科学史及其与哲学和宗教的关系-第62章
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起初原子被看做是一个行星系的结构，阴电子环绕核心，在牛顿式的轨道上运行。但是上面说过，量子论的创立与应用，在原子的概念上引起了一场革命。新理论的主要特点在上述的那个时期里已经建立。但是在以后的年代里又掀起另外一场观念上的革命，主要是由于发现了原子内新型粒子并且发现了产生、计数和使用它们的方法。
在叙述这些新的粒子以前，我们必须追溯一下阿斯顿等人在元素及其同位素的原子量的知识方面所取得的巨大进展。阿斯顿的质谱仪（第一部质谱仪规时陈列在南肯辛顿科学博物馆内），是根据J．J．汤姆生研究阳射线的仪器的原理制成的。玻璃球B（图17）为水银唧筒维持在低压下，其中盛有要研究的元素的挥发性化合物，或者是这种元素的卤盐所构成的阳极。阳极在A，阴极在C，其中穿有一隙缝S1。从阳极来的经过阴极隙缝的阳射线，再经过第二隙缝S2形成一个狭窄的阳射线束。这一窄束又经过两绝缘板E1和E2之间，这两极同200－500伏的电池组的两极联结，这样，这一射线束就展开成为一个电波谱。再利用两个光栏将这波谱的一部分隔离，然后使它在电磁铁M的两极之间经过。两个接地的铜版F保护这些射线，不受偶然的电场的影响，于是射线形成隙缝的聚焦像，而落在照相底片上。电磁力所造成的偏折，使速度不同而有相同的e／m（电荷…质量比）值的射线，聚焦在底片的同一点上。
如果取一条谱线作为已知，把它与未知电磁场里的其他谱线比较，便可测定原子射弹的相对质量。或者将磁场维持不变，调整电场，使未知谱线占据已知谱线先前所占的位置，也可以根据电场的强度算出相对质量。这两个方法均可以将已知和未知粒子的质量加以比较。这个仪器所给出的测量值仅仅取决于质量，所以叫做“质谱仪”是很恰当的。第一台仪器所测得的质量，误差为1／1000，第一台改进到1／10，0000芝加哥的登普斯特（Dempster）发明了另一种仪器，内有磁场使射线弯曲成半圆形。还有一种质谱仪是哈佛的班布里奇（Bainbridge）所设计的，可以用来进行很精密的测量。
1919年，阿斯顿的第一台质谱仪使用之后，研究成果纷至沓来。两条确定的谱线证实了汤姆生研究氖的结果，在某一时规里差不多每个星期都有新的同位素发现。1933年，阿斯顿在他的《质谱与同位素》（Mass Spectra and Isotopes）一书中说：“在一切已知有相当数量存在的元素里，现在只有18个还没有分析过”。到1935年，人们已经知道有250种稳定的同位素了。最复杂的元素好象是锡，它有11种同位素，其质量数目112至124。根据这些实验，普劳特首先提出的原子量是整数的规律，已经得到证实。210这个数字以下，差不多每一个数字都有一个稳定的基本原子。许多位置，两次或三次被某些同位素占去，它们叫做“同量异位素”，换句话说，即是重量相同而化学性质不同的原子。
如上所述，α和β粒子的性质已为卢瑟福早期关于放射现象的研究所肯定了。a粒子是氦原子核，根据阿斯顿的测量，它包含一个4．0029（氧取为16）的核质量和一个阳电荷＋2e，即两倍于电子上的阴电荷…e。a粒子运动的速度在每秒2×109厘米或10，000英里左右。氢原子核或质子，包含1．0076的质量与一阳电荷＋e。伯奇（Birge）指出，事实表明有氢的重同位素存在，同时吉奥克（Giauque）与约翰逊（Johnson），继后有梅克（Mecke），根据观察带状光谱的结果，取得质量为17与19的重氧存在的证据。
1932年尤雷（Urey）用分馏法发现氢的同位素，其质量为2，等于正常氢的两倍，在一般氢元素里仅占1／4000。这种重氢（2H）叫做“氘”（D）。如果使电荷从其中通过，有些原子失掉一个电子，而成为正离子，被人叫做“氘核”。它们好象是质子和中子联系在一起的结构。瓦什伯恩（Washburn）把普通水电离，得到一种新物质：重水，其中氢为其同位素氘所代替。重水为刘易斯所分出，密度比寻常水大11％，而其冰点与沸点也不相同。现在已能制造重水，中性氢（1H）的质量可以更准确地测定，其值为1．00812。
还有另外一些时常穿过大气而来、贯穿力更强的射线，可以在威尔逊云室内探测出来。它们的来源好象在宇宙空间里。这些年来有很多人去研究它们，特别是米利根和他的同事们。这问题可以说开始于1909年，起初是格克耳（Gockel），后来是海斯（Hess）与科赫斯特（Kolhorster），都发现验电器放在升空气球上，比在地面放电更快。这说明位置愈高，造成电离的射线愈多。1922年，包温（Bowen）与米利根将这些实验拿到55，000呎的高空去做，1925年米利根与卡梅伦（Cameron）将验电器逐渐下沉到70呎深的没有镜的水里而发现放电率连续减少。在以后的年份里，有些观测者走得更远。这些射线的贯穿力比地上任何射线都大。地磁对于这些射线的效应，说明其来源不在高层大气里。而且，这些射线的强度昼夜都是一样，因而它们不是从太阳而来的。当银河不在南半球的地平线上时，仍然有这些射线，因而它们的来源也不在我们的星系里，所以它们当是从银河系以外的天体或自由空间而来。
这些宇宙射线的能量可以根据其穿透力加以粗略估计。安德生（Carl Anderson）与米利根首先做了比较精确的测量。他们使宇宙线通过很强的磁场，而观测其偏折。能量在6O亿（6×10＇9＇）电子伏特左右相当确定的范围内变化。安德生于1932年利用这仪器发现具有阴电子质量的阳性粒子。这种阳电子，早由狄拉克据理论预言其存在。这种粒子后来被命名为正电子。读者当记得，以前已知的最小的阳性粒子是氢原子的核（质子），其质量约2000倍于电子。正电子的发现又使我们对于物质的概念发生根本性的改变。
和其他带电粒子一样，正电子穿过物质时产生电磁波。宇宙线的频率比X和Y射线为高，其范围在每秒1022至1024周，而可见光的频率只有1014周。这些频率不是直接测定的，而是将能量除以普兰克常数h而算出的。
1923年，康普顿根据量子论，提出可以和电子与质子相比拟的辐射单位的概念，他将这个单位命名为光子。如果一个光子以足够的能量打击一个原子核，特别是重原子核，一对正…负电子同时出现于云室里。这是1933年布莱克特（Blackett）与奥基亚利尼（Occhialini）首先提出，不久即为安德生所证实的。这类成对的电子的动能约为160万电子伏特，而入射光子的能量为260万电子伏特。这100万电子伏特的差数可以量度电子对的“固有能量”，是具有辐射能量的光子的物质化，这表现辐射转化为物质。反之，假设正负电子互相湮灭，就有两个电磁辐射的光子，每个的能量为50万电子伏特，从相反的两个方向射出。这个设想于1933年经提博（Thibaud）与约里奥（Joliot）由实验加以证实。
在海平面处已经发现具有三、四十亿（109）电子伏特的宇宙线。它们常以簇射（阵雨）的形式出现。在14，000呎高的尖峰山（Pike’sPeak），这现象尤其常见。根据贝特一海特勒（Bethe－Heitler）的簇射形成理论，一个入射高能电子先将其能量转化为“冲击光子”，这光子产生电子对，每个电子重演这一过程，直到所有的能量一律降低，成为低能的光子与电子。从地球外面来的正射线可能不会达到海平面，至于在云室里所观测到的高能正负射线，可能是在大气里形成的次级宇宙线。1934年，安德生与尼特迈耶尔（Neddermeyer）假设具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子的踪迹，这种粒子经安德生命名为“介子”。这两位物理学家于1938年证实了他们的假设，测量得这些粒子的质量为电子质量的220倍，1939年别的观测者又量得为200倍，而质子的质量约为2，000倍。由此可见，要说明物质的结构，需要一个多么复杂的图案！
在大多数的情形中，宇宙线里的粒子多是电子而很少质子。这表示宇宙线在进入太阳系以前不可能穿过很多物质；这样它们的来源好象不可能在银河系里的恒星上，而必须在银河系外的空间。
宇宙线的成因与来源仍然是一个只能猜度的谜。人们提出的假设有如下几种：（1）电子经过某一天空静电场降落而形成说，（2）经过双星磁场形成说，（3）按照爱因斯坦方程式mc2＝E，物质质量一部或全部转化为宇宙辐射说。蕴藏量最丰富的元素可能释放的能量由110至280亿（1．1至2．8×1010）电子伏特，一半射向一方，另一半射向反对方向。所以一半所给出的能量在5至14×109电子伏特之间，观测所得的数值大致也是这样。
上面讲过，1919年卢瑟福发现，用a粒子轰击某些元素，例如氮，引起原子的变化，因而发射出运动迅速的氢原子核（质子）。这发现不久即为布莱克特所证实。他在威尔逊云室里拍照了质子的踪迹。这发现是在受控原子变化实验方面取得巨大进展的起点。这些受控原子变化实验取得了惊人的成果。当波特（BO比）使质量为9的铍元素受到这样的轰击时，他得到一种贯穿力比铀射出的最硬的Y射线还强的新辐射。1932年，查德威克（James Chadwick）爵士证明这种辐射的主要部分不是Y型的射线，而是一些运动急速不负电荷的粒子流，其质量大约与氢原子相等。取得这些粒子的方便办法就是，将几毫克的铀盐与粉末铁混合，而封闭在一管内，这种粒子即从管壁逸出。由于这些粒子不负有电荷，因而称为中子，在其行程里，它们可以自由地通过原子，而不造成电离。
下表列举了1944年已知的粒子，无疑以后还有更多的发现： 名称 质量（单位：电子） 电荷 电子（β粒子） 1 －e 正电子 1 ＋e 介子 200 ±e 质子 1800 ＋e 中子 1800 0 氘核 3600 ＋e α粒子 7200 ＋2e
除了这些算作物质的粒子之外，还有作为辐射单元的光子。宇宙真是复杂而神秘。
费瑟、哈金斯（Harbins）与费米（Fermi）证明中子，特别是慢中子，虽然不能引起电离化，但却可以十分有效地促进原子核变化。它们不象a粒子那样受带正电荷的原子核的排斥，因而容易进入较密的原子核，而改变其性质。例如使用渗透有锂盐的底片进行实验时，在显微镜里便可看见相反的两个踪迹。使用硼，特别是用一种铀的轻的同位素，也可发现类似的变化。
居里－约里奥夫妇用a射线直接轰击这些轻粒子，得到一些新的放射物质。例如硼受了a射线轰击一会之后，便发出正电子流。其放射性的衰变和正常的放射性相似，是时间的几何级数，在11分钟内衰减一半。这种植变可以下列化学方程式表示：
10B＋4He→14N→13N＋中子。
氦核14N因具有过多能量，是不稳定的，于是分裂为比较稳定的13N与中子。然后13N更缓缓地转变为稳定的碳原子与正电子：
13N→13C＋Σ＋。这种放射性的氦可以作为具有氦的化学性质的放时气体收集起来。
人们已经利用a射线、速质子，特别是慢中子使很多种物质变成放射物质，其中慢中子就是对于最重的元素也是有效的。以上只叙述了用直接间接由放射物质得来的各种粒子轰击元素而造成元素的受控嬗变的情况。这样直接间接由放射物质得来的粒子为数不多，因此多年来物理学家希望发明人工制造有效的强粒子流。后来这种希望是实现了。
在氢或其同位素氘里放电，可以得到大量的质子与氘核，但要使它们达到造成嬗变所必需的高速度，必须在很强的磁场里把它们加速。要取得高达百万伏特的高电压，便需要大型的工艺装置，并需用现代的高速唧筒，以维持高度的真空。
科克拉夫特（Cockcroft）与瓦耳顿（Walton）在剑桥进行的实验是这方面的开路先锋。他们利用一套电容器与整流器将变压器的电压增高，现在所期望的是用大型装置取得具有200万伏特电压的直流电，它能产生长20呎的火花。还有一种静电装置是华盛顿的范·德·格拉夫（Van de Graaff）所设计制造的，这装置内有一传输器，不断地将电荷送入一个中空金属绝缘球去，以致达到500万伏特的高电位。
加利福尼亚的劳伦斯（E．Lawrence）教授发明一种加速器，名叫“回旋加速器”，离子在这装置里经过一个交流电场，和与之正交的磁场。这个装置使质子和氘核循半径递增的螺旋形的路径而运动，间续地进出于电场。为了达到交流电位的某一特定频率，离子总是在电力处在可以把离子进一步加速的运动方向上的时候进入电场。这样，劳伦斯得到了质子和氘核的强粒子流，其能量高达1600万伏特，而具有100微安的电流。这样获得的效果等于16公斤的纯镭所射出的α粒子。
这一类的装置无异是将极强有力的武器放在实验者的手里。科克罗夫特与瓦耳顿证明，可以用大约十万伏特的质子，使锂与硼产生人工的嬗变。从这种电压以至回旋加速器的几百万伏特，现代的实验室现在有了一系列能量范围很广的可以引起嬗变的射弹。
锂有质量为6和7的两种同位素。在质子的轰击下，有时一个质子进入7Li的梭。这样产生的8Be不稳定，立即分裂为两个快速的a粒子，即氦核，循相反方向射出。如果用氘核代替质子去作射弹，6Li捕获一个氘核之后，又产生一个8Be的核，但具有大量的剩余能量。这种8Be的核也象前一个反应一样，分为两个a粒子，但具有比质子进入7Li而产生的a粒子有更大的速度。7Li捕获一个氘核之后形成9Be，再立刻分裂为两个α粒子和一个中子。
这些不过是奥利芬特（Oliphant）和哈特克（Harteck）首先加以研究的嬗变的几个例子。仅借两万伏特就可以引起这种嬗变，来加速氘核射弹。以后还研究出许多复杂得多的变化。从实验获得许多新同位素，如质量为3的氢（3H），质量为3的氦氨（3He）。根据其释放的能量，可以算出这两种同位素的质量：
2H ＋2H ＝1H ＋3H＋E
2．0147＋2．0147＝1．0081＋2H＋0．0042
氢和氘的原子量就是阿斯顿用质谱仪算出的数值。至于上式中所释放的能量E值是根据观测质子在空气中的行程（14．70厘米）而算出的这种行程说明质子的能量为298万伏特。释放出的能量的3／4应归于质子的动能，因而E的总值为397万伏特。根据爱因斯坦的理论，质量与能量是等价的；质量减少dm相当于释放c2dm的能量（这里c表光速，以每秒厘米数计为3×10＇10＇），所以与397万伏特相当的质量为0．0042，因而3H的质量为3．0171。
劳伦斯和他的同事们利用在回旋加速器里形成的、能量为1600万伏特的高速氘核去轰击铋，把它转变为放射性同位素，同天然放射性产品镭E相同。这是一个很有兴趣的成果。同样质量为23的钠或钠盐被高速氘核所轰击，产生质量为24的放射性同位素。这种放射性的钠分裂时，发出一个β粒子，而形成质量为24的镁的稳定核，其半
