科学史(下)-第26章
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消失。玻璃绵的表面很大，可以吸收离子或帮助离子重新结合。如果外加的
电动势相当高，便可以使离子一产生出来就马上跑到电极上去，因而电动势
再增高，电流也不能再加大。
伦琴的发现还开创了另一研究领域——放射现象的领域。х射线既然能
对磷光质发生显著的效应，人们自然要问：这种磷光质或他种天然物体，是
否也可以产生类似х射线那样的射线呢？在这一研究中首先获得成功的是亨
利·柏克勒耳（Henri Becquerel）。他在1896 年2 月发现，钾铀的硫酸复
盐发出的射线，可以穿透黑纸或其他不透光的物质，对照相底版发生影响，
后来他发现铀本身与其所有化合物都有同样的作用。
次年，1897 年，是以超原子微粒（即远比任何元素的原子更轻的质点）
伟大发现著称的一年。物理学的新时代从此开始了。
阴极射线与电子
当一只装有铂电极的玻璃管，经抽气机逐渐抽空时，管内的放电在性质
上就经历多次变化，最后就在玻璃管壁上或管内其他固体上产生磷光效应。
然后，这些物体就成为х射线的来源。1869 年，希托夫证明放在阴极与玻璃
壁间的障碍物，可以在玻璃壁上投射阴影。1876 年，戈尔茨坦证实希托夫的
结果，而创造“阴极射线”一词，他以为这种射线是和普通光线同一性质的
以太波。另一方面，伐利（Varley）和克鲁克斯提出证据——例如，这些射
线在磁场中发生偏转——说明它们是由阴极射出的荷电质点，因撞击而产生
磷光。1890 年，舒斯特（Schuster）观察了它们在磁场中的偏转度，测量了
这些假想质点的电荷与其质量的比率，而估计这一比率为液体中氢离子的比
值的500 倍左右②。他假定这些质点的大小与原子一样，推得气体离子的电荷
远较液体离子为大。1892 年赫兹发现阴极射线能贯穿薄的金片或铝片。这一
发现，似乎与组成射线的质点为普通原子流或分子流的想法颇难调和。1895
年，贝兰证明：这些质点偏转到绝缘的导电体上时，就把它们所有的负电荷
给与导电体。在1897 年，质点的速度及其电荷e 与质量m 的比值，为几个物
理学家测定之后③，它们的性质的问题就得到了解决。一月间，维歇特
（Wiechert）证明几种射线的速度约为光速的十分之
一；而其e/m 则等于电解液中氢离子的比值的2000 至4000 倍。他按电
①
J。J。Thomson，Conduction of ElectricitythroughGases，（Cambridge， l903andl906。J。S。E。Townsend，
ElectricityinGases，Oxford，1915。
②
一个运动的带电质点相当于一股电流，因而可为磁铁所偏转（见218 页），如果加上强度为H 的磁场，
则质点所受的机械力为Hev。这个力的作用方向与磁场和质点运动的方向在每一瞬刻都成直角。这正是产
生圆运动所需要的条件（见152 页），因而这Hev 即表向心力mv2/r，故。在实验中，质点只走圆圈的一
段，其离开直线行径的偏转为Sm=l2/2r=l2He/2vm。
③ 要知这些研究的历史，可看Townsend 所著的书453 及以后数页。
容器的振荡周期测量速度，而按磁场中的偏转测量e/m。七月间考夫曼
（Kaufmann）发表他的实验报告：他从电极间的电位差与磁场中的偏转，求
得质点的能量。同时J。J。汤姆生将这些射线导入绝缘的圆柱，测量其电荷，
并观测其给予温差电偶的热量，而求得其动能。最后他于十月间发现在高度
真空下，阴极射线不但能为磁场所偏转，也能为电场所偏转，他因而测量了
这两种偏转度①。
图11 表明汤姆生用来进行上述有历史意义的实验的仪器。一支高度抽空
的玻璃管装着两个金属电极：阴极C 和开有小缝的阳极A。从C 发出的阴极
射线的一部分，穿过小缝后，再为第二个小缝B 所削细。这样得到的小束射
线，经过绝缘片D 与E 之间，射在玻璃管他端的荧光幕或照相底片上。如将
绝缘片连于高电压电他的两极，则其间产生电场。整个仪器放在一强力的电
磁体两极中间，使得射线也受到磁场的作用。
假定阴极射线是荷有负电的质点的急流，由简单计算可以看出，射线的
电场偏转度，亦如其磁场偏转度，是依质点的速度V 及其电荷与质量之比e/m
而改变的①。所以通过测量电场与磁场的偏转度，便可求得 v 与e/m 的数值。
汤姆生求得质点的速度在光速的十分之一左右，而略有变化，但其e/m
则不管气体的压力与性质及电极的性质如何，均无改变。在液体电解质中，
以氢离子的e/m 为最大，约为10，000 或104②。汤姆生求得气体离子的e/m
为7。7× l06，换言之，即为液体中氢离子的e/m的770倍，而考夫曼在1897
年12 月所求得的更精密的数值为1。77 × l07。这些结果也许表明，在气体
内的阴极射线的质点中，不是象舒斯特所预料的那样，电荷比在氢原子中大
得多，就是质量小得多。汤姆生暂时假定这些质点比原子小，他以牛顿所常
用的微粒那个名词去称呼它们，并且说它们是我们寻求多年的各种元素的共
同成分。但是当时还没有明确的证据可以证明这些微粒所负的电荷，不比电
解质中单价离子所负的更大，因而也无法计算其质量。所以电荷的疑案就成
了急待研究的下一个问题了。
1898 和1899 年，汤姆生测量了х射线在气体中所造成的离子的电荷。
他利用威尔逊（C。T。R。Wilson）在1897 年所发现的方法，即离子和尘埃一样，
可以成为潮湿空气中蒸汽凝成雾滴的核心。从这些雾滴在空气阻力下降落的
速度，可以计算出雾滴的大小。从凝结的水的体积，可以求得雾滴的数目，
再从已知电动势所产生的电流，可以求得电荷的总量。不久以后，汤森
（Townsend）测量了离子渗入气体的扩散速度，而由此计算出离子的电荷。
到了1899 年，汤姆生用云室法与磁场偏转法，测量了相同一种质点（以紫外
光射在锌片上所产生的质点）的电荷e 和e/m。所有测量结果都证明：在实
验误差限度以内，气体质点的电荷与液体单价离子的电荷相符合。事实上，
在米利根（Millikan）新近的实验结果中，这两个数字相差不及四千分之一。
由此可见，并非微粒的电荷比液体中氢离子的电荷更大，而是其质量更
①
Phil。Mag。vol。XLIV，1897，P。 293。
① 设一强度为f 的均强电场，垂直地施于质量为m，电荷为e 的质点的运动方向上，则质点所得的加速度a
为fe/m，而在电场方向的位移为。在时间t 内该质点以其原有的速度v 进行的距离l＝vt。因此t2=l2/v2，
而在与垂直于原来运动方向上的位移为Se=fel2/2mv2
② 见第六章，217 页。
小。这些微粒是原子的一部分，无论元素的性质如何，均为其原子共有的成
分。从汤姆生最初的实验来看，每一微粒的质量似约为氢原子的1/770。但
从上述考夫曼测量的e/m，已可求得较精密的结果。自此以后关于微粒的电
荷与其e/m，接着又有新的测定，最著名的是米利根的测定。他在1910 年改
进威尔逊的云室法，又在1911 年测量了小油滴在被电离的空气中降落的速
度。当一油滴捉到一离子时，其速度便忽然改变。这样求得离子的电荷为
4。775 × l0…10静电单位。这说明这些微粒或电子的质量，为氢原子的1/1830
①
。从气体分子运动论可求得一个氢原子的质量约为1。66×l0…24克，所以一
个电子的质量约为9 ×10…28克。
这个伟大的发现终于解决了一个古希腊留下的问题：即不同的物质是否
有共同的基础的问题。同时也阐明了“带电”的意义。汤姆生当时发表其个
人的观点说：
我认为一个原子含有许多更小的个体；我把这些个体叫做微粒。这些微
粒彼此相等；其质量等于低压下气体中阴离子的质量，约为3 ×10…28克。在
正常原子中，这些微粒的集团，构成一个中性的电的体系。个别的微粒，行
为虽然好象阴性的离子，但聚集于中性的原子中时，其阴电效应便为某种东
西所抵消。此种东西使微粒散布的空间，好象有与这些微粒电荷之和相等的
阳电似的。气体的带电现象，我认为是由于气体原子的分裂，致使微粒脱离
某些原子。脱离出来的微粒，性质如阴性的离子，每个都荷有一恒量的阴电，
为简便计，我们名之为单位电荷。剩余的原子的另一部分，性质如一阳性的
离子，载有一单位的正电荷，还有比阴电子更大的质量。由此观之，带电现
象主要是由于原子的分裂，其中一部分质量被放出，而脱离了原来的原子①。
这些新发展与前不久的一种研究，颇有关联之处。按照麦克斯韦的理论，
光既然是一种电磁波系，那么光必定是由振荡的电体所发出的②。由于光谱是
元素所特有的而不是元素的化合物所特有的，所以这些振荡体（或称振子）
必为原子或原子的一部分。依照这种推理，洛仑兹（LorentZ）在汤姆生的发
现的前几年，创立了一种物质的电学说。这个学说预料，光谱的出现当受磁
场的影响，而这一预料已为塞曼（Zeeman）所证实。塞曼在1896 年发现光源
放在强磁场之内时，其所发钠光谱的谱线即行变宽。他后来又以更强的磁场
将单一谱线分成了两条或多条。根据测量这些线条之间的距离所得的资料，
按照洛仑兹的学说，可以算出振荡质点的电荷与其质量之比e/m 的新值。如
是求得此值的数量级为107电磁单位，根据更精密的测量算出，此数字为1。77
×l07，与根据观察阴极射线和他法所得的结果甚为符合。
洛仑兹利用斯托尼（J。Stoney）所定的名称“电子”来称呼这些振动的
带电质点，而塞曼效应的发现与测量证明，它们就是汤姆生的微粒。我们可
以把它们当做是孤立的阴电单位。拉摩（Larmor）以为电子既然有电能，就
必定有与质量相当的惯量。这样，洛仑兹的学说就成为物质的电子学说，而
且和由汤姆生发现而来的观点完全融合在一起。只不过汤姆生是用物质去解
释电，而洛仑兹却是用电来解释物质。
①
R。A。Millikan，TransAmericanElectrochemical Society，vol。XXL1912。〃〃P。185。又Townsend，上引书
p。244。）P492
①
Phil。Mag。Ser。5，vol。LXⅧ，1899，p。565。
② 见本书第六章243 页。
应该指出，当时还有一个默认的假设并没有为后来的研究所证实。这一
假设认为，原子中的微粒或电子是按照牛顿的动力学运动的，在最初的时候，
人们甚至把原子比做一个小型的太阳系，电子在其中的运动有如行星之绕太
阳。但在1930 年以前，我们明白这种行星轨道的概念，并不一定符合事实，
因而应该放弃。
接着人们便发现还可以用许多别的方法获得微粒或电子：例如高温下的
物质及受到紫外光作用的金属，都能发出电子。这些效应由勒纳德（Lenard）、
埃尔斯特（Elster）和盖特尔（Geitel）、理查森（O。W。 Richardson）、拉
登堡（Ladenburg）等人加以研究，此后这种热效应在无线电报与电话所用的
热离子管中就取得了重要的实用意义。
阳极射线或原子射线
由上所述，阴极射线是在真空管放电时，自阴极射出的。其对应的、自
阳极发出的阳射线，是戈尔茨坦在1886 年发现的。观察阳射线的方法是在阳
极对面的阴极上穿些小孔，这样在放电时，便有发光的射线经过这些孔，人
可以在阴极以外去观察它。维恩（Wien）和汤姆生在1898 年先后测量了这种
“极隧射线”的磁偏转与电偏转。其e/m 的数值表明这种阳射线是由质量与
普通原子或分子相近的阳性质点所组成的。
汤姆生在1910 年和1911 年把阳射线的研究推进了一步。他利用一个高
度抽空的大仪器，在阴极装上一个长而细的导管，这样便得到一个很细的射
线束，其位置可以在仪器内的照相底片上加以记录。妥善安排磁力与电力，
使二者所生的偏转互成直角。由于磁偏转与质点的速度成反比，而电偏转与
其速度的平方成反比，如果射线中有速度不同的同类质点，则照片上将呈现
抛物线形的曲线。但实际出现的曲线则视仪器中残存气体的性质而定。如气
体为氢，则基本曲线所给与的e/m 为104或m/e 为10…4，与液体电解质中氢
离子的数值相等。第二条曲线所给出的值为前者的两倍，即表明有一种氢分
子，其质量二倍于负有一个单位的电荷的氢原子的质量。其他元素给出多条
抛物线组成的复杂体系。每个元素的m/e 与氢原子的m/e 之比，汤姆生称之
为“电原子量”。
汤姆生考察氖元素（原子量为20。2）时，发现两条曲线，一条表示原子
量为20，另一条表示原子量为22。这说明，普通制备的氖气可能是两种化学
性相同而原子量不同的元素的混合物。某些放射现象也说明有这种元素，并
且可以给予解释，索迪（Soddy）把它们叫做“同位素”。
汤姆生的实验由阿斯顿（Aston， 1877—1945 年）加以继续和发展①。
他用改进的仪器，求得各元素的有规律的“质谱”。这样就证实氖有同位素。
氯的原子量为什么是35。46，也是化学家长久所不了解的，至此也证明氯是
原子量为35 与37 的两种氯原子的混合物了。阿斯顿于他种元素也得到相似
的结果。如果将氧的原子量定为16，则其他所有已经测验过的元素的原子
量，都非常接近整数，差别最大的是氢的原子量，它不是1，而是1。008。这
些原子量所以与整数有微小差别，是由于原子核中阴阳二单位体密积在一起
的缘故。这个问题还要在后面详细讨论。
①
F。W。Aston，lsolopes， London，l922，1924，1942。
这样，阿斯顿就澄清了另一老问题。纽兰兹与门得列耶夫的工作，证明
各元素不同的性质与其原子量的陆续增加有某种关系，因而不可避免他说明
原子量自身应当形成一个简单顺增的序列。普劳特关于各元素的原子量都是
氢原子量的倍数的假说，至此证明接近真实。至于其中的稀微差异，在现代
原子论中，既可予以解释，也饶有趣味。
放射性
在柏克勒耳对于铀的放射性质进行了创始的观察以后，跟着便发现铀的
射线亦如х射线，能使空气和他种气体产生导电性。钍的化合物也经人发现
有类似的性质。1900 年，居里（Curie）夫妇进行了有系统的研究，在各种
元素与其化合物以及天然物中寻找这种效应。他们发现沥青铀矿与其他几种
含铀的矿物，比铀元素本身更为活跃。他们采用化学方法，即按其放射性分
离了沥青铀矿的成分。于是三种很活跃的物质，即镭、钋与锕的盐就由几位
学者分离出来。其中最活跃的是镭，是居里夫妇与贝蒙特（Bemont）合作而
发现的。沥青铀矿中镭的含量极微，许多吨的矿，经过漫长而繁重的工作，
仅能分离出一克的极小分数的镭盐。
1899 年，蒙特利尔（Montreal）的卢瑟福教授，即以后的剑桥大学教授
卢瑟福爵士，
