卢瑟福实现人工核反应用的镭C′，也是钋的一种同位素——21484Po。 放出β射线的情形又怎样呢？这也很简单，β射线就是电子流。由于电子的质量仅仅是质子的1/1836，可以当作零，它的符号可以写成0-1e，通常简写成e-。 天然的锕是22789Ac，它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是： 22789Ac→22790Th＋0-1e 反应方程式的箭头两边：元素符号左上角的数目的和仍然相等，就是： 227＝227＋0； 左下角数目之和也相等：89＝90－1。 也就是说：一种放射性元素放出β射线后，它的原子核的质量数不变，而原子核带的阳电荷数增加1，结果就蜕变为原子序数增加1的另一种元素。89号元素锕放出β射线以后，就蜕变成90号元素钍。 那么，把α粒子打到一个原子核中去的人工核反应，情况又是怎样呢？比如卢瑟福把α粒子打到氮原子核中去，打出了质子，氮原子核会变成什么呢？按照质子-电子模型，这个人工核反应可以表示为： 42He＋147N→178O＋11H 也就是说，氮原子核变成了氧原子核。 这种原子核的质子-电子模型看来好像很合理，不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好，而且对天然放射性和人工核反应也解释了。说原子核中有电子，似乎也是有道理的，因为天然放射性元素的确会放射出电子流——β射线。 但是，进一步的研究，终于否定了这种模型。 根据上面所讲的原子核模型预测，卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗？还需要作实验证实。 科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。 云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子，盒子中的空气含有过饱和的水蒸气，当带电粒子穿过盒子里的空气时，沿途就会产生一串离子，而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠，形成一条白色的云雾，因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后，从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。 布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室，然后拍照。他拍了23000张照片，结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上，像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹，其中有一条中途停止了（说明α粒子打到氮核里去了），然后又分为两个叉，一条细而长的是质子的径迹，另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。 新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。 德国有个青年科学家叫贝特。他想：为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢？难道就不可能放出电子（也就是β射线）和γ射线吗？那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线，并且常常伴有γ射线，但是不放出质子。 他研究了卢瑟福做的实验，注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道，α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光，但是，如果有β射线或γ射线射在硫化锌上，却不会发出闪光。因此，即使有放出β射线和γ射线的核反应发生，卢瑟福也观测不到。 卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼，他没有看到闪光，所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。 贝特想，α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去，为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢？可能打进去以后放出来的不是质子，而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子。如果真是这样，用什么方法才能观测到它们呢？ 这时候，卢瑟福的学生盖革也在德国工作，他发明了计数器，利用电子学仪器，可以测量各种射线，并计算粒子的数目或射线的强度。用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。 贝特用计数器去进行研究。他用钋作为α粒子的放射源，因为钋只放射α粒子，不放射β射线和γ射线，这就使实验简单多了。 对着α粒子源安装了计数管，由于钋不发射β射线和γ射线，而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁，所以计数管没有计数。 但是，只要在α粒子源和计数管之间放上涂有锂、铍或硼的片，计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上，发生了核反应，并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。 这是什么射线呢？贝特作了测试实验。他加上电场和磁场试了试，发现射线在电场和磁场中不会偏转，说明射线不带电荷，不是β射线，也不是α粒子和质子。他又用2厘米厚的铅板试了试，射线还是穿透过去了，强度只减弱13％。他认为，这种射线是极强的γ射线。 贝特发现用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应，这是完全正确的。他认为反应结果是放出γ射线，这一点后来证明是错误的。 在法国，居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在做贝特做过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡，结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。 这个实验又转到英国，查德威克用铍发出来的射线射击氢，发现了高速的质子；射击氮原子，氮原子也被推动了，只是速度比质子小得多；射击氩，氩原子也被推动了，速度又小一些。这说明铍发出来的射线不应该是γ射线，而是具有一定质量的某种粒子。 经过反复的实验，查德威克认为α粒子打在铍核上产生的不是γ射线，而是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞，就把它们弹开了，正像他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。 那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢？查德威克根据实验结果算出来，它的质量与质子几乎一样大。 查德威克把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。 中子是人们过去还不知道的粒子，现在由铍原子核中打了出来，这说明原子核中有中子。 这样一来，组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了，又多了一种——中子。 就在发现中子的1932年，人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子，它带着阳电荷，而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。 问题又复杂起来了。 |
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