世纪之交的三大发现

世纪之交的三大发现,到19世纪末，经典物理学已达到了完整、成熟的阶段当时不少物理学家产生了这样一种思想:物理学的大厦已经建成；物理学上的基本的、原则的问题都己经解决；剩下来的只是进一步精确化的问题，即在一些细节上作些补充和修正，使已知公式中的各个常数测得更加精确一些正当物理学家们为庆贺物理学大厦的落成啧啧叹赏之际，19世纪末，在实验上却发现了一系列经典物理学无法解释的事实这些事实与经典物理学的基本概念以及一系列基本规律产生了尖锐的矛盾，从而引起了物理学的一场伟大的革命，导致了现代物理学的诞生,阴极射线的研究,在19世纪末和20世纪初的一系列新发现中，电子的发现、X射线的发现和放射性现象的发现具有根本的意义，被人们称为世纪之交物理学的三大发现，而它们的发现起源于对阴极射线的观察与研究18世纪中叶，人们曾提出过“电流质说”；18世纪末、19世纪初动电发现后，“电流质说”已为人们所普遍接受，即认为电流是一种没有机械重量的流质；在麦克斯韦电磁场理论建立之后，人们又把电现象看做是连续以太中的应变产生的；液体和气体导电现象的研究，促进了对电本质的认识,早在1834年，法拉第已发现了电解当量定律尽管法拉第本人坚持电的流体说，但是，这个定律却是基本电荷存在的有力证据，使不少物理学家受到启示，产生了电的“原子性”的观念1853年，希托夫(JohannWilhelmHit+orf，1824-1914)在研究离子迁移率时，就运用了电的原子性观念.1874年，斯通尼(G.J.Stoney，1826-1911)根据法拉第电解定律，主张把电解中的一个氢离子所带的电荷作为一个“基本电荷”，并认为任何电荷都是由一些“基本电荷”组成的,1878年后，拉摩(JoSephLarmor，1857-1942)和洛伦兹(HendrikAntoonLorentz，1853-1928)在创立的“电子论”中，也曾赋予物质中电荷的负荷体以一个基本的电量1890年，斯通尼引入“电子”(electron)来表示负的基本电荷的负荷体应该指出的是，此时，人们还并不清楚电的物质基础,低压气体放电现象早在17世纪就被观察到了，直到19世纪，为了解决新的电光源问题，促进了真空技术的发展，为气体放电的研究创造了条件1838年，法拉第发现，“空气的稀薄极其有利于辉光现象”，在阴极和阳极辉光之间“总有一个暗区”(这个暗区后来被称为法拉第暗区)由于法拉第当时所能获得的真空只有干分之七个大气压，所以他没有能做出更多的发现盖斯勒(HeinrichGeiSSler，1814-1879)利用托里拆利真空原理制造了水银真空泵，并制造出了可达万分之一个大气压的低压气体放电管,早在1891年，戴维曾发现电弧光焰受磁场偏转的现象普吕克由此得到启发，他将磁铁靠近真空管进行试验1859年他报告说，在放电管对着阴极的管壁上看到了绿色荧光，在磁铁的影响下，荧光光斑的位置会发生移动1869年，普吕克的学生希托夫进一步将真空管的真空度提高到十万分之一个大气压用点状的阴极发出阴极射线，并在阴极和阳极之间放置障碍物进行试验，在产生荧光的管壁上就会出现障碍物的清晰的影子，这就证明了阴极射线是直线传播的,1871年，瓦莱(CromwellFleetwoodVarley，1828-1883)根据阴极射线为磁场偏转的事实，提出阴极射线是由带负电的“粒子”组成的假说1876年，德国物理学家哥尔德斯坦(EugenGoldstein，1850-1930)用各种材料做成各种形状、大小的阴极进行实验，证实这种射线是从阴极表面垂直发出的，阴极射线的性质与材料无关他把这种射线命名为“阴极射线”哥尔德斯坦还认为，阴极射线和紫外线没有什么区别，他把阴极射线看成是以太的某种振动,1879年，英国的克鲁克斯(WilliamCrooks，1832-1919)制成了高真空的“克鲁克斯管”，其真空度达到了百万分之一个大气压,他利用这种真空管做了一系列实验:在真空管的阴极和与它相对的玻璃壁之间，放置一个用云母片做成的“马耳他十字架”，通电后在玻璃壁上可观察到边界清晰的十宇架的阴影；他把一块磁铁移近真空管，十字架阴影就会发生移动；他还在真空管中安上一水平玻璃轨道，并在轨道上放置一个插有云母翼片的风轮，当用阴极射线照射风翼时，轮子就会转动起来,克鲁克斯根据这些事实认为，阴极射线是由带负电的“分子流”(moleCularcurrent)组成，是管中残留气体分子碰到阴极上，从阴极得到了负电荷而形成的“分子流”他称这种带电的“分子流”为物质的第四态,勒纳德的“铝窗”,1894年，德国的勒纳德(PhilippLenard，1862-1947)发表了他的“铝窗”实验在最初研究阴极射线时，勒纳德曾经设计实验，观察阴极射线是否能像紫外线一样通过放电管壁的石英窗他发现阴极射线不能穿过后来，受到赫兹的一个实验的启发，他想到用来封闭放电管的石英板可以用一块铝箔代替，铝箔的厚度要可以使管内保持真空，但又要薄到能让阴极射线通过这样就能研究阴极射线在放电管外引起的荧光现象勒纳德发现，阴极射线在空气中传播的距离大概是几厘米的量级,“阴极射线到底是什么？”这个问题引起了科学家们的很大兴趣，围绕这个问题出现了一场争论有趣的是，这场争论几乎是以国界划分的在德国以赫兹为首的多数物理学家(亥姆霍兹除外)都认为阴极射线是一种电磁波，即类似于紫外辐射的“以太的某种表现”哥尔德斯坦、韦德曼(GuStavHeinhWiedemann，1826-1899)、勒纳德等都支持这种观点在英国和法国以英国物理学家克鲁克斯为主的大多数物理学家则坚持认为阴极射线是带电的粒子流，瓦莱、开尔文、佩兰(JeanBaptiStePerrin，1870-1942)、J.J.汤姆孙等人都支持粒子说这一争论持续了一二十年，促使人们进行了许多很有意义的实验，推动了物理学的发展,电子的发现,1895年，佩兰曾用如图所示的实验装置进行实验，支持阴极射线是带电的粒子流阴极射线从阴极C射出，经过H孔进入到阳极内的金属筒(法拉第筒)F上，再用静电计检测电量及其正负，实验证明是负电对于这个实验，坚持阴极射线是以太振动说的人认为，即使阴极发出的是带负电的微粒，但它同阴极射线路径相同的证据并不充分,1897年，汤姆孙对佩兰的上述实验装置作了改进，他把阴极和金属筒(法拉第筒)分别放在各自的玻璃管内，只在两个玻璃管的接合处留一狭缝不加磁场时，没有电荷进入金属筒，当加上磁场并达到某一量值时，金属筒接收到的电荷将猛增,由此证明了阴极射线和带负电荷的粒子在磁场作用下遵循同样的路径，即证明了阴极射线是带负电的粒子组成的,1897年，汤姆孙采用以下两种方法，测定了阴极射线“微粒”的速度和荷质比e/m第一种方法是:让阴极射线通过一条狭缝进入法拉第筒，测算电量、能量，并用磁场使其偏转，测算轨道半径，以求得“微粒”的速度和它的荷质比e/m.设微粒的质量为m,微粒的速度为v,微粒所带的电量为e,N为一定时间内进入法拉第筒内的微粒数显然，法拉第筒所获得的电量为,若进入法拉第筒内的微粒的动能因碰撞全部转变成热能，则微粒流的动能的大小可由温度计温度变化测算得到，并且其量值应为然后，用磁场使射线偏转，以R表示微粒轨道的曲率半径，则有由以上三式不难得到,J.J.汤姆孙用这样的方法测得:第二种方法是:利用静电场和磁场使阴极射线发生偏转先加上一定强度的电场使射线向一方偏转;然后再加一垂直磁，使射线向相反方向偏转，调节磁场强度使光斑回到原来的位置，通过测算即可求出v和e/m提高了放电管的真空度，用图所示的装置进行实验，获得了成功他用这样的方法测得,在诺贝尔奖演讲负电的载荷者中，汤姆孙总结了他的研究和思考过程他指出:通过对实验结果的认真的分析，对于粒子的速度，可以得到，“在真空度极高的管子中，粒子的速度可能是光速的1/3，或大约是60000英里/秒；如果真空度不很高，速度不会大于50000英里/秒但是不论怎样，在真空管中产生的阴极射线，其速度要比我们已知的任何其他运动物体的速度都大得多”对于粒子的e/m，“不论射线是怎样产生的，对射线中的全部粒子来说，我们得出相同的e/m”汤姆孙还给放电管分别充以各种气体，并用铅和铁等不同金属做电极进行实验，所得e/m值都大致相同,这样，汤姆孙就大胆指出:“粒子是广泛分布的，但不论在何处发现，它总是保持其个性)e/m值总是等于某一常数不论物质所处的条件是多么不同，看来粒子是各种物质的组成部分因此粒子很自然地被认为是建造原子的基砖”于是，汤姆孙得出结论说：阴极射线是由同样的带电微粒组成，而这种微粒是一种小粒子，它是各种原子的组成部分这样，J.J.汤姆孙做出了电子的发现1897年8月，J.J.汤姆孙把他的发现写成长篇论文阴极射线，10月发表在哲学杂志上,为了证实基本电荷的存在，在测出e/m之后，还要测出e值J.J.汤姆孙的研究生汤森德(J.S.Townsend)、H.A.威尔逊、C.T.R.威尔逊等和其他一些人都做出了重要的贡献对e值最有说服力的测定是罗伯特密立根(RobertMillikan，1868-1953)在1912-1917年间利用油滴实验做出的密立根在1906年重复H.A.威尔逊的实验时，就测得静电单位1913年，他利用油滴实验测得静电单位,后来，他又不断改进和重复进行测量，1917年公布的结果为静电单位于是，由荷质比可求得电子的质量为即为氢原子质量的1/1830倍,X射线的发现,X射线的发现起源于对阴极射线的研究德国物理学家伦琴(WilhelmKonradRontgen，1845-1923)为了探明阴极射线的性质，重复做了赫兹、勒纳德等人的实验1895年11月8日晚，为了防止外界对放电管的影响，同时也不使管内的可见光线漏出管外，他用黑纸板把放电管完全包了起来，房间也是完全遮光的暗室实验时，他意外地发现在一米以外的涂有亚铂氰化钡的荧光屏发出了微弱的荧光,这一现象使他十分惊奇他全神贯注地继续进行实验:把屏反转过来;使没有涂氰化钡的一面朝着管子，屏仍然发出荧光;将屏逐渐移远，即使移到远离管子两米以外，仍有荧光，只是稍弱一些而已那时己经查明，阴极射线在空气中只能穿过几厘米，而在远离管子两米以外的屏上仍有荧光，所以，伦琴确信这种现象是无法用阴极射线的性质来解释的伦琴确信他已经发现了一种新的射线，为了进一步研究这种射线的性质，他连续6个星期吃住在实验室，废寝忘食地用各种方法反复迸行实验,他发现，这种射线能穿透千页的书、23厘米厚的木板、几厘米厚的橡胶板、15毫米厚的铝板等等这表明这种人眼看不见的射线具有很强的穿透能力，但对不同物质的穿透程度是不同的1.5毫米厚的铅片几乎就能完全把这种射线挡住当他进一步用铅片进行实验时，又意外地发现了自己手的骨铬的图像12月22日，伦琴的夫人到实验室来，伦琴为她拍摄了一张戴着戒指的左手的照片1895年12月28日，伦琴将他一个多月悉心研究得到的结果写在论一种新的射线的论文里，递交给了维尔茨堡物理学医学学会文章记述了实验的装置及方法，并初步总结出新射线的以下性质:,新射线来自于被阴极射线击中的固体，固体元素越重，产生出来的新射线越强；新射线是直线传播的，不被棱镜反射和折射，也不被磁场偏转；所有物体对新射线几乎都是透明的；新射线可使荧光物质发光，使照相底片感光，能显示出装在盒子里的砝码、猎枪的弹膛和人手指骨的轮廓X射线这个名称是伦琴最先采用的人们为了纪念他，又称为“伦琴射线”1901年，伦琴成为第一个诺贝尔物理学奖的获得者,伦琴发现X射线是有一定的偶然性的，但是，只有有心而细心的观察者，才可能利用这种偶然性做出重大的发现在伦琴之前，克鲁斯克、勒纳德等人都曾碰到过阴极射线管附近的照片底片感光或物体发出荧光的现象，但是，他们都没有抓住发现的“机遇”,天然放射性的发现,X射线的发现很快导致了天然放射性现象的发现由于当时发现X射线来自于玻璃管壁的荧光部分，因而就使一些物理学家产生了这样的想法:X射线可能来源于荧光或磷光物质首先进行这项实验的是法国物理学家贝克勒尔(HenriAntoineBecquerel，1852-1908)1896年1月21日，他开始研究有哪些荧光物质能产生X射线，做了一些实验，但没有得出什么结果,1896年1月30日，庞加菜(HenriPoinCar6，1854-1912)在法国大众科学杂志上发表了一篇关于X射线的文章，文章提出“是不是所有荧光足够强的物体，不管它的荧光起因如何，都能发射可见光又发射X射线？”贝克勒尔再次进行实验他恰巧选择了硫酸钾铀酰做实验材料，他用两张厚黑纸包住照相底片，在纸包上放一层磷光物质铀盐，再放在日光下曝晒几小时，然后把底片取出来进行冲洗他发现了“磷光物质在底片上的黑色轮廓”他又在磷光物质和纸之间放一块玻璃，继续进行实验，也得到了同样的结果,2月24日，贝克勒尔向科学院作报告说:“磷光物质射出能穿透不透光的纸的辐射”会后，贝克勒尔继续进行实验，正巧遇到一连几个阴天，他只好把准备好的铀盐和底片一起放进抽屉3月1日，贝克勒尔本想预先检查一下底片质量是否完好再进行实验，但冲洗后，发现底片上已明显感光，有一个很深的黑色的铀盐的影子对这一情况，贝克勒尔很快得出结论，这种使照相底片感光的射线与磷光无任何因果联系，而是铀盐本身发出的一种神秘的射线,第二天，他在科学院举行的例会上公布了这一重大发现他说:“因为太阳几天都没露面，所以我在3月1日才把照相底片显影，本指望看到非常微弱的影像但恰恰相反，一个极深的黑色轮廓出现了我立刻想到这一反应可能在黑暗中也能进行”贝克勒尔集中精力对铀元素和铀的化合物进行研究，进而发现，铀盐所发出的射线不仅能使照相底片感光，它还能像X射线一样穿透几乎一切物质，能使气体电离他还发现，温度的变化、放电等对放射现象都没有影响，各种铀的化合物都具有这一性质，纯铀所产生的辐射比他所用的硫酸铀盐的辐射强34倍,在1896年5月18日，贝克勒尔宣布:发射穿透射线的能力，是铀的一种特殊性质，而与采用哪一种铀化合物无关，它完全不受外界条件的影响，它的强度似乎也不随时间衰减贝克勒尔认识到这是一种与X射线不同的、穿透力很强的另一种辐射，他称为铀辐射，别人把它称为“贝克勒尔射线”,1897年，居里夫人决定选择贝克勒尔射线作为博士论文研究课题在对铀盐的放射强度进行测量之后，居里夫人提出了一个有重要意义的问题：是否还有别的元素也具有这种性质于是，居里夫人系统地研究了当时已知的各种元素和化合物在放射性的测量中，她采用了居里兄弟创制的石英晶体压电秤等精密测量仪器，测量放射性物质使空气电离产生的微弱电流，代替贝克勒尔用验电器来测量的方法，获得了大量物质放射性相对强度的准确数据,1898年，在贝克勒尔的发现2年以后，居里夫人发现钍也具有和铀同样的性质，德国科学家施米特(G.C.Schmidt，1856-1949)在德国也做出了同样的发现居里夫人建议把这种性质叫做“放射性”在对铀和钍的混合物进行测量时，居里夫人观察到有些铀和钍的混合物的放射性辐射强度比其中铀和钍的含量所应发射的强度高很多她认为这些矿石中必定含有少量还没有被发现的化学元素，且这种元素是具有放射性的皮埃尔居里意识到这一研究的重要性，放下自己的研究课题，和居里夫人一起投入到寻找新元素的艰巨的化学分析工作中,他们的实验结果证实，沥青铀矿中确实含有新的放射性元素，但是它们的含量甚至还没有达到百万分之一!他们所采用的研究方法，是建立在放射性基础上的一种新的化学分析方法.首先用普通的化学分析法将组成沥青铀矿的各种物质分开，然后在适宜的情况下，测量已经分开的各种物质的放射性，用这种方法可以观察到要寻我的放射性元素的化学特性随着分离过程的进行，这种元素会逐渐浓缩起来，因而放射性就会变得越来越强,1898年7月，他们宣布发现了一种放射性元素，为了纪念玛丽居里被俄国占领的祖国波兰，他们将这种元素命名为钋1898年12月，他们又宣布了镭的发现钋是和铋伴随在一起的，而镭是和钡伴随在一起要让化学家承认这两种新元素的存在，必须将它们分离出来居里夫妇所得到的最具放射性的物质中(放射性比铀强几百倍)，所含的钋和镭的成分还是极其稀少的，要完成分离工作必须拥有大量的沥青铀矿，要有一个合适的工作地方，还要进行大量繁重的提取分离工作和精细的测量工作,在维也纳科学院的帮助下，他们以优惠的价格从奥地利购得了几吨沥青铀矿残渣在皮埃尔居里当时工作的巴黎理化学院的院子里，有一个遗弃的储藏室，他们就在这