科学史(下)-第27章
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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，发现铀的辐射里有两部分，一部分不能贯穿比1/50 毫米更厚的
铝片，另一部分则能贯穿约半毫米的铝片，然后，强度就减少一半。前者，
卢瑟福叫做α射线，能产生最显著的电效应；而贯穿性较大的一部分叫β射
线，能通过不漏光的遮幕，而使照相底片变质。以后又发现第三种更富贯穿
性的辐射，称为γ射线，在贯穿一厘米厚的铅片之后，还能照相，并使验电
器放电。镭放射所有这三种射线比铀容易得多，与其一般活动性成比例，所
以研究这些辐射，也以用镭最为便利。
贯穿性中等的β射线，容易为磁铁所偏转，而柏克勒耳还发现它们也为
电场所偏转。柏克勒耳确凿地证明它们是射出的荷电质点。进一步的研究，
证明β射线在一切方面都象阴极射线，虽然其速度约为光速的60 至95％，
但比已经试验过的任何阴极射线的速度都大，所以β射线就是阴性的微粒或
电子。
强度足够使β射线产生相当大的偏转的磁场和电场，并不足以影响很容
易被吸收的α射线。虽然在1900 年前后，人们已经认为α射线很可能是荷阳
电的质点，其质量较组成阴性β射线的质点的质量大，但在若干时期以后，
才由实验证明它也能为磁场和电场所偏转，但其方向与β射线偏转的方向相
反而已。卢瑟福在1906 年对于α射线进行实验，求得其e/m5。1×103。电解
液中氢离子的e/m 为104。因为已有证据（见后）表明，α射线是氦的组成
物，由此可知α质点是荷有二倍于单阶离子的电荷的氦原子（原子量为4）。
它们的速度约为光速的1/10。
贯穿性最强的λ射线，不能为磁力或电力所偏转。它们与其他两种射线
不是同类的，而和х射线相似，由一种与光同性质的波所组成，其波长经康
普顿（A。H。 ptOn）、埃利斯（C。D。Ellis）与迈特纳（Fraulein Meitner）。。
等测量，远比光波为小。它们似乎也象某些х射线一样，含有发射体所特有
的各种单色成分。
①
E。Rutherford，Radio…activity，Cambridge，l904and 1905。J。Chadwick ，Radio…activity，London，l921。
1900 年，威廉·克鲁克斯爵士发现，如果以碳酸氨使铀自其溶液中沉淀，
而再溶其沉淀物于过量的试剂中，则所余留的为少量不溶的渣滓。这点渣滓
克鲁克斯称为铀…х，以照相法试验，异常活动，但再溶解的铀，则无照相效
应。柏克勒耳也得到相似的结果：他发现活动的渣滓如果搁置一年，则丧失
其活动性，而不活动的铀反恢复其固有的辐射性。
1902 年，卢瑟福与索迪发现钍也有相同的效应，即在为氨所沉淀时，钍
的活动性，即消失其一部分。滤液蒸干，则产生放射性极强的渣滓。但经过
一月，渣滓的活动性丧失，针则恢复其原有的活动性。这种活性的渣滓，钍
х，证明是另外一种化学物质，因为它只能为氨全部分开，别种试剂虽能使
钍沉淀，但不能使它与钍…х。。 分离。因此当时断定这些х化合物（未知的化
合物）当是另外的个体，不断地由母体发出，而渐渐丧失其活性。
1899 年，卢瑟福发现从钍发出的辐射变异无常，尤其易为吹过放射物质
表面的空气缓流所影响。他认为这种效应是由于有一种物质放射出的缘故，
这种物质的性质好象一种有暂时放射性的重气体。这就是当时所谓的“射
气”。这种射气必须与上述以高速度依直线进行的辐射明显分开。射气慢慢
地弥散到大气里去，好象挥发性液体的蒸气一般。它的作用象是直行辐射的
独立源泉，但随时间的进展，其活动性就变得衰弱起来。镭和锕发出相似的
射气，但铀和钋则否。镭射气和氖与氩相似，是一种惰性气体，现在叫做氡。
放射物质所发出的射气为量极小。1904 年，拉姆赛与索迪从几分克溴化
镭得到一个很小的射气泡。在一般情形下，其量之微，远不足以影响抽空器
内的压力；除利用其放射性侦察它之外，也不能用其他方法去侦察它。普通
所得到的，是它与大量空气的混合物，只能和空气同时从一器输入他器。
1899 年，居里夫妇发现如将一棒暴露在镭射气里，则棒自身也获得放射
性质。同年，卢瑟福于钍也得着相同的结果，而且进行了详细的研究。如果
将棒自盛有射气的器内取出，而塞入检验筒内，则此棒可使筒内的气体电离。
如将暴露于钍射气而得到放射性的铂丝，用硝酸洗涤，铂丝的放射性不受损
失。可是如果用硫酸或盐酸洗涤，其放射性就差不多全部丧失。将酸蒸干则
得含有放射性的渣滓。这些结果，表明铂丝的放射性是由于积有某种新的放
射物的缘故，这种放射物与各种化学试剂有其一定的反应。这种新的放射物
当是它由之形成的那种射气分裂的产物。
卢瑟福与索迪在1902 年研究了钍…х放射性的衰变率，而获得重要的发
现：即在每一段短时间内的变率与这段时间开始时的放射物的强度成比例。
铀…х也有类似的现象。其过程有如图12 所示。这与化合物按每个分子分解
为比较简单的物体时，在量上的减少遵循同一定律。但当两个或多个分子互
相反应引起化学变化时，两者的定律便不相同了（见245 页）。
1903 年，居里与拉波尔德（Laborde）注意到一个奇特的事实：镭的化
合物不断地发热。他们从实验的结果算出每克纯镭每小时可发热约100 卡。
以后的结果证明一克镭与其产物平衡时，每小时发热135 卡。这种热能的发
出率，不论将镭盐放在高温或液体空气的低温下，都不改变，甚至在液体氢
的温度下也不至减小。
卢瑟福认为热能的发射与放射性有关。丧失了射气的镭，如以电的方法
测量，其放射性的恢复与其发热本领的恢复保持同一速率，而其分离出来的
射气发热量的变化，也与其放射性的变化相应。放射物的电效应主要是由于
α射线。而其热效应也主要决定381 于α质点的发射。在上述的每小时135
卡中，只有5 卡来自β射线，6 卡来自γ辐时。α与β射线的热效应显然得
自射出质点的动能。
由于发现镭的化合物不断发热，人们进行了许多探索，力求解释这个好
像永不枯竭的能量的泉源，人们的注意力也集中于放射问题本身。
需要解释的事实可以总结为以下几点：（1）什么时候有放射性即有化学
变化出现，什么时候就有新体出现；（2〕这种化学变化是单质点的分离，而
不是化合；（3）放射性与放射元素（不论其是独立的或化合的）的质量成比
例，因此分离的质点不是分子而是原子；（4）其所放出的能量是已知的最猛
烈的化学反应的万千倍。
1903 年，卢瑟福与索迪根据他们对于射气与其遗留的放射物的实验结
果，提出一个学说来解释所有已知的事实。这个学说就是：放射性是基本原
子的爆炸分裂造成的。在数百万个原子中，这里和那里忽然有一个爆裂时，
射出一个α质点，或一个β质点和一个γ射线，所遗留下来的部分就成为另
一不同的原子。如果射出的是一个α质点，这个新原素的原子量将有所减少，
减少的数值是一个氦原子的原子量的四个单位。
现在把最初制订的镭族的系谱列表于下（根据最近的研究，这个系谱已
经有所不同）。这个系谱从铀开始，这是一个重元素，原子量为238，原子
序数为92，这个数字，以后还要说明，是原子外部的电子数。镭族系谱列如
下表：
原子序数原子量半衰期放射物
原子序数原子量半衰期放射物
铀I
↓
铀X1
↓
铀X2
↓
铀II
↓
锾
↓
镭
↓
镭射气
↓
镭A
↓
镭B
↓
镭C
↓
镭C’
↓
镭D
↓
镭E
↓
镭F （钋）
↓
铅
92
90
91
92
90
88
86
84
82
83
84
82
83
84
82
238
234
234
234
230
226
222
218
214
214
214
210
210
210
206
4。5 × 109 年
24。5 日
1。14 分
106 年
7。6 × 104 年
1600 年
3。82 日
3。05 分
26。8 分
19。7 分
10…6 秒
25 年
5 日
136 日
无放射性
α
β，γ
β，γ
α
α
α
α
α
β，γ
α，β，γ
α
β，γ
β，γ
α
铀原子放射一个α质点，即一个质量为4 而阳电荷为2 的氦原子后，所
遗下的是一个铀X1 原子，其原子量为238－4＝234，而原子序数为92－2＝
90。铀X1 所放射的仅仅是β与γ射线。β射线的质量很小。载有一个阴电荷，
所以，由铀X 变来的所谓铀X2，较铀X1 少一阴电荷，换言之即多一阳电荷，
因此其原子序数为91，其原子量实际没有什么变化，仍为234。铀X2 也只放
射β与γ射线，所以其子体铀H 的原子序数为92，而原子量仍为234。
这样照表中所示类推。在放出α射线时，产物的原子量减少4 单位，其
原子序数少2 单位。如果放出的是β射线，则重量几无改变，而其原子序数
则增加1 单位。
镭族的最后已知子体为铅，其原子量经理查兹（Richards）与赫尼格斯
密特（Honigschmit）测定为206，而普通铅的原子量为207。钍族的最后产
物也证明为铅，其原子量经索迪测定为208。阿斯顿还测定锕铅的原子量有
正常的数值207，在铀族里还有一种具有放射性的铅，以镭D 的身分出现，
其原子量为210。这四种铅具有相同的化学性质，因而可以认为是同位素。
原子学说，虽然由道尔顿的化学工作确立起来，但是百余年来一直不能
证明有单个原子存在；我们只能按成万成亿的数目对原子作统计式的处理。
而今，利用放射性，我们已经能够探索单个α质点的效应了。克鲁克斯将硫
化锌的荧光幕暴露在一个溴化镭小点之下，用放大镜观察到幕上的闪烁。这
是最初的办法，今天已经有其他的侦察方法了。
如果我们用比激发火花所必需的强度稍弱的电场对几毫米水银柱压力下
的气体施加作用，这种气体就进入非常灵敏的状态。一个α质点，因为速度
极大会因为与气体分子碰撞，而产生成千上万的离子。这些离子，受到强电
场的作用，也作急速的运动，通过碰撞而更产生其他离子。这样，一个α质
点的总效应就成倍地增加可以使灵敏静电计的指针在标尺上有20 毫米或更
大的偏转。卢瑟福用一个极薄的放射物质膜，使指针的转动减少到每分钟三、
四次，而数计所发射的α质点的数目，由此可以估算出镭的寿命。计算表明，
镭的质量在1600 年中减少一半。
另一方法是威尔逊发明的。当α质点射过为水蒸气所饱和的空气时，α
质点所产生的离子就形成水蒸气凝结的核心。因此空气中呈现雾的路径，代
表每个α质点的行程，而这些雾的路径，是可用照相方法去记录的。
卢瑟福关于放射性的研究，最后指明了物质嬗变的可能性——中世纪点
金术士的梦想。不过，一直要到后来，才发现了加速这些变化的人为方法，
特别是控制这些变化的人为方法。这些变化的发生完全决定于原子内部的偶
然情况，而变化发生的频率也符合熟悉的概率的定律。但在1919 年，卢瑟福
发现用α射线进行撞击时可以引起几种元素（如氮）的原子的变化。氮的原
子量为14，384 其原子为三个氦核（共重12）与两个氢核所组成。在受到α
质点撞击时，氦核就被击破，氮原子组成成分中的氢核就以高速射出。在这
里我们第一次看到用人力随意分裂原子（单向嬗变）的可能性，此后，这种
方法又有很大的扩大。可是破坏易而建设难：这不等于说我们能够用轻而简
单的原子造出重而复杂的原子。当时，有证据表明，复杂的放射性原子发放
出能量来，因此，人们起初以为物质的演化历程是单向的：即由复杂原子分
裂为简单原子与辐射能。但是以后的研究证明，虽然重原子分裂时发出能量，
而轻原子形成时也能发出能量（见后391，422 页）。
X 射线与原子序数
伦琴所发现的X 射线，既不象普通光那样折射，也找不到什么有规律的
反射与偏振的痕迹；但是，另一方向，x 射线也不象阴极射线或α及β质点
那样可以为磁场或电场所偏转。因此X 射线的性质一度成为大家讨论的问
题。到1912 年，劳厄（Laue）方提出一项意见，认为如果X 射线是波长很短
的以太波，则晶体中各原子有规则的排列就可以使X 射线发生衍射，正像刻
有许多平行线痕的平面可以当作光棚使用来使普通光衍射一样。劳厄求出其
繁复的数学理论，弗里德里希（Friedrich）与基平在实验中成功地证实了这
①
Sir WilliamandW。L。Bragg，X－Rays and Crystal Structure； London； 1915，5th ed。1925。G。W。 C。Kaye；X…
Rays；London；1914，4thed。1923。
种理论。于是人们才知道X 射线是比光波更短的电磁波，而这一发现，也就
开辟了一个研究晶体结构的新天地。最先探勘这个新天地的主要是威廉·布
拉格（William Bragg）和他的儿子劳伦斯（Lawrence）·布拉格。他们利
用岩盐（简单的正六面形晶体），用这种衍射现象证明，与岩盐天然晶面平
行的原子面间的距离为2。81×10…8厘米，而用阴极射线撞击钯靶时所发生的
特有的X 射线的波长为0。570×l0…8厘米，仅合钠光波长的万分之一。这样，
人们所知道的辐射的波长就包括了很大范围，从无线电通信的长波，一直到
X 射线和γ射线的短波，中间大约有60 个倍频程（每一个倍频程是频率增加
一倍的频率范围）①。其中可见光大约仅占一个倍频程。
威廉·布拉格爵士、莫斯利、C。G。达尔文和凯（Kaye）的工作证明，把
晶体当作光栅所产生的X 射线的衍射光谱，是由一定限度内一切波长的漫射
辐射混合组成的，并且包括作为“谱线”叠于光谱之上的某些更强烈的一定
频率的辐射。这些具有特征的线辐射是一种同利用可见光所得的线光谱相似
的衍射现象。随着这一现象的发现，牛津大学一位青年学者莫斯利在1913
和1914 年又有一个非常重要的发现②。他不久就死于欧战。这是物理科学界的一个莫大的损失。
莫斯利将阴极射线所撞击的靶，从一种金属换成另一种金属，并且以亚
铁氰化钾晶体作为光栅，对每一金属靶所生的X 射线的光谱加以考察，发现
光谱中具有特征的谱线的振荡频率，由于改换金属，而发生简单的改变。如
果以n 代表X 射线光谱中最强谱线每秒钟振荡次数，则按照周期表从一个元
素到下一个元素，n 的平方根增加的数目都是相等的。如果将n2（1） 乘一常数，
使这种有规则的增加成为单位，我们就得到一系列的原子序数。在这个序列
中，所有已经测量过的固体元素的原子序数，都排列得很有规律，从铝的13
到金的79。如果再把其他已知的元素填人，我们就发现，从氢的1 到铀的92，
中间只有两三个
