科学史(下)-第33章
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7Li 的核。这样产生的8Be 不稳定，立即分裂为两个快速的α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 捅获一个氘核之后，
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α粒子，但具有比质子进入7Li 而产生的α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（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＋3H＋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。根据爱因斯但的理论，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3×1010），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，其半衰期为15 小时。因此劳伦斯得到强的放
射钠的源，可以作为镭的代用品，用于医疗工作。
查德威克与戈德哈伯（Goldhaber）使用γ射线将氘核2D 分裂为质子与
中子。齐拉德（Szilard）将质量为9 的铍（9Be）分裂为8Be 与一个中子。
这一方法能否发展，取决于能否取得高能强γ射线。
在这一时期里得到250 多种新的放射性物质。这些不稳定的同位素可能
存在于太阳上，也可能存在于刚从太阳分出的地球上，但是随着地球变冷，
它们便消失了，只留下衰变期很长的铀和钍了。
这些人工变化里，有些能量变化甚至比天然放射性分裂中的能量变化还
要大。例如21，000 伏特的氘核可以使一个锂原子变化，而发出2250 万伏特
的能量。因此可以赢得大量的能量，初看起来好象可以在这里得到原子能的
无限源泉。可是在一亿（108）个氘核中大约只有一个可以发挥作用，所以出
入相抵，我们所要供给的能量超过所获得的能量。而且就中子而论，中子自
身只能用效率极低的方法获得。在1937 年，的确，看起来好象用人工改变的
方法从原子中获得有用能量，并没有多大希望。在这一点上，我们应当记得，
在应用科学的历史上，以前希望没有这样大的前景，都曾经使得宗教界的先
知们惊恐万状过。事实上，1939 年哈恩（Hahn）和迈特纳（Meitner）就发
现当铀原子被中子撞击时，它的核分裂为两个主要成分，各占其质量的一半
左右，而且出现二、三或四个中子。乍一看来，这好象就是我们要寻找的垒
集过程，但事实上只有一种铀的轻的同位素（其原子量为235 而不是238）
可以分解到有用的程度，可是只有微量的存在。首先发现质量为235 的铀的
是登普斯特，明尼苏达的尼尔（Nier）和纽约哥伦比亚的布思（Booth），邓
宁（Dunning）与格罗斯（Grosse）旋即研究了它的分解①。同样的过程也发
生于钍。那时许多实验室异常努力地从事这些同位素的分离。虽然困难很大，
但是由于战争的刺激，很快就把这个工作推向高潮。起初轻的铀235 须从戌
分很大的U238 分出，或用小孔弥散法，或用阿斯顿的质谱仪法。分量少时，
由于中子的逃逸，不能引起连锁反应，因而这物质是稳定而无害的。可是如
果将无害的两块物质放在一起，而超过一定的份量，分解就逐渐垒集起来，
并引起巨大的爆炸。
化学反应是由原子外围的电子的变化引起的，这种爆炸却是由于原子核
的破裂所致，自然是一件可怕得多的事情。一磅铀所发出的核能等于很多吨
煤燃烧时产生的热能量。
原子量为238 的铀可用以捕获中等能量的中子，而发射出电子。这个过
程形成一种以前未知的元素，被命名为钚（Pu）。
为了和平的目的，可能需要用“缓和剂”来吸收一些在核反应中释放出
来的中子，借以控制而且减缓核反应。有些轻的原子，如石墨形态的碳，及
前面说过的重水里氢的同位素，都可用作缓和剂。铀238 可以插入缓和剂的
“堆”中，所释放出来的热能可以用来发电。
在1939—45 的战争期间，美英两国的物理学家、化学家与工程师，群策
群力，共同合作，在制造原子弹方面和德国人展开了生死攸关的竞赛，并且
在这一竞赛中取得了胜利。庞大而复杂的原子工厂在美国一个空旷地区建立
起来，1945 年投在日本的两颗原子弹结束了战争。留给各国政治家的工作便
是控制核能的使用，以期使它为人类造福而不是造祸。我们面前摆着可怕的
危险，也许核能的成力会使各国恐惧，从而迫使各国走上和平的道路。战争
的消除当是科学的最大胜利。
同时原子研究的和平应用，已经为戴尔爵士等人所开始了。一个最显著
的例子便是所谓“示踪元素”的使用。靠观测这类元素的性质，可以查明它
①
Aston，MassSpectraandIsotopes，London，1942；TheAtomic Bomb；Stationary Office； 1945。
们存在与运动的踪迹，其中最好的也许是某些放射物质。现今已有数量多得
多的同位素作为原子堆的副产物，供人使用，因此在近年内示踪元素的应用
发展异常迅速。放射原子可以混合在有机物内，作为动物的饲料，这样食物
在体年的运动，可以用盖格一弥勒计数器①去追踪它。我们可以不夸大他说，
放射性示踪元素为生物物理学与生物化学打开了一个完全新颖的领域，且给
予医疗界一个新的诊断法。
还有，放射物质的大量生产已经使放射治疗变得更容易、更便宜了，例
如用以毁灭癌性组织。
还可以把示踪剂混在肥料里，靠估计农作物内的放射性，来测量肥料在
农业生产上的效果。总之，示踪元素用途之广，差不多可以说是无限的。
物理理论的新发展，通常总是使人们要找到描述现象的数学方程式，比
从物理学上加以解释，要容易。例如海森堡与薛定谔的量子力学，通过解决
简单的例子建立起普遍的数学公式，后来才提出一些物理学的解释，例如状
态的叠加和测不准原理，也导致了425 一种满意的非相对论的量子论。
要使量子论成为相对论性的，狄拉克也觉得解决数学方面的问题很容
易，可是在解释上却有困难。他的解释最好用初始的与过渡的机遇来表示②。
这样，物理学如往常一样，仍然停留在概率演算的领域。
爱丁顿在我们所期待的物理学的新综合方面，取得一些进展。由于他把
物理常数，如质子与电子的质量以及它们的电荷等等的理论数值与观测的数
值加以比较，而得到很显著的符合，他成功地把万有引力、电力和量子论联
系起来①。关于现代物理学这方面的问题，可参看弗伦克尔（J。Frenkel）的
一篇综合叙述②。
化学
化学变化的动力学，在现代是一个不断研究的主题。阿累利乌斯首先提
出：在一定量的物质里，只有一定数目的分子参与化学变化，而且这数目是
随温度而增加的。这一理论现在看来是可疑的。现在人们以为这些分子，是
由于“碰撞”④，才变得运动迅速，从而起活化作用⑤，就是在单分子的反应
中也是如此。
氨与硝酸盐是农业肥料所需要的，硝酸盐也是制造开矿用的炸药和军用
炸药所必需的。有一个时期，大家害怕（特别是克鲁克斯）智利的硝酸盐矿
用完后，化学肥料会变得不足，世界小麦的供应也会变得不足。我们看见只
有在战争时期才发生过这个现象。在正常和平时期是没有这个现象的。植物
育种者已经培养出小麦的变种，可以适应北方的寒冷区域，因而扩大了种植
① 在盖格…弥勒计数器里，有一细丝沿一圆柱导体伸出。在丝与柱之间有1000 伏特的电位差，使观测者得
探查出一个电子的进入器内。
②
RoyalSociety，BakerianLecture；1941。
①
Proc。 Physical Sociefy；LIV， 1942，p。491。
②
Nature， Sept。30 andOct。7，1944。
③ Alexander Findlay； AHundred Years of Chemistry；London，1937。A。J。Berry，ModernChemistry，Cambridge；
1946。
④
C。N。Hinshelwood，The Kinetics of ChemicalChangeinGaseous Systems。
⑤
F。A。 Lindemann（LordCherwell），FaradaySoc。l922。
面积，化学家也用合成方法制出了氨与硝酸盐。
卡文迪什曾将电火花在空气里通过，而得到酸。一百年后挪威的伯克兰
（Birkeland）与艾德（Eyde）把这一方法加以大规模的发展。奈恩斯特
（Nernst）与约斯特（Jost），继后，哈伯（Haber）与勒·罗西诺尔（LeRossigno1）研究了氨、氮和氢在各种温度与压力下的平衡，并且利用各种催
化剂的帮助，于1905 年前后研究出一种实验室方法，从空气制成了氨，而且
到1912 年，哈伯的方法已经在工业和军事的用途上取得了成就，这是由于在
1914—1918 年的战争期间受了德国需要硝酸盐的巨大刺激的缘故。这个方法
就是使氮与氢在200 或更高的大气压与500℃的温度下，在一种催化剂上面
流动。再使氨与硫酸或硫酸钙起作用，而变成了硫酸氨，或将加热的氨和空
气一道通过象铂绒那样的催化剂，使氨变成硝酸氨。
一百多年前开始研究的一些催化剂，现在对于化学的动力理论与许多化
学工业，起了很重要的作用。催化剂很久以来就用于象哈伯法那样的反应中，
近年来应用得更广。将氢气通过混有镍屑的热油液，油便氢化，而变成一种
熔点较高更可口的脂肪。在高压下使氢气通过碳粉与煤焦油混合的热糊剂，
并用一种适当的催化剂，可使其氢化，生成物经过蒸馏，便成为汽车用的轻
油、中油和重油。催化剂用途的例子，多至难以一一列举①。
莫斯利的元素表中的缺空，现在已经差不多填满了。1925 年，W。和I。
诺达克（Nodack）使用X 射线分析，发现了43 和75 号元素，而命名为锝与
铼。1926 年B。S。 霍普金斯（Hopkins）宣布他发现了61 号元素鉯（ H 即钷
Pm）。这或许还没有得到完全的证实。周期表上的倒数第二个缺空——一个
元素属砹类名砹（At）——于1940 年由加利福尼亚大学的科森（Corson）、
麦肯齐（Mackenzie）与西格雷（Segre）发现。他们在回旋加速器里，用a
质点寺击铋而发现这个元素②。
卢瑟福一玻尔的原子理论，经过修改以后，使我们对于化学结构有了一
个电子的概念。电子可以占据的轨道或能级，由主量子数n＝1，2，3 等等规
定，这也表示壳层里的电子的数目。这些能级上可以存在的最多的电子数是
由下列级数（里德堡级数）给出：2×12。2×22，2×33 等，外层最多的电子
数是8。一满了8 这个数，便特别稳定；这种情况发生在除氦以外的一切情
气中；在n＝1 时，氦有两个核外电子，而氢只有一个。到了钠，开始形成量
子数为3 的另一个新的电子壳层，到了氩而满额。氩的电子结构是2，8，8。
这一理论给原子价的学说提供了物理学的根据。化合可以看做是电子从
一个原子迁移到另一个原子去。原子价代表一个原子必须获得或放弃的电子
数。这个原子必须获得或放弃这么多的电子，才能形成一个电子结构同最邻
近的情气一样的体系，或者说形成具有8 个电子壳层的体系。化合也可以由
于两原子共用一些电子而发生；这种原子价叫做共价。牛津的西奇威克
（N。V。Sidgwick）对这一原子价理论阐释得特别详细。
如果两个原子的轨道共用两个电子，它们便是靠所谓共价键结合起来
的。如果两个电子不是均等地共有，则一个原子具有多余的阳电，另一个具
有多余的阴电。这个分子将具有极性，并且具有偶极矩，这等于一个电荷同
① Rideal and Taylor， Catalysis in TheoryandPrcctice，London；1926。CarletonEllis； The Hydrogenafion of Oils；
London（U。S。A。Pr。）， 1931。
②
另一元素名钫（Fr），于1939 年为珀里（Perry）女士所发现。——译注
两电荷之间的距离的乘积。这些极矩可以根据介电常数（电容率）或不均匀
磁场里磁束的偏折度估算出来。雷德（Wrede）、德拜，还有西奇威克与包温，
都对偶极矩进行过研究，以此作为探索化学结构的指针。单质分子如H2、O2
没有偶极矩，因此是均等地共有电子，但是HCI 有一极矩，为1。03×10…18
静电单位，原子间的距离是1。28 埃；其他化合物也是这样的。
波动力学在化学上也如在物理学上有其重要性，特别表现在共振原理
上。共振的发生是由于一个分子由一电子结构跑到另一电子结构中，并且表
现出两者的某些性质。
原子发射出线状光谱，但从分子可以得到带状光谱，其分子的组态也可
以测定出来。一束单色光经过透明物体时发生散射，由此而形成各种频率的
辐射——散射介质的特征（斯梅卡耳…拉曼效应）。哈特利（W。N。Hartley）
等人新近证明，结构相似的化合物在紫外区有相似的吸收光谱。他们还从分
子结构的观点，研究了红外吸收光谱。
劳厄首先提出用X 射线考察晶体结构，先后有弗里德里希与基平，布拉
格父子（384 页）加以研究。这种研究表明，氯化钠的立方晶体由钠离子组
成。每个钠离子为六个氯离子所包围，相同地每个氯离子也为六个钠离子所
包围。金刚石里每个碳原子部处在四面体的中心，而与角上的四个碳原子互
相束缚。这种紧密的结构说明金刚石的硬性。用X 射线对二苯基晶体的分析
表明，它具有六个碳原子组成的环形结构，和凯库勒由苯与其衍生物的化学
现象推断的一样。新近罗伯森（J。M。Robertson）等人将傅立叶级数的方法应
用于茶与蒽①，以测定许多化合物组成原子的排列方向和化学键的性质。X 射
线也被用于考察合金、无机与有机化合物，都有成就。
对于晶体结构的分析，不但可以利用X 射线进行，也可利用电子衍射进
行，因为以上讲过，运动的电子挟带有波列，而可表现干涉现象等等。由电
子衍射和X 射线所得的结果是相合的。德拜使用X 射线研究晶体粉末，后
