科学史(下)-第35部分
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可见的神力的直接的领悟）的联系，另一方面也帮助我们更好地了解到原始
信仰与比较进步的神学的联系。
第十章物理学的新时代
新物理学——阴极射线与电子——阳极射线或原子射线——放射性——
х射线与原子序数——量子论——原子结构——玻尔学说——量子力学——
相对论——相对论与万有引力——物理学近况——核型原子——化学
新物理学
十九世纪最后十年以前，物理科学一直循着第六章所叙述的发展路线前
进。当时以为物理学的主要框架已经一劳永逸地构成了。以后需要做的一点
点工作就只是把物理常数的测量弄得再准确一些（小数点后面的数字再推进
一位），并把看起来往往很快就能解决的光以太结构的研究工作再推进一步。
二十世纪的前三十年，这一牛顿的体系渗人新的物理学学说中。在解释实验
的结果时，起初这一体系唯一无二的学说，后来使和其他学说并用。慢慢地
才发现还需要一些全新的概念。
新物理学可以说是从1895 年慕尼黑伦琴（Wilhelm KonradRontgen，。。
1845—1923 年）教授发现х射线时开始的。在这以前，已经有很多人对气体
中的放电进行实验，特别是法拉第、希托夫、盖斯勒（Geissler）、戈尔茨
坦（Goldstein）、克鲁克斯等人和后来的J。 J。汤姆生（1856—1940 年），
即剑桥大学三一学院的主任教授约瑟夫·汤姆生爵士。但是只有持具远见的
人才觉得这些实验重要，而最先引起物理学家注意这些实验的，便是伦琴的
工作。
伟大发现之出于偶然，常较一般人所想象的为少。不过伦琴找到х射线
的踪迹却是偶然的，这件事的确迟早要发生，但仍然是偶然的。伦琴发现紧
密封存的底片虽丝毫不暴露在光线下，如果放在高度真空的放电管附近，仍
然会变灰黑而至毁坏。这说明放电管内发出某种能穿透底片封套的光线。
伦琴发现，一个涂有磷光质，如铂氰酸钾的幕屏放在这种放电管附近时，
即发亮光；金属的厚片放在管与磷光屏中间时，即投射阴影，而轻的物质，
如铝片或木片，平时不透光，在这种射线内投射的阴影却几乎看不见。所吸
收的射线的数量似乎大致和吸收体的厚度与密度成正比。真空管内的气体愈
少，则射线的贯穿性愈高。具有相当“硬度”的射线，可使肌肉内的骨骼在
磷光片或照片上投下阴影。因此，在有了适当的技术之后，这一事实对于外
科医术，就具有无上的价值。
从纯粹科学的观点来看，继х射线之后，J。J。 汤姆生等人又有一个更重
要的发现①：当这些射线通过气体时，它们就使气体变成导电体。在这个研究
范围内，液体电解质的离子说已经指明液体中的导电现象有类似的机制。液
体电解质的离子说是由法拉第创立的，后来主要由科尔劳施、范特一霍夫和
阿累利乌斯②加以发展。现在这个气体的离子说证明是更加成功。
在х射线通过气体以后，再加以切断，气体的导电性仍然可以维持一会
儿，然后就渐渐消失了。汤姆生与卢瑟福又发现：当由于х射线射入而变成
导体的气体，通过玻璃绵或两个电性相反的带电板之间时，其导电性就消失
①
一般叙述可参看作者所著：The RecentDevelopment of Physical Science 一书前后数版（1904—1924）。
①
剑桥大学哲学会，见UniversityReporter，1896 年2 月4 日。
② 见第六章，247—251 页。
了。这说明气体之所以能导电是由于含有荷电的质点，这些荷电的质点一与
玻璃绵或带电板之一相接触，就放出电荷。卢瑟福又发现：在导电的气体内，
电流的强弱起初和电动势成正比；但如果电动势继续增高，则电流的增加渐
渐变慢，最后达到一个最大的饱和数值。从这些实验可以明白，虽然离子是
液体电解质中平常而永久的构造的一部分，但在气体中，只有х射线或其他
电离剂施作用时才会产生离子。如果听其自然，离子就会渐渐重新结合而至
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�
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