打开原子的大门-第9章

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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。
　　　α射线
　　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。
　　　果子面包
　　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。
　　　卢瑟福的小太阳系
　　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”。
　　　玻尔和莫斯莱的贡献
　　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。
　　　搜索新元素
　　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？
　　　一个假说
　　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。