第八回 以太假说 激发学者探索射线发现 导致物理危机

迈克尔逊和莫雷做了一系列极为精确的测定，否定了“以太”的存在。伦琴用 X 射线照射出他夫人的手骨像。居里夫妇发现了镭，获诺贝尔大奖。原子嬗变现象，用经典物理是无法解释的。

且说在 19 世纪的物理学中，原子论取得了显著的成就，得到了人们的承认。把原子论用于其他现象，也收到了不少成效。特别是电磁学方面，取得了很大成就，建立了电磁场理论。

为了解释电磁场现象，人们用充满空间的媒质——以太的作用来解释， 电磁场理论就是这样开始的。

回顾一下历史，在 19 世纪自然科学的全面发展中，物理学取得了特别突出的成就，物理学在自然科学中的地位也越来越重要。麦克斯韦磁理论的建立使经典物理学发展到了顶峰，在许多科学家看来，物理学的理论大厦已经建成。

就在大多数人陶醉于物理学已取得的成就时，一场物理学理论革命正在酝酿。这场物理学革命使物理学进入一个全新的发展过程。

1. 世纪以前的物理学，为解释它尚不能解释的自然现象，曾把这些现象

作假设物质存在。随着 19 世纪科学的发展，这些现象要么被解释，要么被否

定。但是直到 19 世纪末，还有一种特殊的“物质”是物理界所不能抛弃的， 这就是所谓的“以太”。

在光的波动说中，“以太”曾被作为光的媒质。当麦克斯韦证明了光与电磁波的一致性后，又需要“以太”作为光与电磁波的共同传播媒质。因此， “以太”一直被认为是一种无处不在的东西。

按照力学计算，能以每秒 30 万公里的速度传播像光和电磁波这样的横向振动的介质，必须是弹性切变模量比钢还要大得多的固体。而实际上“以太” 不可能是这样一种固体，因为它作为一种无处不在的东西竟然从来没有人感知。

这样，就产生了一个难以解决的矛盾：一方面，只有设想“以太”存在才能保持原有理论的完整性；另一方面，人们却无法找到关于“以太”存在的实验证据。于是，“以太”到底是什么东西以及它是否存在，就成了物理学中的一个谜。

1728 年布拉德雷发现恒星的光行差现象以后，人们曾设想“以太”相对于太阳是静止的，以解释这一现象。如果“以太”相对于太阳是静止的，那么它就必然有相对于地球的运动并形成“以太风”。

既然“以太”是光的传播媒质，在有“以太风”存在的情况下，光在地球上的传播速度应当与其传播方向有关，因而也就可以通过光在不同方向的传播实验来测定“以太风”对光速的影响，并由此证实“以太”的存在。

到了 19 世纪，光的波动说取得了很大成功，人们根据经典力学观点认为波的传播必须要有介质，既然光也是一种波，那么它也必须要通过某种介质才能传播，人们就把这种介质称为“以太”。

“以太”这个词早在古希腊就有了，那时的意思是青天或上层大气；在古宇宙学中，这表示占据天体间的物质。

随着光的波动说取得很大进展，对“以太”的研究也随之兴盛起来，许多物理学家都试图通过有关实验来检验“以太”的存在和确定它的属性，希望测出地球相对于“以太”的速度——即“以太”的漂移速度。

人们对此进行了一系列实验与天文观察，都不能得出肯定或否定的结论。直到 1879 年至 1887 年，美国的物理学家迈克尔逊（1852—1931）和莫雷（1838—1923）做了一系列极为精确的测定，才得到明确的否定结论。

1879 年 3 月，迈克尔逊正在美国华盛顿市与美国航海历书局局长纽科姆合作进行光速测定的实验，这时恰巧看到了麦克斯韦写给美国航海历书局的一封信。

麦克斯韦信中的最后一段写道：“地球上一切测量光速的方法，都是使光沿同样的路径返回，因此测不出地球相对以太的速度，只有地球速度与光速之比的平方，才会影响往返的时间，但这是一个极小的量，无法观察出来。”信中最后一段话引起了迈克尔逊的极大兴趣，他决心要实现麦克斯韦提

出的二级效应（即与地球速度与光速之比的平方有关的效应）来测“以太” 的漂移速度。

1880 年他有机会到欧洲进修，开始思索一种探测的方法。当时的困难就是不知用什么方法才能达到地速与光速之比的平方量级的灵敏度。

后来他受“贾满干涉仪”的启发，在此基础上作了改造，发明了自己的干涉仪——迈克尔逊干涉仪。

接着迈克尔逊用干涉仪作了实验：将一束光分为两束，使它们沿相互垂直的两个方向传播相等的距离后再合并为一束。假如两束光在两个相互垂直的方向上因受“以太”速度的不同影响而产生传播速度的差异，当它们合并后就应产生干涉条纹。

1881 年，迈克尔逊首次测量，根据计算，他推测干涉条纹的移动数为 0.04

条。但实验结果出乎迈克尔逊的意料，测到的干涉条纹的移动远小于 0.04 条，约为 0.004—0.005，在实验误差范围之内。

实验结果与当时普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾，由于实验精度还不够高，数据计算也有错误，所以无论是迈克尔逊还是其他人都没把这次实验看作决定性的。

迈克尔逊对自己的实验也不满意，他认为这种实验没有成功。他本人以后转移到精确测定光速值的研究中去了，对上述实验的改进工作就搁置一边去了。

1884 年，英国物理学家汤姆逊（1856—1940）访问美国并进行讲学，迈克尔逊有机会聆听了这次演讲，并会见了与汤姆逊一起访美的物理学家瑞利，就 1881 年的实验交换了意见。

他们给迈克尔逊许多劝告和鼓励，这给了他很大的勇气，激起了他重做实验的兴趣。他下决心与著名化学家莫雷合作，继续做测量“以太”漂移的实验。

为了提高实验精度，他们改进了实验装置。为了维持稳定，减小振动的影响，他们把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，这样可以平稳地绕中心轴转动。为了尽可能增加光程，尽量使干涉仪的臂长增大，他们还在石板上安装了多面反射镜，使两束光来回往返 8 次，有效长度

达 11 米。

他们在仪器连续转动的情况下对干涉条纹进行观察，并且在白天和夜晚

以及一年的各个季节都进行观察。

该仪器精度很高，如果有小到 1％的条纹移动，该仪器都可探测到。可实验结果都未观察到预计的条纹移动。

1887 年 11 月，他们将这一结果公诸于世，在美国科学杂志上发表了他们的报告：“实际观测到的位移（指干涉条纹的移动）肯定小于预期值 0.05， 或许还小于 0.025，似乎有理由相信，即使在地球与以太之间存在着相对运动，它必定是非常小的。”

以上的实验实在使人出乎意料，它使所有持有光在以太中的波动这一观点的人都感到失望。当时人们并未认识到这个实验的意义，连迈克尔逊也大失所望，并认为自己的实验没有什么重要的意义。

值得安慰的是，为了实验，他设计了一个灵敏的干涉仪，因而在“精密光学仪器和用这些光学仪器进行光谱学的基本量度”方面的研究中，他获得1907 年诺贝尔物理奖。

为寻找地球穿过以太运动而设计的每一个实验都得出相同的结果，似乎地球相对“以太”的运动并不存在，或者“以太”并不存在。

当时的物理学家对那种通过力学现象总结出来的基本概念与规律都是深信不疑的。因此在实验和理论面前，他们极力弥补理论上的缺陷，提出种种修补方案，使它成为普遍的规律，但这一切努力都失败了。

针对这种情况，唯有突破经典物理的框架，引入新的思想，建立新的体系，才能解释迈克尔逊—莫雷实验的结果。

因此，迈克尔逊—莫雷实验是有重大历史意义的一个实验，它动摇了 19 世纪占统治地位的以太假说，也为爱因斯坦创立狭义相对论铺平了道路，爱因斯坦为以太学说作出合理解释，在下一回将作介绍。

1. 世纪末的物理学不仅苦于像“以太”之谜这样从过去有理论中遗留下来的问题，而且还面临一系列新发现的实验事实用旧理论也难以解释的问题。第一个发现的新的实验事实，便是

   X 射线的发现。

X 射线的发现，又是由对阴极射线的研究引起的，下面先介绍阴极射线的发现。

19 世纪中期，随着电学知识的积累和真空技术的提高，真空放电及电的本性的研究越来越引起人们的兴趣。法拉第也将注意力移到对真空放电现象的研究上来。

1838 年他做了低气压气体的放电实验，将两根黄铜棒插入一支玻璃管的两端作为电极，抽去管中的空气，两极通以电流，当把两根极棒分开时，一股光柱从负极发出，而正极是暗的。

增大两极间距离时，从正极的一端向负极发出一束紫红色的光束或紫色雾；随着距离的增加，光束也加长了，但在紫光束与雾之间总有一暗区，暗区的长度几乎不变。

法拉第把这个暗区叫做“法拉第暗区”，他还预言，这种放电现象也许会给以后的电学研究带来极大的影响。

真空放电的正式研究是由德国的物理学家普吕克尔（1801—1868）开始的。

他发现气压越低，法拉第暗区变得越大，阴极的辉光也有扩展。最重要的是他发现从铂阴极发出的粒子飞向玻璃管，粒子流打在管壁上会发出荧光，荧光斑能够被磁力所偏转。

普吕克尔把荧光的产生归功于阴极发出的电流。普吕克尔的学生希托夫发现，如果把各种形状的固体放在阴极与发荧光的玻璃壁之间，物体的影子就明显地映在管壁上，他由此推断这种射线是直线传播的。

1871 年物理学家瓦尔莱根据这种射线在磁场中的偏转特性指出，这种射线可能是一些带负电的物质微粒组成的，因为只有负电微粒穿过磁场，其偏转方向与这种射线相同。

1876 年德国物理学家哥尔德茨坦（1850—1930）进一步证实阴极射线的直线运动。他用各种形状、各种大小和各种不同材料的阴极作实验，得出以下几个结论：

1. 这种射线不像一般的白炽灯丝发出的光那样，向四面八方散射，而是从阴极表面垂直地发射。

2. 这种射线与阴极射线无关。

3. 这种射线还会引起化学反应，如将某种材料（如银盐）放在真空管中，这种射线可使它改变颜色，正如紫外线的作用一样。

哥尔德茨坦根据以上性质，认为这种射线与紫外线没有区别，把它看成是以太的某种扰动，并把这种射线称“阴极射线”。

英国的物理学家克鲁克斯（1832—1919）也以大量的事实证明阴极射线是带电微粒的说法。1879 年他设计并制作一个阴极射线管，这种管子能演示阴极射线的各种性质。

他也证实了阴极射线具有直线传播、能够聚焦、受磁场偏转等性质，确定阴极射线是带电的，他通过实验发现阴极射线具有两个重要性质：

1. 阴极射线能产生力，具有传递动量的性质。

2. 阴极射线具有热效应，具有传递能量的性质。如果使射线停止运动，就产生显著的热量，用磁铁使阴极射线聚焦打在管壁处，用手指接触，手指马上烫起了泡，聚焦形成的暗区近乎赤热。

克鲁克斯还提出一个模型：阴极射线是由带负电的“分子流”组成，这些分子是真空管内残余气体的分子，由于杂乱运动撞到阴极上，带走了负电荷，又受阴极排斥，于是沿与阴极表面垂直的方向迅速飞走。这些带电分子穿过暗区后，与其他分子相撞，产生荧光。

克鲁克斯的模型大体上能解释阴极射线的一些性质，但有些物理学家持另一种观点，哥尔德茨坦、赫兹是比较突出的。

哥尔德茨坦为了证实阴极射线发光波长是否受多普勒效应的影响，特地做了一支 L 型的放电管，如下图，A、B 极都可作阴极。

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如图，当 A 作阴极，从光谱仪看到光束来自趋向光谱仪的“分子流”； 当 B 作阴极，从光谱仪看到的光来自垂直于视线前进的“分子流”。

根据多普勒效应，光谱仪接收到的光频率应不一样。然而改变阴极，哥尔德茨坦未发现谱线位移。他测出发光分子的速率不大于 22.4 公里/秒，远比克鲁克斯模型所期望的值小。

赫兹于 1883 年也进行了一系列实验来研究阴极射线。

他发现阴极射线不是具有脉冲性质，而是连续发生的。他还发现阴极射线在经过一垂直的电场时，不发生偏转，因此断定阴极射线不可能是粒子， 而只能是一种以太振动。他还发现阴极射线与光一样，可以穿透某些金属薄片。

赫兹的学生勒纳德进一步研究阴极射线穿透物质的性质，他把一小块铅箔嵌装在阴极射线的末端做成的一个窗口处，发现阴极射线可以通过窗口射到外面的空气中。

他发现阴极射线能使照相底片感光，显然原子、分子是无法穿过铅箔的， 因为铅箔中含有几千个原子，只有光才有这种性质。

综上所述，这一时期物理学界对阴极射线看法形成两个学派：一派是以英国的克鲁克斯为主，他们主张微粒学说，认为这些射线是由带负电的物质组成，并以高速运动，在磁场中被弯折。

另一派是以德国的赫兹、哥尔德茨坦为主，认为这一现象是以太振动引起的，或者就是某种短波长的光，这些射线具有直线传播性，能激发荧光， 对照相底片能起作用。

长达 20 多年中，双方各执一词，争论不休。最终促使更多人进一步进行许多有意义的实验，在围绕阴极射线的性质争论中，X 射线、放射性和电子相继被发现，大大推动了物理学的发展，完成了经典物理向量子物理的过渡。

下面我们就来介绍围绕阴极射线性质研究中，X 射线的发现。

X 射线是由德国物理学家伦琴发现的，当时他担任德国维尔茨堡大学校长兼物理所所长。他在研究赫兹、勒纳德等人的实验基础上，发现 X 射线。伦琴在观察阴极射线性质时，用勒纳德管重做了赫兹等人的实验。不同

的是，他用硬纸板和锡箔把放电管包起来，观察阴极射线的情况，这样可排除外界因素对放电管的影响，保证实验的准确性。

他发现，当放电管的薄铅窗和涂有亚铂氰化钡的荧光屏很接近时，荧光屏上有荧光产生。当他改用克鲁克斯管做这个实验时，发现仍有荧光产生。但由于这种管光线强烈，荧光显得模糊，于是他决定进一步实验。

1895 年 11 月 8 日，他为继续实验做准备，为防止外界对放电管产生影响，也为了不使管内可见光漏出管外，他用黑色硬纸板做了一个封套，把放电管严密地套封起来，并且检验封套没有漏光。

当他切断电源后，却发现在 1 米以外的工作台上有淡绿色闪光，闪光是

从荧光屏上发出的。他又把屏一步步移远，即使移至 2 米以外，仍可以在屏上产生荧光。

这一现象使伦琴无法用以往阴极射线性质来解释，因为以往实验证明， 阴极射线只能在空中行进几厘米，因此不可能使 2 米以外的荧光屏闪烁。

伦琴为了解释这种现象，接连 7 个星期吃、住在实验室里，从不中断实验研究。最后，他确信这是一种尚未知的射线，他把这种新射线取名叫“X 射线”。

为了检验这种射线的穿透本领，他选用了多种材料，逐一放在放电管和荧光屏之间进行实验，他发现 X 射线可以穿过上千页的书，2 至 3 厘米厚的木板，这表明 X 射线具有比阴极射线强得多的穿透能力。

不同的物质穿透程度也不同，当伦琴检验铅片的吸收能力时，他用手去拿铅片，意外地发现了自己手的轮廓。更使伦琴吃惊的是：如果把手放在放电装置和纸屏之间，那么在阴暗的手影中，可以看到较黑的骨骼影像。

他还做了一个有趣的实验，为使他夫人了解自己所做的工作，就把她请来充当实验对象。伦琴让她把手放在黑纸包严的照相底片上，然后用 X 射线照射 15 分钟，显影后，底片上就呈现伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指清晰可见。

伦琴还发现，X 射线通过的空气具有使与它接触的带电体放电的能力， 而且磁场不能使 X 射线偏转，即使加上强磁场也如此。伦琴断定：X 射线是由阴极射线引起的，是在放电装置的玻璃管壁上发生的。

在做完一系列实验后，伦琴于 1895 年 12 月 28 日递交了他的第一篇论文

——《一种新的射线——初步报告》。

在报告中，伦琴详细地介绍了实验装置和方法，初步发现的 X 射线性质， 如射线的直线传播、穿透能力、不随磁场偏转等；他还提出 X 射线是从阴极射线撞击玻璃壁的地方发出的。

1896 年元旦，伦琴将他的论文和第一批 X 射线复制件（如手骨像、金属块等）分送一些物理学家，几天后，这种发现传遍了全世界。以后，世界各地的报刊杂志竞相报道 X 射线发现的新闻。

伦琴继续对 X 射线的性质进行一系列的实验，于 1896 年 3 月又提出了第二篇报告：《一种新射线——继续报告》。报告中叙述带正电荷或负电荷的物体放在空中，如果受到 X 射线的辐射，就会发出放电现象，射线越强，放电越迅速。

他还发现，在抽去空气的空间，直接受 X 射线照射的物体的放电作用进行得很慢。在报告中，伦琴进一步证明，用阴极射线轰击铂时产生的 X 射线的强度要比用阴极射线轰击铅、玻璃或其他物质所产生的 X 射线强度大得多，这对以后的研究很有意义。

1897 年 3 月 10 日伦琴又发表了他的第三篇报告：《关于 X 射线性质的进一步报告》。这篇报告讨论了影响 X 射线强度衰减的各种因素，又说明了X 射线强度如何随方向而变。

这篇报告还指出不同密度或不同原子量的物体对 X 射线的吸收也不一样，轻元素构成的物体对 X 射线几乎是透明的，对重元素构成的物质则强烈吸收。

X 射线的发现标志着一个新时期的到来，它打破了物理学发展到顶点的说法，向人们展示了物理学亟待解决的新的未知领域，激发了人们去进行新的探索的热情。

以后的历史证明了这一点，X 射线本身及其应用在自然科学的各个领域中发挥了重要作用。X 射线衍射学、X 射线晶体学、X 射线光谱学应运而生， 它们在科学研究、医疗诊断等方面起了重要作用。

再说 X 射线的发现，又引发了放射性的发现。

当伦琴把最早印出的论文稿寄给了彭加勒等各国物理学家时，在 1886

年 1 月 20 日在法国科学院的例会上，彭加勒介绍并展示了伦琴寄给他的 X 射线照片。参加这次例会的法国物理学家贝克勒耳当场提出：X 射线发自阴极射线管的哪个部位？彭加勒回答管壁是发出荧光的区域。贝克勒耳马上想到，X 射线很可能与荧光有某种关联，他从第二天起就开始寻找这种关联的实验。

贝克勒耳家族都是著名的物理学家，他的祖父和父亲都是以研究荧光和磷光而闻名的。他们的实验室里收集了许多荧光物质，这为贝克勒耳的研究提供了条件。

贝克勒耳是法国自然历史博物馆应用物理学教授，多年来他一直在研究磷光。然而最初的一些实验结果没让他满意，他用于实验的那些磷光物质或荧光物质并不发出 X 射线。

与此同时，彭加勒在《科学总评论》上发表了一篇关于 X 射线的论文。在论文中，他提出这样一个问题：不管荧光的起因如何，是否荧光强的物体， 都既发射可见光又发射 X 射线呢？如果这样的话，他分析说，这类现象是不会与电方面的起因有关的。

彭加勒的提示，促使贝克勒耳继续进行实验，非要弄清荧光与 X 射线之间是否有联系。从 1896 年 2 月开始，他又进行了一次实验。这次他选用一种铀盐——硫酸铀酰钾，这种盐是他父亲研究过的。

开始时，他仍用惯常的办法，即把铀盐放在用黑纸包严的照相底片上， 在日光下曝晒几小时，使铀盐发荧光，然后冲洗底片，看是否像 X 射线那样使底片感光。

实验结果如他所料，这样处理的底片确实已经感光了，因此他误认为这是由于日晒激起的荧光，发出贯穿射线，致使底片感光。

接着他改用反射光和折射光反射进行实验，都得到同样的结果。于是他在 1896 年 2 月 24 日向法国科学院提交了《论磷光辐射》的报告。

报告中说：“我用两张墨纸包住一张照相底片，包得如此之厚以致于在太阳下曝晒一整天，照相底片也不会有雾状出现。我在纸上放上一些磷光物质，把整个东西放在太阳下几小时。在我将底片显影时，我看见了磷光物质在底片上的黑色轮廓⋯⋯因此，我们可以从这些实验得出这样的结论：磷光物质确实放射出了辐射，它穿过了那对光线来讲是完全不透明的黑纸。

因此，在他看来，似乎 X 射线真是由铀化合物发荧光时发射出来的。贝克勒耳打算进一步实验，以便在科学院例会上提出正式报告。由于天气不好， 太阳整天不露面，故无法进行实验，他只得把铀盐包在底片一起放在抽屉里。

过了几天，他取出底片想预先检查一下，就冲洗了其中一张，原以为看到的必是非常弱的影像，可是出乎意料，他发现底片已经曝光，上面铀盐包的影像轮廓非常清晰。

这时他猜想，上面的作用是可以在黑暗中进行的，与日晒和荧光都有关。他推测，底片感光的真正原因必定是由于铀盐自身发出的一种神秘射线所致。

第二天正是科学院例会，他在会上公布了这个重要发现，这种神秘的射线被称为“贝克勒耳射线”。

贝克勒耳发现铀盐所发出的射线不仅使底片感光，还能使气体电离成导体。他检验了铀化物的活性，发现它们与荧光无关，温度变化、放电等对它们无影响，只要有铀元素的存在，就有这种贯穿辐射产生。

贝克勒耳还研究了铀硝酸盐在溶液中或结晶后的情况，这时铀盐虽然再不发磷光，但仍能放出射线，而且在光线照射下不发可见磷光的铀盐，也能发出不可见的射线。

贝克勒耳在 1896 年 5 月 18 日提出了他的报告：“我研究的铀盐，不论是发磷光的还是不发磷光的、结晶的、熔融的或在溶液中的，都具有相同的性质，这使我得出以下结论：在这些盐类中，铀的存在是比其他成份更重要的因素。”

与伦琴发现 X 射线的景况大不相同，贝克勒耳发现放射性并未引起多大反响，也未引起人们的激动。这种新发现也未在报纸上报道，因为这时科学家们继续在谈论和研究 X 射线。

贝克勒耳本人虽然继续从事这方面的研究，但由于只限于研究他所熟悉

的铀，且认为别的物质不可能发出更强的射线，因此研究工作进展也不大。两年后，居里夫妇投身于放射性元素的研究中，取得了巨大发展，先后

发现了钋、镭等新的放射性元素，才使放射性研究工作得到一次大飞跃，为物理学开辟了新的天地。

在居里夫妇结婚后的第二年，贝克勒耳提出了铀及其化合物的放射性现象，引起了这对夫妇的注意。

居里夫人（1867—1934）就选择了这个困难而陌生的问题作为她的博士论文题目。铀和它的化合物为什么具有放射性？放射线的性质是怎样的？产生放射现象的能量来自何方？这些问题全是谜。

居里夫人猜想，铀射线是铀原子本身的性质决定的，那么是否还存在其他一些像铀一样的元素呢？她利用居里（1859—1906）制作的象限静电计进行电流测量，这个方法比感光可靠。

她利用放射性能使气体电离而成导体的特性，将试验的化合物放在互相平行且相距 3 厘米的两极之间，两极间加上一定电压，再用静电计测量通过的电流。

居里夫人把实验室里的化合物一个一个拿来，测定它们是否有放射性， 结果发现除了铀以外，钍也有放射性。

钍的放射性的发现，使居里夫人肯定原来的猜想，接着进一步研究各种不同的铀与钍的化合物的放射性强弱是否一样。

为了解决这个问题，她先给放射性强度一个明确的测量方法。她决定用放射线所引起的空气电离强弱，就是使空气变为导体使验电器放电的本领， 作为量度放射性大小的依据，并用居里多年研究的压电水晶作为测量放射性强度的工具。

不久，居里夫人就获得了重要成果：铀或钍的化合物的放射强度只与化合物中铀或钍的含量成比例，所含铀或钍越多，则放射性越强，但与它的化合物情形和状态无关。

由此，她得出结论：放射性是原子的一种特性，也就是说，放射性是从原子内部产生放出的。

居里夫人进一步检验了各种复杂的矿物放射性的强度，出乎意料的是有几种矿物的放射性竟比它们所含一定份量的铀元素所应有的放射性大。

居里夫人怀疑自己是否测量错了，但经过反复仔细的试验，结论总是相同，这使她不得不相信这个新事实是完全正确的。为了解释这一现象，她推测，除了铀以外，这些矿物中必定还有一种新的放射性元素的存在，其放射性比已知的铀和钍要强。

她的这一想法提出后，很多科学家不相信。她丈夫居里也意识到这项工作的重要性，他放下了本人关于晶体的研究，与居里夫人共同投身到寻找新元素的工作中。

他们俩共同努力，昼夜不停，设法从沥青铀矿中提炼出这种稀有元素。他们所用的方法是以放射性测定为依据的新式化学分析法，把矿物中无放射性的部分去掉，把有放射性的部分留着。

通过这种方法，他们提炼到一种升华物，它的放射性比纯粹的铀要强 400 倍！

于 1898 年 7 月 18 日，他们向法国科学院报告了新元素的发现。他们为了纪念自己的祖国波兰，把这种元素叫做“钋”。

钋的放射线还不够强，为了达到他们预期的目的，他们继续寻找。钋是与铋共同沉淀而浓缩起来的，居里夫妇用钡作载体再进行浓缩，又得到了能产生放射性的极少量的钡化合物，其放射性比纯粹的铀要强 900 多倍。

居里夫妇推测，这种化合物中，还含有另一种未知的放射性元素，这种元素的放射性比钋还要强，在化学性质上类似于钡。

在这次发现后，居里夫妇又在法国科学院宣布了第二个新元素的发现， 这种元素具有很强的放射性，它就是镭。

在几个月时间内，他们接连发现了两种新元素——钋和镭，这在物理界上是很惊人的。

1899 年至 1902 年，居里夫妇经过反复的试验终于分离出了纯氯化镭， 并测定镭的原子量是 225，镭的放射性是铀的 200 万倍。又花了几年时间， 居里夫妇终于又提炼出了纯镭。

我们来看一看居里夫妇的工作环境，令人肃然起敬。他们当年的实验室不是高楼大厦，竟是一个破烂的棚子，棚内只有两张破旧的桌子，一只火炉和一块黑板，别无它物。

后来他们又发现了镭有许多奇异性质，它能自发地释放热量，使近旁的空气电离，使许多物质发荧光，能杀死细菌和某些纤细植物。

居里夫人由实验测知，1 克镭 1 小时内能发出 567 焦耳的热量，而镭本身可以说毫无减少。1000 克镭经过 1580 年后大约还剩一半。

镭释放的热量虽然缓慢，但却持续不断。1000 克镭蜕变完的时候所放出的总热量，比 1000 克煤燃烧所得到的热量要大 40 万倍。因此自居里夫妇发现镭以后，就预示着原子能时代的到来。

镭的另一个奇迹是能治疗癌症。镭的生理效用于 1900 年被证实后，居里即与医生合作，共同研究用镭射氡气照射动物来做实验，证实镭的伽玛射线对病毒细胞的破坏作用甚于健康细胞。

为了表彰居里夫妇对镭的发现，1903 年，他们与贝克勒耳共同获得了诺贝尔物理奖，居里夫人成为有史以来第一个获得诺贝尔奖金的妇女。1911 年居里夫人再次获诺贝尔奖金，成为科学史上最杰出的女科学家。

1899 年，贝克勒耳发现，镭所发出的射线能被磁场偏转。居里夫妇通过一系列实验证明，磁场能把镭辐射分成偏转程度不同的两束，这说明它至少是由两种射线组成的。

在加拿大工作的新西兰出生的英国物理学家卢瑟福也把注意力放在仔细研究放射性的本性上。卢瑟福（1871—1937），曾获 1908 年诺贝尔奖金，1930 年，卢瑟福担任了英国皇家学会会长，1931 年被英政府封为男爵，1937 年10 月 19 日逝世，被安葬在牛顿的墓旁。

卢瑟福在研究放射性的本性上，利用铅箔检验铀射线的贯穿本领，发现铀射线由两种辐射构成，一种贯穿本领小，被命名为 X 辐射；另一种贯穿本领比前种强 100 倍，被命名为β辐射。

1900 年法国的物理学家维拉尔德（1860－1934）又发现，在铀辐射中还有一种贯穿能力比α、β射线都强，而且在强磁场中也不会被偏转的射线， 他把这第三种射线称为γ射线。

为了进一步研究这些射线的带电性质，发现它们是否相同，科学家们把这些放射源放在一个铅室中，让射线从狭小的通道射出来，进入一个抽空的磁场。

磁场垂直纸面向里，α射线向左偏转较少，表示它是带正电但较重的粒子流；β射线向右偏转较大，表示它是带负电的较轻的粒子流；γ射线不受磁场影响，表示它是不带电的射线流。

下一个问题就是：组成α射线的带正电的粒子是什么？1904 年，英国化学家拉姆塞和索迪注意到在镭的化合物中总伴随有氦出现。这使卢瑟福想到，混在镭化合物中的氦可能是镭辐射的产物，α粒子很可能就是带正电的氦离子。

1908 年，卢瑟福利用助手盖革发明的气体放电计数管测定α粒子携带两个正电荷。他又用鲍姆巴赫为他制造的双层玻璃管将α粒子分出，经光谱分析证明，α粒子就是被双重电离的氦原子。

通过实验发现，β射线的荷质比与阴极射线相同，就是高速电子流；γ 射线类似于 X 射线，不过是波长更短的电磁波。

却说在放射性发现以前，人们已经发现了电子。电子的发现是在争论阴极射线究竟是以太振动还是粒子流的过程中，由英国物理学家汤姆逊（1856

—1940）发现的。

1890 年汤姆逊开始关心气体放电的研究。他在一个 15 米长的真空管内， 用旋转镜测时间差的方法测量阴极射线在低压气体中的传播速度，得到的速度远小于光速。

根据速度，他认为把阴极射线看作电磁波是没有道理的。为了进一步证明阴极射线是粒子流，并查明它的物理性质，汤姆逊完成了一系列阴极射线的实验。

首先他测定阴极射线所带电荷的性质。通过实验，他发现阴极射线与负电荷在磁场和电场作用下遵循同样的路径，因此它是由带负电荷的粒子组成。

接着他由阴极射线在电场与磁场中的偏转来测定带电微粒的荷质比和速率。虽然他已确定阴极射线是负电荷，肯定是物质的粒子。但这些粒子是原子还是分子，还是其他物质的微粒呢？为弄清这个问题，有必要测定这些带电粒子的质量和电荷之比值。

在实验中他测定阴极射线粒子是一种质量远比氢离子小得多的微粒。1897 年 4 月 30 日，汤姆逊在英国皇家研究院报告了这一结果，断定物质内部有比分子小得多的带电粒子存在。后来人们把这种粒子称为电子。

汤姆逊为了证实电子的存在，花了大量的精力设计了许多极为巧妙的实验，取得了令人满意的成果。科学界公认他是“电子的发现者”，1906 年， 他荣获了诺贝尔物理奖。

电子的发展，物质的放射性和蜕变的发现，使人们认识到原子不是不可分的，原子是有结构的。从此，各国物理学家便开始探索原子的复杂结构。既然电子是从原子内部发出的，而原子又是中性的，那么原子中必定还

有带正电的部分。这些正电荷是如何分布的？具有什么性质？正、负电是如何相互作用的？怎样解释放射性？⋯⋯而对这一系列问题，物理学家们根据自己的见解，从不同角度提出了各种不同的原子模型。

在这些模型中，汤姆逊模型影响最大。他对原子结构进行了长期研究， 于 1904 年发表了《论原子的结构》论文。

他认为原子好像一个带正电的“流体”球，集中了原子重量的绝大部分， 而负电荷则作为点电荷有规则地镶嵌在球中间，电子一方面受正电荷的吸

引，另一方面又互相排斥，因此必有一种状态可以使电子平衡。

汤姆逊采纳了 1878 年迈尔所作的悬浮磁针实验，使穿过软木的小磁针垂直地浮在水面上，从上部用大磁针接近它。

此时，一增加磁针的数目，磁针所处的稳定平衡排列就发生变化，在这个过程中可以看到周期性。汤姆逊以这种周期性为线索推测出原子中元素的周期律。

1903 年，汤姆逊接受艾利大学邀请前去讲学，他在《电和物质》的讲义中论述了自己的原子结构理论的基本思想。但是，在这本讲义中，重点放在物理概念上，具体计算放在第二年公开发表的论文中。

汤姆逊的原子模型是为了说明化学现象而构造出来的。根据推断，以1903 年确立的放射性嬗变为转机，他再次正式提出了 1897 年以后放弃了的这个问题。作为需要原子结构理论的理由，他列举了三点：

（1）1815 年提出的蒲劳脱的假说。

（2）1869 年的元素周期律。

1. 放射性，尤其是放射性起因于原子内部发生的变化是一个可信的理由。

汤姆逊的原子结构理论以元素演化说为基础。他认为，一切元素的原子都是激烈运动着的电偶经过长时间逐渐互相结合而形成的，放射性原子就是在其演化过程中处于不稳定状态的原子。

所说的电偶负电荷就是电子，由于把电子的质量完全看作起源于电磁， 于是估计出电子半径约为 10^-13 厘米。正电荷比电子具有大得多的“广延”， 因此电子的质量事实上可以忽略不计。

几千个电偶聚集起来构成原子，事实上，可以认为正电荷在原子中形成均匀的连续的“广延”。因此，可以把原子看作是在正电荷的“广延”内部有许多电子进行运动的系统，汤姆逊在 1899 年的论文中首次阐述了这些想法。

汤姆逊还认为，在均匀的正电球中，数个电子等间隔地排列在和正电球同心的圆周上，他把这个系统作为原子的模型。

卢瑟福开始时也相信无核模型，他与两名助手盖革和马斯登通过研究α 粒子的散射来加以确证。

他们设计了一个实验：在抽空的容器内放有放射源，它能放出α粒子。容器的中央有一个钻有小孔的铅板，以便从放射源射出一束很细的α粒子流。铅板的前面有一个厚约为 0.0004 厘米的金属箔，可以移动，以便让α射线穿过它或不穿过它。穿过金属箔的α粒子射到硫化锌的荧光屏上，产生闪烁，在外面用放大镜观察屏上的闪烁，并记录一定时间内屏上各处的闪烁数。

根据汤姆逊模型，卢瑟福以为α粒子穿过金属箔后的散射角度一定会很小，他预计α粒子的散射角平均应小于万分之一弧度。

根据统计知识，在金属箔上，散射角大于 30 度的粒子远小于 1％，而散射角大于 90 度实际上是不可能的。

按照汤姆逊模型，原子整体上是电中性的，只有当α粒子进入原子内部后才受到电力的作用。但α粒子质量大，速度快，原子内带负电的电子很轻， 他对α粒子的作用不足以改变后者的运动方向，而原子内部的正电荷分布又很均匀、分散，也不能显著改变α粒子的运动方向。于是α粒子长驱直入， 经过几千层的金属原子之后，平均偏转不超过 1 度。

卢瑟福和他的助手在 1909 年至 1910 年做了很多实验，实验结果表明， 散射角小确实占优势，但他们却发现占万分之一左右的散射角大于 90 度，甚至达到 180 度的散射角，这与汤姆逊的预言极不相同。

卢瑟福为此思考了很长时间没有结果。1904 年，长冈半太郎提出了土星系模型，卢瑟福想能否用这种模型解释原子模型呢？

他猜想说：“经过思考，我认为反向散射必定是单次碰撞的结果，而当我计算时看到，除非采取一个原子的大部分质量集中在一个微小的核内的原子系统，否则无法得到这种数量级的任何结果。这就是我后来提出的原子具有一个体积很小而质量却很大的核心的想法。”

实际上，卢瑟福已提出了原子核的设想，只不过未用实验来论证。这是人们认识原子结构的一个阶段，随着科学的发展，人们才能更准确地认识原子结构。

为了检验他的设想是否正确，卢瑟福他们再增加金属箔的厚度，结果发现大角度散射的α粒子数目也随之增加。

卢瑟福据此断定大角度偏转的α粒子必定受到一种强有力的碰撞，因此他认为原子内的正电荷不是分散在原子内部的大范围内，而是集中在原子中心的一个半径极小的球体积内，这个小球，被称为“原子核”。

在卢瑟福的指导下，盖革和马斯登继续做了一系列α散射实验。由于散射效应很弱，需要很强又很窄的α粒子源，所有测量都用硫化锌屏，以观察散射α粒子打到上面的闪烁。

实验过程记下 10 万次以上的闪烁，所有实验结果（用金、银、铜等不同金属的箔片作实验）都与卢瑟福的设想相符合。

根据实验，卢瑟福提出了强有力的假设：原子中心有很强的电荷，这个中心比原子的直径要小得多。

从此卢瑟福的有核模型代替了汤姆逊模型，且被整个科学界所接受。 卢瑟福模型虽能解释α粒子散射实验，但这个原子模型不是稳定的。因

为电子在核外绕核运动，必定不断加速，根据经典电磁理论，它应该不断地辐射能量，最终必将落到原子核上，这是无法解释的。

综上所述，到了 19 世纪末叶，物理学在各个领域中都取得了巨大成就， 几乎是尽善尽美了。

在绝大多数物理学家看来，物质世界的运动已经构成了一幅清晰的画面，基本问题都研究清楚了，留下的问题似乎只是使公式中各个常数测得更精确一些。

正当人们为物理学的成就而欢欣鼓舞之际，在物理学的一些领域中却接二连三地出了问题，表现出与经典物理理论尖锐的矛盾。

迈克尔逊—莫雷实验的否定结果，使以太之谜变得更难理解。他们提出， 试图通过一个机械模型去建立一个简单明了的物理概念已经不可能了。这就使人们感到他们原来对光、电、磁等物理现象的理解，都受到了可能被抛弃的威胁。

电子的发现，打破了“原子不可分”的观念。原子失去了它从古希腊以来就已获得的“被近代自然科学所巩固了的最基本的微粒”的地位。原子既已被打破，建立在这个基础之上的一些观念，也似乎被动摇了。

放射性的发现，特别是在放射性过程中一种元素嬗变为另一种元素的事实，无可辩驳地否定了原子“不可变异”的观念。

由于原子失去了过去的“不变性”和“固定性”，建立在这一原子概念上的整个物理图景也失去了原有的明晰性和确定性，在模糊和流动中显得不可捉摸了。

这一切，便构成了物理学危机。其实，所谓物理学危机，并不是物理学发展的危机，而是经典物理学旧理论的危机，即经典物理学的旧理论已经不能适应新的科学事实，因而必须被新的理论所代替。

科学只有在新的事实基础上建立起新的理论——这个理论既能解释新的事实又能解释旧的事实——才能把科学对自然界的认识提高到一个新的水平。19 世纪末的物理学所面临的，恰好就是这样一种形势。欲知后事如何， 且听下回分解。