当前位置: 6165.com > 现代文学 > 正文

核能史话: 揭开原子秘密的新起点

时间:2019-12-12 22:03来源:现代文学
花开两朵,各表一枝。自从放电管问世以来,人们纷纷研究真空放电,无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了X射线,贝克勒尔又从对X射线的研究发现了铀的天然放

  花开两朵,各表一枝。自从放电管问世以来,人们纷纷研究真空放电,无意中生出许多课题。那伦琴从管中阴极发出的射线发现了X射线,贝克勒尔又从对X射线的研究发现了铀的天然放射性,居里夫妇又进一步从对铀矿的研究发现了镭。镭可以自己发光发热,这又给物理学提出了一个无法解释的大难题。从阴极射线引出的一个链条,环环相扣,续续而生,未有穷尽。但是阴极射线本身到底是什么呢?自然有人会考虑这个问题,这个人就是英国物理学家汤姆生(1856-1940)。

 

  汤姆生1856年12月18日生于英国的曼彻斯特。他父亲本是一个摆摊卖书报的小贩,后来靠着自己的奋斗成了一名专印大学课本的著名的书商。他从自己的切身经历中深知没有知识的苦衷,但发誓要教子成材,请了家庭教师指导儿子的学业,并注意培养他的艺术素养。老汤姆生虽是一名书商,可是因职业关系平时来往的却都是曼彻斯特大学的教授,屋里也还有点书香气。汤姆生有严父督教,又有这样一个环境薰陶,学业大进,十四岁便考进了曼彻斯特大学,二十岁被保送到剑桥大学三一学院,二十七岁就被选为皇家物理学会的会员。1884年卡文迪许实验室主任瑞利年老体表宣布辞职,大家都等着看谁来继任这个全欧洲学术界最引人注目的职位,结果瑞利却推荐了汤姆生,这年他才刚满28岁。

第二章:原子的结构

  这时一场旷日持久的大争论正在等待他的加入。六十年代英国物理学家克鲁克斯发明了一种管子——克鲁克斯管,在一个玻璃管里嵌上相对的两块金属板,两板各与一条电路相联,一块是阴极,一块是阳极,管内空气抽得越来越稀薄时,就会出现种种不同的颜色,这种光是由阴极发出的。它到底是什么呢?以德国物理学家赫兹、林纳德为首的一派认为阴极射线是类似于光的东西,是电磁波,以英国物理学家克鲁克斯为首的一派认为这是一束带负电的粒子流。赫兹说,既然是粒子流为什么它能顺利通过放在管内它们路径上的各种屏障,而又不给屏上穿出洞呢?只有波才有这种特性;克鲁克斯说,既然是光一类的波,为什么我把一块磁铁靠近管子时,它就发生偏转呢?只有带电粒子才会受磁场的影响。这简直就像当年牛顿和胡克、惠更斯争论光的波粒性一样,又是一场难断的官司。双方都是当时最知名的权威,这场辩论竟持续了20多年没有结果。就在1896年,汤姆生正好40岁时;英国科学促进会最高委员会将汤姆生召来要他的实验室来解决这桩悬案。

 

  好个汤姆生,由他来担当此任真是再合适不过了,他在电磁学方面有极扎实的功底,又有一手高超的实验技术。接受任务后他先将以往的研究成果仔细回顾一番,发现其实早在1834年法拉第总结电解定律时已经初步涉及到这个问题。实验证明,所有化合价为一价的元素,电解出一克化学当量的物质,都需要96493库仑的电量。而一克当量物质所含的粒子数正是阿弗加德罗常量,即6.0238×10^23个。这样就可算出每个粒子上所带的电量为4,802×10^-10绝对静电量,它是电的最小单位。就是说电是由这么一点点的小东西集结而成的,揭示了电的粒子性。阿弗加德罗常量是1870年才确定的,七十年代、八十年代,对这个问题的研究更加深入。1874年英国物理学家斯通尼明确提出用“电子”一词来表示电的一个最小单位。但是为什么还是争论不休呢?因为到此为止也还只是一种理论计算,就像当初居里夫妇发现镭的放射性,但并没有测出镭的原子量,化学家就直摇头一样。现在只推算出电子,而不知道他的重量、性质,物理学家们自然不服,于是汤姆生毅然决定要称称电子的重量。

1、揭开原子秘密的新起点

  这可真是异想天开,你要捉一个原子来放在天平上都不可能,一个电子又如何称法?这个主意只有汤姆生想得到,也只有他能做到。他既是一个理论物理学家,又是一个实验物理学家,设计实验是他的拿手好戏。他立即把学生们叫到一起,准备好一个阴极射线管,射线从阴极一端发出后,穿过两个很窄的缝,成一细束,打在管子的底部,而底部已准备好精确的刻度,以便观察射线的偏转。在射线经过的路上,上下各准备两块金属电极板,形成一个电场。当金属板不通电时射线沿直线打在管底一个点上,通电后射线受电场的影响发生偏转,并且根据偏转的方向可知它是带负电的粒子束。这时再加一个磁场,使它沿相反方向偏转,又校正到原来的位置。这真是一个极妙的实验,一丝阴极射线随着电场和磁场的强弱变化忽上忽下,就像有两只无形的手来回争着将它拉过来拉过去。汤姆生最后让它固定在正中的位置上,对他的学生说:“现在我们可以来称电子的重量了。这时磁场力和电场力的大小正好相等,方向相反。根据这个条件我们先来求出阴极射线微粒的飞行速度。知道了速度就可进一步测其他物理量。比如,我现在撤掉电场,粒子只受磁场力作曲线运动,我们就可求得它的电荷与质量之比。有了这许多数据我们就可以去推算质量。只是那法拉第等人当初是通过电解定律来推算每个粒子上所带的电量,为了证明这个数据我们最好另换一种方法。”

 

  这时在座的一位学生应声答道:“我这里有一种办法可以一试。”

    现代生活中,人们对“电”这个名称并不陌生。一切现代工业、农业和科学技术都离不开电,它已经成为人们最常用的能源。然而,对电的本质和特性的了解,还是在1897年发现“电子”以后才得以实现的。

  汤姆生一看,说话的正是威尔逊(1869-1959)。原来,这汤姆生身边高徒满座,他们一个个都年轻聪明,基础扎实又各有所长。现在说话的这个威尔逊对大气电学有特殊的兴趣,1894年他到海拔4000多米的尼维斯山顶旅游,被那里奇丽的雾景所吸引,便深入钻研,终于弄懂这是气压低的缘故。于是他就在实验室里人工造雾,先是让水分凝结在空气中的尘粒上,后来X射线的发现使他想到空气中离子的存在可能导致云雾的形成。威尔逊想阴极射线若真是电子粒,虽然这电子粒看不见,可是造成一个条件使带电粒子和水一起凝结成雾珠,不就可见而且可以测算了吗?威尔逊当即向老师装好一个简单的仪器。一个大玻璃筒,下面有一个底盘与验电器相连接,筒内充进潮湿空气后将筒上的活塞突然向上提,空气膨胀造成云雾,水滴开始缓缓地向底盘上落去。就是这么个简单的装置却演示出一个很了不起的成果。他们可以根据云雾向圆盘降落的速度来求雾滴的大小,又根据雾滴的大小和蒸气的总量来求出雾滴的总数,再以验电器收到的总电量除以雾滴的总数,就得出每个雾滴上的电荷值,与法拉第电解定律的求法殊途同归。这真是拐着弯儿作学问。

    早在十八世纪时,人们就从电性质的研究中发现,电不仅能在导体中传递,还能促使物质产生重大变化。1832年,英国物理学家法拉第在研究电流通过导电溶液时,发现液体中的不同原子或原子团能朝相反方向移动,并分别在电极上析出,这一过程被称作电解。

  好了,现在我们来看汤姆生对电子的称量结果:阴极射线是由带负电的粒子组成,这种粒子的飞行速度是每秒十万公里;它的质量是氢原子的1840分之1;它的电荷是4.8×10^-10个静电单位。汤姆生还不放心,又把阴极材料几次更换,结果都可以发出同样的粒子流。他还发现:不只在阴极射线中,在其他情况下,如将金属加热到一定高的温度,金属或其他物质受光,特别是受紫外线照射时,也都能放出电子。后来威尔逊不断改进他的云雾室,居然实实在在地观察到了电子的轨迹。现在的问题就不只是一个简单的阴极射线是什么了,它又导出了一个伟大的发现——任何元素中都含有电子。

    后来,法拉第又定量地分析了许多元素的电解过程,并总结为法拉第电解定律,即一定量的电总是能析出同样多的原子数目,而某些元素析出的原子数恰好是电量数的一半或三分之一。于是科学家们就推测在电解过程中,不同元素的原子,它们从电极上析出时所吸收的电量是不一样的,而电量本身是由许多“电单元”组成的。人们发现以此来解释法拉第的电解定律可得到圆满的结果。

  这电子的质量极小,只有9×10^-28克,就是只有一万亿亿亿分之一克。这么小的东西汤姆生也将他称出来了,妙就妙在他能迂回曲折,借助电场、磁场、雾滴,正如本生借光谱识元素,居里夫妇借电流强度识别射线强度一样,善于抓住事物间的联系,步步摸索,终于达到目的。不过这回汤姆生绕的圈子也实在够大了,他的这个实验在科学史上也就特别的著名。

    但是电单元毕竟是一种看不见、摸不着的带电微小单元,因此研究起来要比物质的原子单元要困难得多,所以最初人们对它的性质知道得很少。不过到了1891年,为了对电解现象能有更深的理解,爱尔兰物理学家斯托尼提出了把电单元命名为“电子”,以它的电量作为电量的最基本单位。从此以后,电子这个名字一直沿用到现在。

  正是:

    后来,人们在有关电性质的研究中,又进一步发现电流不仅能在导电材料所构成的闭合回路中流动。而且即使电路上有一不太宽的缺口,只要电压足够高,电流仍能跳过缺口继续流动。与此同时,由于电流与缺口处的空气分子相互作用,以及空气被迅速加热,能产生光亮的电火花和霹啪的爆裂声。光和声都不是电,而在缺口处那些暂时离开导线的电流,在同空气分子作用后,仍能传到另一端的导线中,在闭合回路中流动。如果缺口太大,那么电流就中止(即断路)。

  曲径通幽处,科学无近路。
  目的难直达,请君绕几步。

    科学家们为了能对电进行单独探测,就设法让电通过一个空无一物的空间,即把导线封入空气被抽掉的玻璃管中。当时,要做到这一点也是很不容易的。直到1854年,由于电真空技术的发展,德国的吹玻璃工匠兼发明家盖斯勒制成了第一根这样的玻璃管,并取名为“盖斯勒管”或阴极射线管。

  却说汤姆生终于捕捉到电子后,他的学生们围着他七嘴八舌地问道:“这个方法也不算太难,为甚么过去争吵了二十多年就没有人去做个实验呢?”

    然而,世界上第一个研究阴极射线管的是德国物理学家普吕克尔。他在1858年发现,当电流经过真空管时,在阴极对面的玻璃壁上出现了带绿色的辉光。许多科学家曾对这种辉光产生的原因进行了广泛探索,后来由另一位德国物理学家戈德斯坦在1876年断定,产生辉光的原因是从阳极上发射出了某种射线(即阴极射线),落在面对阴极的管壁上所致。

  “事情并不这样简单,我刚开始实验时,曾在两块金属板之间加上一个电场,射线并不偏转。这是由于有气体的存在压力太高。要解决这个问题就先要解决真空条件,而当时真空技术才刚刚使用,很不完善。可知一项研究总是和当时的技术发展水平相联系的。所以,电子的发现并不是我个人特别聪明,这是前人经过许多知识和技术方面的积累,到现在才水到渠成了。”

    由于真空管中基本不存在其它物质,所以阴极射线很可能是电流本身。因为在管中有电流流过,而电流本身是由金属导线运载的,这样阴极射线只能来自金属导线。如果这种预测是正确的话,那末一旦确定了阴极射线的本质后,就能在很大程度上揭示出电流的本质。于是人们就进一步想像,阴极射线会不会是由某种细小的波所组成的类似于光的东西,或是一束具有质量的粒子流。

  “老师,这个积累是全社会共享的,为甚么同一个时间,同一个实验室,有人能够利用它去实现新的突破,有的人就做不到呢?”

    由于在实验中看到了光,所以上述两种看法都曾得到了某些物理学家的赞同。到了1885年,英国物理学家克鲁克斯在真空管内巧妙地安上一个小叶轮,并让阴极射线打在小叶轮的一侧,结果发现小叶轮转动了起来。这就表明阴极射线是有质量的微粒子流,而不是没有质量的光束。

  “所以,我要给你们立两条规矩:第一,接受一个新题目后,首先要将这方面的知识系统复习,特别要注意前人已有的成果,这样既避免重复劳动,又可站在巨人的肩膀上登攀。第二,必须学习好实验技术,全套仪器都要亲手制作,尽且不使用现成的。”

    同时,克鲁克斯还发现磁铁能使阴极射线向一旁偏转。这就进一步说明,阴极射线既不同于光,也不同于中性原子,它是带有电荷的粒子流。实际上这已经到达了发现电子的意境。

  学生中不知谁怯生生地说了一句,“这样不是太费时间了吗?”

    整个十九世纪后期,关于阴极射线特性的研究已成为科学家们广泛争论的课题。其中有一位英国物理学家汤姆逊,他也支持阴极射线是由带电粒子流构成的观点。汤姆逊在仔细观察阴极射线管玻璃壁上所产生的荧光时,又反复思考阴极射线移动的情况,他想阴极上的“电”是怎样移动到对面管壁上去的。

  “不,费点时间有利于培养你们的创造力。实验室是培养会思考、有独立工作能力的人,不是要造就一些死成品。你们不仅是实验的观察者,更重要的是实验的创造者。老师不能教给你所有的知识,两你们掌握了创造能力后却可以得到前人都得不到的知识。”

    为了证明管中的电是直线传播的某种射线,汤姆逊在玻璃管中间安上一个小物体。这样一来,小物体能阻挡住部分射线,在管壁上投射出清晰的阴影,这就证明了管内的射线确是直线传播的。

  这些本就十分聪明的高材生们毕恭毕敬地围在汤姆生身边聆听师训,他们以后牢记这一教诲,刻苦读书,勇敢创造,这一批学生中竟出了50多名卓有成绩的大物理学家,其中便有威尔逊、玻尔、卢瑟福等九人获得诺贝尔奖金。汤姆生在卡文迪许实验室任教授和主任辛苦执教34年,桃李满天下,育人成果早超过了那些具体的物理发现。

    为了进一步弄清管中射线的性质,汤姆逊又在玻璃管旁射线所经过的地方放上一根磁棒,磁棒的一极靠近真空管。由于磁场的作用,本来直线传播的射线发生了弯曲现象,结果再次证明射线决不可能是光线,因为光线的路径在磁场中决不会发生弯曲。

编辑:现代文学 本文来源:核能史话: 揭开原子秘密的新起点

关键词: