打开原子的大门-第7章

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　　许多科学家回去之后都装起了克鲁克斯管，想揭开阴极射线之谜。
　　　原子里的电子
　　现在要讲一下世界上最有名的实验室的工作了。英国剑桥大学有个卡文迪许实验室，是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的，创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦，他创建了电磁场理论，并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利，他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体。1884年，汤姆逊做了第三任实验室主任，他开始研究阴极射线。
　　卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器，有研究电磁学的光荣传统。汤姆逊在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后，设想：既然阴极射线是带电的粒子，又能够被磁场和电场偏转，那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。
　　汤姆逊设计了一个阴极射线管，在管子一端装上阴极和阳极，在阳极上开了一条细缝，这样一来，通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束，直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质，或者装上照相底片。
　　在射线管的中部装有两个电极板，通上电压以后就产生电场。电场越强，阴极射线通过电场后偏转就越大。电场强度和偏转程度都可以测量出来。
　　这时候在射线管外面又加上一个磁场，这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消，结果阴极射线不发生偏转。　
　　汤姆逊测量了在这种情况下的电场和磁场的强度，利用物理学定律计算出了阴极射线的速度。这速度非常快，大约是3万公里每秒（相当于光速的1／10）。
　　接着他又测量组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值，发现这种带电粒子的质量非常小，大约是氢原子的质量的1／2000。
　　汤姆逊作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极，他测量了不同阴极上射出的带电粒子，发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体——氢气、氧气、氮气……充到管内，阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。
　　这就说明了一个非常重要的问题：不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的，结果都一样。也就是说，在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1／2000的带阴电的粒子。这实验是1897年10月完成的。
　　1897年4月30日，汤姆逊在英国皇家学会讲演的时候曾经指出：“阴极射线不是带电的原子，阴极射线的粒子应该比原子小得多。”半年之后，他证实了自己的论断。
　　关于电，从18世纪以来，许多科学家都在研究。他们认为电也有一种最小的粒子，并且起名叫做电子。如今，汤姆逊真的发现了这个电的小微粒——电子。
　　阴极射线实际是高速的电子流。后来人们又发现，炽热发光的电灯丝也会发射电子，光照在某些物质上也会发出电子，电子在各种物质中都有，它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量，它是氢原子质量的1／1837。
　　现在大家都公认，是汤姆逊在1897年正式发现了电子。这是19世纪末最伟大的发现之一。20世纪是电子时代，是原子时代。电子的发现为人类打开了这个新时代的大门。
　　要知道，汤姆逊的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂，基本原理却是一样的。在今天，你可以在看电视的时候做一下汤姆逊的实验，只要拿一块磁铁放在显像管旁边，就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。
　　人们不断深人地研究气体放电管，终于发现了电子。在电子发现的前一两年，还有两件伟大的发现也是与放电管的研究分不开的，这就是X射线和放射性的发现。
　　　“偶然”的大发现
　　1896年初，一件科学发现轰动了世界各国的大学和科学院。科学家们一碰头就会询问和议论：“你看到那篇科学论文了吗？德国伦琴教授的。”
　　“你知道吗？发现了一种看不见的射线——X射线，它能穿透各种东西！”
　　“昨天用我们实验室里的阴极射线管作了实验，真有这种射线，奇妙极了！”
　　这到底是怎么回事呢？
　　原来，1895年10月间，德国波恩的物理学教授伦琴在实验室内装起了阴极射线管，开始研究阴极射线。过了不久，实验室中发生了一件怪事，有一包用黑纸包得很好的照相底片全部感了光。再去买来一包新的底片放在实验室里，过了几天一检查，又都感光了。这可是从来没有发生过的事。
　　伦琴想：过去没发生过的事，现在发生了，现在和过去不同的是实验室内新安装了阴极射线管。是不是阴极射线使底片感光了呢？
　　为了避免再发生底片自动感光的事件，11月8日晚上，他把阴极射线管用厚的黑纸包了起来，接通了电源，看了看，果然看不到射线管壁发出来的荧光了。接着他收拾了一下实验室，关掉电灯就离开了。刚走了不远，他猛然想起，阴极射线管的电源还没有关，于是他又走回实验室。
　　推开门以后，在漆黑的实验室里他看到有一处在闪闪发着绿光。打开电灯一看，原来是一块涂有铂氰酸钡的荧光屏。他把阴极射线管的电源关掉，再关上电灯，这时候荧光屏不再发光了。他摸黑把阴极射线管的电源重新接通，荧光屏又发光了。
　　真是怪事！铂氰酸钡是一种荧光物质，只有在强光照射下才会发出荧光。现在荧光屏发光，显然和阴极射线管有关。但是，阴极射线管发的光很弱，并且已经被厚的黑纸包了起来，荧光屏怎么还会发光呢？况且这荧光屏还在两米以外。
　　伦琴想试试是不是有什么光线从阴极射线管发出来照在荧光屏上。他把手伸在荧光屏和阴极射线管之间。果然，在荧光屏上出现了手的影子。但是仔细一看，伦琴大吃一惊！在很淡的手影之中还显出了黑色的手的骨骼的影子。手动一动，影子也动一动，骨骼也在动，非常清楚！
　　面对着这个新发现，伦琴激动极了，他也不想回家了，在实验室里用各种东西放在这看不见的射线中间试验，一直搞到天亮。他发现纸片以至厚木板都挡不住这种射线，只有较厚的铅片才能把它完全挡住。
　　现在他清楚了，放在抽屉中的照相底片所以会感光，是因为木板和纸挡不住这种穿透力极强的射线。
　　伦琴几乎整天在实验室中研究这新的射线，回家也在讲他的发现。1895年12月22日，他妻子到实验室来看他的新发现。他从别的实验室拿来一片用黑纸包好的照相底片，放在阴极射线管旁边，让他妻子把手按在底片上，接着他把阴极射线管的电源接通了一会，然后把底片拿去冲洗。冲好的照相底片使他的妻子大吃一惊，这是一只手的骨骼的照片，手上戴的金戒指也显得一清二楚！ 对于这种看不见的射线，伦琴开始认为是穿透了玻璃管壁跑了出来的阴极射线。他用磁铁去试了一试，这种看不见的射线没有偏转，说明它不是阴极射线。他又猜想可能是一种光线，便让这种射线通过三棱镜，结果证明它和普通的光线不同，三棱镜不能使它发生折射。真是一种性质未知的奇妙射线！
　　伦琴想起了代数中的未知数常用X来表示，所以，他把这未知性质的射线起名叫做X射线。
　　伦琴把他的发现写成论文，于1895年12月28日在德国的科学杂志上发表了。伦琴的发现立刻震动了世界，不仅在科学界，社会上也轰动了，各种报纸和杂志都在讲X射线，有的还刊载第一张X射线照片——伦琴夫人的手骨。
　　新发现的消息传到美国的第四天，就有一位医生用X射线检查了受枪伤的病人身体里有没有留下子弹。X射线能看穿人的身体，可真是医生的好助手。伦琴也就在全世界出了名。
　　许多人都认为伦琴真幸运，他偶然地得到了这个伟大的发现。实际上并不是这样。在当时，许多实验室都在研究阴极射线，许多实验室也都使用照相底片，底片感光的“偶然”现象必然会在这些实验室发生。例如，发明高真空阴极射线管的克鲁克斯，在当时就曾经遇到过放在实验室里的底片感光的现象，但是他当时正专心地制作各种放电管去研究阴极射线，而没想到会有什么看不见的射线在作怪，所以他认为是底片厂的产品质量不好，把坏底片拿回厂家去退换，使照相底片厂蒙受了不白之冤。
　　还有一位美国科学家，名叫古德斯培德，在知道伦琴的发现以后，声称他在5年前就发现了X射线。原来在1890年2月22日，他曾经偶然地得到一张线圈的X射线照片。但是在这5年中间，他并没有深人研究，只是伦琴说明问题以后，他才恍然大悟。
　　和古德斯培德相反，伦琴没有轻易放过实验过程中发生的似乎是偶然的现象，继续实验，深人研究，终于发现了X射线。
　　后来经过进一步的研究，发现X射线原来是阴极射线轰击到物质上的时候产生的。伦琴在高真空放电管中正对着阴极安装了一个金属靶子，当阴极射线集中射到靶子上的时候，就会发出很强的X射线。这种装置现在就叫做X射线管，又叫做伦琴管。
　　由于这一伟大发现，伦琴获得了科学界的最高荣誉——1901年的诺贝尔奖。他是第一个获得诺贝尔物理奖的科学家。
　　　他们完全搞错了
　　伦琴的发现引起了世界性的狂热。实验室里所有的放电管都开动起来了，医院里也纷纷装配X射线管用来给病人检查。科学家则研究X射线的性质，想解答这个“X”。甚至有些贵族也请人在客厅里安上一台放电管，在客人面前表演X射线透视，让大家彼此看看各人的骨骼。
　　法国科学家彭加勒详细地研究了伦琴的论文，他特别注意到论文中这样一段叙述：“X射线产生的地方恰好是克鲁克斯管壁上被阴极射线打中的地方，这部分玻璃管壁还发出强烈的荧光。”
　　彭加勒想：X射线既然在荧光特别强的地方产生，那么，一切发出荧光的物质，是不是都会发出X射线呢？可能不一定只有克鲁克斯管才能发出X射线。
　　另一位法国人沙尔听到了彭加勒的想法，立刻就去做实验。
　　荧光物质是这样的一种物质，在被太阳光或其他光线照射后，它本身就会发出荧光，但是时间很短。伦琴借以发现X射线的铂氰酸钡就是这种物质。荧光物质种类很多，其中最普通的就是硫化锌和硫化钙。这类物质在太阳光照射之后，拿到黑暗处，就可以看到它们发出绿色的荧光。沙尔选用了硫化锌做实验。
　　他把照相底片用黑纸包好，上面放上一小块硫化锌，然后放在太阳光下晒，让硫化锌发出荧光，晒过后把底片拿去显影。结果底片上真的出现了一个深色的斑点。这不就证明了彭加勒的设想对了吗？太阳光照射硫化锌，硫化锌发出荧光，同时发出X射线，X射线透过黑纸使底片感光，于是就出现了那块斑点。
　　1896年2月10日，沙尔在法国科学院每周一次的科学报告会上作了报告。一星期后，又有一位聂文格罗夫斯基也在科学院作了同样的报告，结果和沙尔一样，他用的荧光物质是硫化钙。
　　以后，法国科学院每周都有人作报告，宣布他用荧光物质得到了X射线。
　　这种科学发现倒是件很简单的事！只要用一张包着黑纸的照相底片，找一块荧光物质放在上面，在阳光下晒一晒，再拿底片去显影。用不了半天时间就可以写一篇科学论文，然后到科学院去作报告。这可真是便宜事，于是，大家争先恐后地去做这种实验。
　　这样一来，X射线就不那么神秘了。法国科学院院士特罗斯特宣称：“用不着那些复杂的电源和容易打破的放电管了。只要把一块荧光物质在强光下照射一下，就可以得到X射线。”
　　他的结论下得太早了，那些科学家的实验也太粗糙了。实际上，他们完全搞错了。
　　　又一次“偶然事件”
　　在从荧光物质中寻找X射线的浪潮中，有一位名叫贝克勒耳的法国科学家也被卷进去了。他的父亲老贝克勒耳是专门研究荧光物质的化学家，他对各种荧光物质也很熟悉。贝克勒耳选了一种荧光最强的物质——硫酸钾铀复盐做实验。开始，他得到的结果和沙尔一样。1896年2月24日，他在法国科学院作了题为《荧光中发生的射线》的科学报告。
　　他说：“用两张致密的黑纸，把澳化银照相底片包起来……在纸上面放上一种荧光物质（硫酸铀和硫酸钾的复盐），然后在太阳光下放置几小时；底片冲洗以后，在背景上出现了荧光物质的轮廓。如果在荧光物质和黑纸之间放上钱币或有花纹的金属片，那么照相底片上就会出现这些物品的形象。”
　　如果是一个粗心大意的科学家，他做了一次实验，匆忙地下个结论就完事了。贝克勒耳可不是这样的人。他报告了初步实验结果，回去继续做实验。他发现这种射线不仅能透过黑纸，而且能够穿透薄的金属，例如0。1毫米厚的铝箔或铜箔。
　　2月26日，他用金属片剪了一个花样，放在黑纸包着的底片上，上面再仔细地布满硫酸钾铀复盐。当他准备把这些东西拿出去晒太阳的时候，不巧阴天了，他只好把安排好的试验品收在箱子里。
　　连续几天都是阴天，太阳始终没出来。3月1日仍然是阴天，第二天科学院又要开会了，贝克勒耳只好把没有晒过太阳的试验底片拿去显影。他想，荧光物质没有强光照射是不会发出荧光的，在阴天的光线下，即使发出荧光也一定很弱；X射线是和荧光一起产生的，一定也很弱。他预计，底片不会很清楚。
　　出乎他的意料，奇怪的事情发生了。冲洗出来的底片显出非常清楚的金属片花样。看来这些天，荧光物质一直不停地在发出X射线。
　　贝克勒耳知道，只有在强光照射下，荧光物质才能发出荧光。停止照射后，荧光物质在一段时间里还能继续发光，这段时间叫做荧光的寿命。各种荧光物质的荧光寿命是不一样的，贝克勒耳用的铀化合物的荧光寿命非常短，只有0。01秒。因此，根据这次实验的结果，贝克勒耳断定：荧光物质发出X射线的时间和荧光寿命并不一致。
　　第二天，贝克勒耳在科学院介绍了他一周来的实验情况。对于发现的偶然情况，他提出了一个新的看法：“荧光现象中产生的不可见的射线的寿命要比荧光的寿命（0。01秒）长得多。”
　　过了一个星期，贝克勒耳又到科学院去作报告。这一个星期，他的实验是在暗室中做的。在暗室中，铀化合物根本不发荧光，但是照片依然很清楚，不可见的射线的强度一直没有发生变化。
　　大家于是议论纷纷，彭加勒的想法可能有问题，看来荧光现象和X射线并没有关系。可是以前沙尔等人用硫化锌和硫化钙做的实验，又该怎样解释呢？
　　贝克勒耳回去又用硫化锌、硫化钙等荧光物质重复了别人的实验，但是无论太阳怎样晒，也没有得到预期的射线照片。他去请教特罗斯特院士。特罗斯特也做了实验，他也没有得到什么射线的照片。
　　　一种新的射线
　　试验继续了一个月，其他几种荧光物质并不发出什么不可见的射线来。但是保存在暗室中的铀化合物，还