世界现代后期科技史-第2章
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于对“静止以太”存在的研究，或者更确切地说是源于对经典物理学内在矛
盾的研究；而量子力学则主要源于新的实验事实、新的物理发现与现存理论
的矛盾，描述黑体辐射能量密度分布的公式与实验结果不符导致“能量子”
假说的诞生；电子、X射线及放射性等微观领域的一些重要发现，与人们固
有的原子理论相悖，促使人们对原子结构作深入的探究。两个似乎不相干的
领域中展开的物理学革命，最终诞生了与相对论并驾齐驱的另一理论体系—
—量子力学，一种反映微观粒子结构及其运动规律的科学理论。随着量子理
论的建立和发展，原子结构理论成为它的一个分支，而最终得到了明确、透
彻的理论阐述。
1．物理学的几项重要发现
早在19世纪初，就有人对原子不可分的千古定论提出过挑战，但直到
19世纪末，物理学的几项重大发现才揭开原子内部之谜，并进一步引导人们
去探索原子的内部结构，并揭开微观物理学革命的序幕。
（1）电子的发现
电子的发现是科学家们对“阴极射线”长期探究的结果。早在1836年，
法拉第 （1791—1867）就注意到低压气体中的放电现象，并预言这种放电现
象将给以后的电学研究带来很大影响。
1855年，德国的玻璃技工盖斯勒（1815—1879）利用托里拆利真空原理
制成了简易的水银真空泵——盖斯勒泵，并制成了低压气体放电管——盖斯
勒管，为人们进一步研究低压气体中的放电现象及其本质创造了条件。1857
年，普吕克尔（1801—1868）利用改进了的盖斯勒管和盖斯勒泵研究气体放
电效应时发现，当管中的气压足够低并在封入管内的两极间加上高电压时，
就有一束射线从管中的阴极发生，在对面的管壁上留下了绿色的荧光。之后
的实验证明，这种射线能被磁场偏转，而且是直线传播的。
德国物理学家戈尔茨坦 （1850—1930）于1876年证实了普吕尔发现的
现象，并把这种射线称为“阴极射线”。德国的物理学家赫兹（1857—1894）
等认为，阴极射线是一种电磁辐射现象。
1879年，英国物理学家克鲁克斯（1832—1919）亲自改进了真空泵，提
高了放电管的真空度，制成“克鲁克斯管”。实验发现，阴极射线能推动放
入管中的云母风车转动，克鲁克斯认为，阴极射线实际上是一种高速带电的
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粒子流。
1892年，人们发现，阴级射线能够穿透金属片而发生漫射现象。德国物
理学家勒纳德 （1862—1974）于1894年设计制作了一种带有小窗的新型盖
斯勒管，小窗是用很薄的铝箔做成的，阴极射线可以通过小窗漫射。他研究
了从小窗飞出的射线（也称勒纳德射线）的性质，证明了阴极射线漫射的说
法，还发现其能使照相底片感光的作用。勒纳德的实验被看作是以太振动说
的证据。
“阴极射线”是“粒子流”还是“电磁辐射”？两种观点在一段时间里
相持不下。英国物理学家、剑桥著名的卡文迪许实验室的负责人J．J．汤姆
逊 （1856—1940）从1881年就开始研究阴极射线，他赞成“粒子流”的观
点。1894年，汤姆逊用实验测得阴极射线速度要比光速小得多，进一步确信，
阴极射线不是一种电磁辐射。1897年，他通过对勒纳德实验的分析认为，这
个实验恰恰证明了：阴极射线是粒子流，而且组成射线的粒子比原子小。之
后，他用实验证实了佩兰 （1870—1942）于1895年得出的关于“组成阴极
射线的粒子是带负电荷”的结论。
为了进一步搞清这种粒子的本质，汤姆逊于这一年对这种粒子的荷质比
（e/m）即粒子所带电荷e和质量m的比值，进行了一系列的测量。他分别
利用了热学的方法和电、磁场偏转法。利用电、磁场偏转法时，他重新设计
了真空管，对管中由阴极发出的射线分别施加磁场和电场的作用，通过对粒
子在电场、磁场中偏转情况的测定，计算出粒子的荷质比。实验中他还发现，
粒子的荷质比并不因为电极材料和管内气体的改变而有所变化，因此证明，
不同物质发出的阴极射线粒子是相同的。和在电解过程中测定的氢离子的荷
质比相比，阴极射线中粒子的荷质比要大得多，说明新粒子和氢原子比，要
么电荷量很大，要么质量很小，或两者兼是。但由电磁场可使阴极射线强烈
致偏来分析，新粒子的质量应比氢离子小得多。汤姆逊最后采用了英国物理
学家斯通尼（1826—1911）于1891年提出的说法，称阴极射线粒子为“电
子”。
1883年，爱迪生（1847—1931）在研究白炽灯时发现，灯泡中与灯丝相
对的金属片的表面会发出淡蓝色的亮光，即炽热的灯丝有带电粒子发出，这
种现象称为爱迪生效应。汤姆逊研究了爱迪生效应，测量了由炽热灯丝发出
的带电粒子的荷质比，发现其数值与阴极射线粒子的数值相同。
1896年，塞曼（1865—1943）和洛伦兹（1853—1928）根据洛伦兹的电
子论，对“塞曼效应”作了进一步的理论分析，并计算出电子的荷质比值，
与汤姆逊的实验测定是基本一致的。因此可以说，到1897年，电子的存在
得到了确证，汤姆逊因此获得1906年诺贝尔物理奖。
但是，电子的电荷和质量仍有待进一步确定。汤姆逊的学生汤森（1868
—1957）、汤姆逊本人以及威尔逊（1869—1959）分别对电子的电荷进行了
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测定。1898年，汤姆逊测得电子的电荷值e为3。3×10静电单位。
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美国物理学家密立根（1868—1953）分析了前人测定电子电荷实验存在
的问题，提出克服误差的若干措施，设计了著名的“密立根油滴实验”。从
1906年至1917年，他多次改进实验，以提高精度，最后测得的电子电荷值
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为4。774（±0。005）×10静电单位。 （目前的精确值是4。083×10静
电单位。）
密立根的油滴实验，是让带电小油滴在两个水平放置相距一定距离的金
属平板间上下运动，板间有空气。首先观察测定小油滴在重力作用下，自上
而下运动的速度。然后，在两板间加上恒定电场，小油滴将在重力和电场力
的合力的作用下徐徐上升，可再测得油滴上升的速度。利用测得的两种速
度、油滴与板间空气的粘滞系数以及油滴荷电数、空气密度和重力加速度等
可以计算出电子电荷e的值。密立根还证明了，电子的电荷值e是电荷的最
基本单位，其他所有带电物质的电量都是e的正整数倍或负整数倍。因此，
测得了电子电荷精确值的密立根精巧实验，还有另一重要意义，即给出了物
理学一个十分重要的物理常数。
电子是人类认识的第一个基本粒子，是原子的构成要素，电子的发现动
摇了原子不可分的经典结论，引导人们进一步去探索原子内部结构的奥秘。
（2）伦琴发现X射线——短波段的一种电磁波
1879年，英国物理学家克鲁克斯在研究阴极射线的实验时还发现，放在
放电管附近的照相底片上有被感光的迹象。但是他以为是底片的质量有问题
而未加探究，失去了发现X射线的机会。
1895年，德国物理学家伦琴（1845—1923）在研究阴极射线时偶然发现，
放在高真空放电管附近的照相底片被感光了，而且底片是用黑纸严密包着
的。伦琴当时是德国维尔茨堡大学的校长，更是一位有见识、严谨诚实的实
验家。他认为这一现象说明，放电管内发射出了某种能穿透底片包装纸的射
线。伦琴进一步的实验发现，即使把放电管用黑纸包起来，这种射线也能使
放在装置附近的涂有亚铂氰化钡的屏发生荧光，即使将屏放到离装置两米远
处，也能观察到这种荧光。伦琴确信，这种新奇现象无法用已发现的阴极射
线来解释，因为实验已经证明，阴极射线在空气中只能传播数厘米。
伦琴选用了多种物品，如2至3厘米厚的木板，几厘米厚的硬橡胶，15
厘米厚的铝片等，将它们逐一放在放电管和荧光屏之间进行实验，几乎所有
的物质都能被这种射线穿透。因此，伦琴认为，这种新射线的显著特征是具
有极强的贯穿能力。更令伦琴感到新奇的是，如果把手放在放电装置和屏之
间，那么，在淡淡的手的轮廓中可以看到透明度较差的骨骼的影象，即骨骼
处的影象较黑。伦琴的实验还表明，和阴极射线不同，这种射线在磁场中不
产生偏转。因此，他断定，这种由阴极射线引起的、在放电装置的玻璃管壁
上发生的射线和阴极射线是性质完全不同的射线。伦琴感到，这种射线的本
质和产生的原因，仍然是个谜，因此他用数学中常用来表示未知数的字母X，
命名他发现的这种新射线为X射线。后人也称这种射线为伦琴射线。
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1895年12月28日，伦琴向德国维尔茨堡物理学与医学学会递交了题为
《一种新的射线——初步报告》的论文。X射线的发现很快轰动了科学界。
阴极射线发现后，由于工业的需要，其研究受到重视，一般的实验室都配备
有阴极射线管，因此，当时世界上每个有名望的物理学家，每个有条件的实
验室几乎都进行了验证X射线的实验。这种射线在医学上有非常重要的应用
价值，更引起人们极大的关注和兴趣，并引发了一大批与之相关的专利。
伦琴因发现X射线获得1901年的诺贝尔物理学奖，诺贝尔资金是1901
年开始颁发的，因此，伦琴是第一位获得诺贝尔奖的科学家。这位今后人起
敬的科学家，把得到的诺贝尔奖金捐赠给了维尔茨堡大学，并拒绝了有关专
利权。
错过了发现X射线机会的，不仅有克鲁克斯，还有美国的古德斯比德和
德国的勒纳德。古德斯比德曾意外地得到过X射线的照片，但他以为是阴极
射线产生的效应；勒纳德也在伦琴之前发现了X射线的感光效应，但也没有
抓住这一重要事实的本质和意义。
X射线的发现得到世界公认后，有的人企图贬低和抹杀伦琴的功绩。但
是，柏林科学院在致伦琴的贺词中给予了公正的评价：“科学史告诉我们，
在每一项科学发现中，功劳和幸运独特地结合在一起；在这种情况下，许多
外行人也许认为幸运是主要的因素。但是，了解您的创造个性特点的人将会
懂得，正是您，以摆脱了一切成见的、完善的实验艺术和最高的科学诚意及
注意力结合起来的研究者，应当得到作出这一伟大发现的幸福。”
X射线的发现促使许多国家的科学家对这种射线的本质及其产生的原因
开展进一步的研究。
1912年，德国物理学家劳厄（1879—1960）利用有规则间隔的原子的晶
体作为天然的光栅，研究X射线的衍射现象，并最终得到X射线的衍射图，
证明X射线是一种波长很短的电磁波，其波长在0。1埃到0。5埃之间。与此
同时，他还证明了晶体的原子点阵结构。劳厄因此获得1914年诺贝尔物理
奖。
同年，英国物理学家布拉格父子（W。H。 Bragg，1862—1942；W。L。Bregg，
1890—1971）研究出计算X射线波长的新方法。
X射线是发自原子内部的一种高频电磁波的本质得到确定，但是，这种
高频电磁波的产生机制，直到量子力学建立之后，才获得了解释。
X射线的发现导致一系列划时代的重大发现和新的技术学科的诞生。首
先，它直接导致放射性的发现，接着又导致X射线光谱学、放射化学、放射
医学等技术学科的产生，在后来的医学、工业、晶体结构分析方面有着广泛
的应用。X射线的发现在现代科学发展史中占重要的地位。
（3）放射性的发现
X射线是伦琴在进行阴极射线研究时发现的。而产生X射线时，放电装
置的玻璃管壁同时发出荧光，因此，人们曾一度误以为荧光是X射线的来源。
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1896年初，彭加勒（1854—1912）在法国科学院会议上展示了伦琴寄给
他的关于X射线的论文和照片，并提出，被日光照射而能发荧光的物质也应
发出一种不可见的、有穿透能力的、类似X射线的辐射。
法国科学家贝克勒尔（1852—1908）的父辈在荧光物质研究方面颇有成
就，他对彭加勒的观点产生很大兴趣，并很快就着手进行有关的实验。他用
一种能发出荧光的铀盐——硫酸钾铀酰作实验材料，把它放在用黑纸包严的
照相底片上面，然后一起放到阳光下照射数小时。之后，黑纸包中的底片果
然感光了，贝克勒尔认为，太阳照射使铀盐发出荧光，伴随着荧光现象确实
发出了射线使底片感光，而且这种射线可能就是X射线。
但不久以后，贝克勒尔准备用铀盐再进行一次实验时，意外的结果却推
翻了他的设想。这次实验恰好遇上连日阴雨，他只好把用黑纸包好的铀盐和
照相底片放在一起，搁于室内。数天以后，他却发现照相底片已强烈地感光
了，上面留下铀盐包的像。贝克勒尔一开始认为，这一现象是因为荧光物质
发出射线的期限比这种物质发出荧光的期限长的缘故。又经过反复的实验，
贝克勒尔发现，他实验研究用的所有铀盐，不论是否发荧光，都能自发地产
生一种射线，而且，这种射线不仅能使底片感光，还能使气体电离。贝克勒
尔这才悟出：铀盐发出的神秘射线与荧光现象并没有关系。后来，他用纯铀
粉作实验，也得到同样的结果。在1896年5月18日提交的报告中，他指出，
所有研究过的铀盐，不论是发荧光的还是部分荧光的，结晶的、熔融的或是
在溶液中的，都具有相同的性质，因此可以得出以下的结论：在这些盐类中，
铀的存在是比其他成分更重要的因素。
铀盐发出的射线曾被称作贝克勒尔射线，后来被命名为α射线，它向人
们揭示了一种天然的放射现象。
贝克勒尔对铀射线的性质又作了一些研究之后，认为对这种射线已了解
得比较透彻了，便离开了这一课题。他没有再研究其他物质是否也具有这种
自发放出射线的性质，也没有对铀射线的本质再作深入的探讨。
然而，贝克勒尔的研究工作却引起另外两位科学家的兴趣。他们是居里
夫妇——波兰物理学家玛丽·居里（1867—1934）和法国实验
