世界现代后期科技史-第3章
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夫妇——波兰物理学家玛丽·居里（1867—1934）和法国实验物理学家皮埃
尔·居里（1859—1906）。正是他们把物质的这种自动发射出射线的性质称
为“放射性”。
居里夫人原名玛丽·斯科罗朵夫斯卡，1867年11月7日出生于波兰一
个中学教师的家庭，1891年到法国巴黎，在艰苦的生活条件中勤奋求学。她
曾两次荣获诺贝尔奖，是科技史上最杰出的女科学家之一。
1898年，居里夫人首先研究了贝克勒尔关于铀射线的报告，并重复了铀
的放射性实验。经过努力的探索，她认识到铀盐的这种放射本领是铀原子的
特性。她决定探索别的元素是否也有这种天然的放射性质。于是，她检查了
所有的化合物，不久便发现，钍的化合物也能自动发出与铀射线相似的射
线，而且强度也差不多。之后，她的检查范围由盐类和氧化物等简单化合物，
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扩大到对矿石特别是沥青铀矿和辉铜矿等。她发现，这些矿石中的放射性，
比根据铀或钍的含量计算出来的要强得多，经过反复验证后，她确信，矿石
中一定含有一种比铀的放射性还要强的元素。
居里夫人的研究太重要了。皮埃尔·居里决定暂时停止他在晶体方面的
研究，和妻子共同探索这种元素的存在。他知道，要从成吨成吨的沥青铀矿
中，浓缩分离出放射性元素，需要付出非常艰苦繁重的劳动。夫妇俩废寝忘
食，昼夜不停地开始寻找新元素的工作。他们原以为，新的放射性元素在矿
石中的含量约百分之一，后来才知道，这种矿石的最富矿含新元素也不到百
万分之一，也就是说，成吨的沥青铀矿中仅含有一克这种新物质。
1898年7月，他们终于克服种种困难，分析出了这种类似铋的物质，其
放射性比铀强400倍。7月18日，居里夫妇把新的发现报告给法国科学院。
他们命名这种新的放射性元素为钋 （Polonium），以纪念居里夫人的祖国波
兰。居里夫人自幼热爱祖国，到法国求学并与皮埃尔·居里结婚后便定居法
国，但她时时刻刻怀念着被沙皇俄国侵占的祖国。她用自己的科学成就为祖
国赢得了荣誉。
接着，居里夫妇经过几个月的不懈努力，从沥青铀矿所含的各种元素中
又分析出一种新的放射性元素——镭（Radium），其拉丁语原意就是“放射”。
1898年12月，他们宣布发现镭的消息，再次轰动物理学界。镭、钋等新的
放射性元素的发现动摇了当时流行的物理学、化学的经典概念，有的人便对
新元素持怀疑态度，而且当时尚未测出镭的原子量。为了证实镭的客观存
在，他们决心提炼出纯的含镭物质，并测定出镭的原子量。为此，居里夫妇
用了三年时间，进行了极其艰苦劳累的工作，终于从沥青铀矿中提炼出了0。1
克纯氯化镭，并初步测得镭的原子量为225。他们分析了镭的光谱，确定了
镭的放射性强度是铀的200多万倍，发现这种物质烧灼皮肤，可摧毁带病的
人体细胞。镭、钋等放射性元素的相继发现是对科学的重大贡献。1903年，
居里夫妇和贝克勒尔同获诺贝尔奖。
继镭之后，又陆续发现了一些新的放射性元素，促使人们对放射性的本
质作更深入的研究。当时在加拿大工作的英国物理学家卢瑟福 （1871—
1937），从1899年起就开始研究这一方面的问题。卢瑟福出生于新西兰一
个手工业工人家庭。1895年，大学毕业后，在英国剑桥著名的卡文迪许实验
室实习。当时领导这个实验室的是卓越的物理学家J．J．汤姆逊，后由他推
荐，卢瑟福于1898年到加拿大麦基尔大学任物理学教授。1907年，被聘为
英国曼彻斯特大学教授，1918年，接任了卡文迪许实验室负责人的工作。卢
瑟福是实验大师，同时又非常注重科学理论，是理论与实践结合并卓有成效
的科学家。
卢瑟福在研究新的放射性元素发出的射线时发现，射线由两种不同的部
分构成，一种贯穿本领小，另一种贯穿本领大而且能被磁场偏转。这两部分
射线后来被命名为α射线和β射线，构成射线的粒子分别被称为α粒子和β
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粒子。
1899年至1900年，有三个重要实验分别证明了β射线是高速运动的电
子，其荷质比与阴极射线粒子的荷质比有相同的数量级。
关于α射线的本性，人们探索了多年，直到1909年，根据光谱分析才
确认其为带正电的二价氦离子。
1900年4月30日，法国化学家维拉德（1860—1934）宣布，他在放射
性元素发出的射线中发现了另外一种贯穿本领极强但不被磁场偏转的射线
——γ射线。1914年，卢瑟福根据晶体对γ射线的衍射实验，证明了γ射线
是一种电磁波辐射。
卢瑟福根据大量放射性现象，大胆提出了“放射性衰变”的理论，在总
结镭和铀的放射性衰变规律的基础上，提出了放射性物质衰变过程所遵守的
指数定律。他的研究工作得到了英国青年化学家索迪（1877—1956）的合作。
他们认为，放射性现象是原子自行衰变的过程，在这种过程中，一种元素的
原子可以转变为另一种元素的原子，同时释放出α射线、β射线及γ射线。
1913至1914年间，索迪的研究证明，一切放射性元素都要变成稳定的元素
铅，进一步为放射性理论提供了可靠的证据。
人们还发现，镭不仅能自发地产生辐射，而且还自发地释放出热量。卢
瑟福和索迪的研究指出，这些能量是来自原子内部的，其之巨大，是化学能
所无法比拟的。
放射性现象的发现和放射性理论的产生对传统观念和经典物理学的某
些定律产生了巨大的冲击。放射性元素自发放出热量冲击着经典热力学定
律；放射性元素可以自发辐射并转变成另一种元素，冲击着元素永恒不变、
一种元素不可能变成另一种元素的传统观念。
电子的发现告诉人们，原子中还包含着更小的物质微粒；X射线虽然是
电磁波，但它似乎也只能发自原子内部，这些已经向旧的原子观发出挑战，
而放射性现象的发现及放射性理论的建立，更是严重动摇了“原子是物质的
不可分的基石”的观念。劳厄在其著作《物理学史》中指出，几乎没有任何
东西象放射性那样对原子概念的变化有那么大的贡献。物理学的这些重大发
现打开了微观世界的大门，揭开了经典物理学向微观领域的现代物理学迈进
的序幕。
（4）光电效应现象的发现
法拉第 （1791—1867）在他的《关于光线振动的思想》一文中，指出了
电磁波存在的可能性；而麦克斯韦（1831—1879）则通过他的数学，光辉地
预言了电磁波的存在。
1886年，赫兹开始利用实验验证麦克斯韦电磁波的存在。他的实验利用
了一个与感应线圈连接的未闭合电路（初级电路）产生电振荡，再用另一个
简单的未闭合线圈作为探测器。于是，在黑暗中观察到了探测器气隙中微弱
的电火花，从而证实了电磁波的存在。
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实验中，赫兹偶然发现，当把探测器线圈暴露在初级电路气隙的电火花
中时，探测器气隙中的次级电火花将会增强。
为了解释这种现象，他在初级和次级电火花之间，更换了几十种物质进
行实验。经过一年多的反复工作，最后作出结论，认为这是紫外光效应，即
初级电路的电火花发出的紫外光，照射到探测器装置所引起的一种现象。这
种现象就是后来的所谓“光电效应”现象。
约10年后，科学家发现了电子，人们认识到，赫兹在验证电磁波的实
验中发现的光电效应现象，实际上是紫外光照射到探测器的金属表面，使电
子大量逸出，从而增强了次级的电火花。在光电效应中逸出物体表面的电
子，则被称为“光电子”。
赫兹之后，物理学家们对光电效应现象又进行了许多研究，例如，俄国
物理学家斯托列托夫从1888年到1900年，用精确的实验方法研究了光电效
应；德国物理学家勒纳德于1902年，也进行了这一方面的研究。
人们发现，在光的辐照下，金属或其化合物中的电子若获得足够能量，
便能越过表面，从物体内逸出，并总结出了这种光电效应现象的一系列实验
规律：
①对每一种金属材料，都存在一个确定的临界频率v，若入射光的频率
0
v低于这一频率，则光强度再大，也不可能有光电子逸出。频率v是金属的
0
特性。
②光电子的动能有一定的分布，其最大值为：
E=h（v…）
m 0
式中的h，是普朗克（1858—1947）常数。
③单位时间单位面积上逸出的光电子数，与入射光的强度成正比。
④光电效应是瞬时发生的，光辐照与发射出光电子之间的时间延迟在毫
微秒数量级，即使光的强度很弱，也是如此。
光电效应现象的这些实验规律，是无法用经典物理理论来解释的。因
为，按照麦克斯韦经典电磁理论，光波的能量分散在波阵面上，金属中的电
子要积累能量需要一定的时间，即不可能在毫微秒的瞬间产生光电效应；另
外，光波的能量只与光的强度（振幅）有关，一定强度的光照射一定时间后，
电子应该总能获得足够的能量，逸出物体表面；而且，按照光的波动理论，
光电子的能量应该随着光的强度的增加而增加，而与光的频率无关。
总之，光电效应给经典物理带来了又一道难题。直到1905年，爱因斯
坦 （1879—1955）提出光量子假说后，这一现象才得到令人信服的解释。
世纪之交科学上的这些重大发现，是许多眼光敏锐、善于观察的科学家
勤奋、严谨工作的成果，当然，也包含着不少失之交臂者的深深遗憾。新的
实验事实、新的物理发现与已有理论的矛盾，呼唤着新的理论、新的思想的
诞生。虽然新的理论的突破口，产生于一个似乎与这些发现不相干的问题—
—“黑体辐射”问题的研究，但是，这些重大发现在新理论诞生、发展的征
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途上起到了十分重要的作用。
2．早期量子论
从普朗克因克服“紫外灾难”，提出“能量子”假说，到玻尔（1885—
1962）修改卢瑟福的原子结构太阳系模型，提出关于原子结构的量子化轨道
理论，是量子理论的早期发展阶段，这一段的有关理论被称为旧量子论。
（1）“紫外灾难”和黑体辐射问题
1859年，德国物理学家、光谱发明者基尔霍夫（1824—1887）从热力学
的平衡条件出发，得到了著名的基尔霍夫定律，即物体发射本领与吸收本领
的比值，是一种仅与温度和频率有关，而与物体材料无关的普适函数。
1860年，基尔霍夫提出绝对黑体的概念：一个物体能全部吸收投射在它
上面的辐射而全无反射，那么，这个物体就称为绝对黑体。
1879年，德国物理学家斯特潘（1835—1893）经过实验得出黑体辐射总
能量与其温度之间的关系，即黑体辐射能量密度的积分，与它的绝对温度T
的四次方成正比。
1884年，奥地利物理学家玻尔兹曼（1844—1906）根据热力学定律导出
了斯特潘的实验公式，从理论上给予了解释。这个公式后来便被称为斯特潘
—玻尔兹曼公式。即：
4
E=σT
式中，σ为“斯特潘—玻尔兹曼”常数。
1895年，德国物理学家维恩（1864—1928）从理论上分析了，通过对一
个带小孔的辐射空腔的研究来代替对绝对黑体的研究的可行性。1896年，他
根据热力学并结合经验数据，推算出一个描述黑体能量密度分布的公式，即
维恩公式：
v
…A
3 T
ρ（
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的危机。
（2）普朗克的“能量子”假说
德国著名物理学家普朗克自1874年10月进入慕尼黑大学后，很快被物
理学所吸引，他没有听从老师约里的劝告，仍然决心献身于理论物理学研
究。1897年，他把注意力转向黑体辐射问题。1900年，他尝试用内插法建
立一个与实验结果相符的普遍的辐射公式，使其在低频区与瑞利—金斯公式
相符，在高频区与维恩公式相符。1900年10月19日，在德国物理学会的会
议上，普朗克在《维恩的辐射定律的改进》论文中公布了自己的新辐射公式，
即普朗克公式：
8
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从根本上改变了人们关于能量的概念的“能量子”假说与物理学中早已
习惯的思维方式相去甚远，与一般人的常识也不相容。物理学界当时对此假
说反应冷淡，人们接受普朗克的黑体辐射公式，但不接受量子观点。
普朗克本人接受过经典物理学的严格教育，并为其做出过很大贡献。他
的“量子”假说是大胆的革命性的，但也因迫于实验事实而不得不迈出这一
步。他本人为这种违背经典物理学的量子论也感到困惑不安，他认为，经典
理论给了人们许多有用的东西，因此，必须以最大的谨慎对待它，维护它。
因此，普朗克在提出“量子”概念后，又花了相当长的时间，试图将这种概
念纳入经典理论中。1911年，在《论量子发射的解说》一文中，他企图取消
能量吸收过程的量子特性而代之以连续的过程。1914年，在《量子解说的另
一种表述法》一文中，他把发射过程的量子特性也取消了。但是，就在普朗
克徘徊动摇的这一段时间里，量子论又有了新的突破性进展。
（3）爱因斯坦的“光量子”理论
1905年春，爱因斯坦写出了三篇重要的论文。其中两篇是关于布朗运动
和狭义相对论的。在三篇论文的第一篇论文《关于光的产生和转化的一个启
发性的观点》中，爱因斯坦大胆地推进、发展了普朗克的“能量子”假说，
提出“光量子”假说。
论文的开头，他便指出：“在物理学家关于气体或其他有重物体所形成
的理论观念同麦克斯韦关于所谓空虚空间中的电磁过程的理论之间，有着深
刻的形式上的分歧。”很明显，爱因斯坦是为了消除分立的质点与连续的场
之间的形式上的分歧，而提
