科学史(下)-第36部分
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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。但
从上述考夫曼测量的e/m，已可求得较精密的结果。自此以后关于微粒的电
荷与其e/m，接着又有新的测定，最著名的是米利根的测定。他在1910 年改
进威尔逊的云室法，又在1911 年测量了小油滴在被电离的空气中降落的速
度。当一油滴捉到一离子时，其速度便忽然改变。这样求得离子的电荷为
4。775 × l0…10静电单位。这说明这些微粒或电子的质量，为氢原子的1/1830
①
。从气体分子运动论可求得一个氢原子的质量约为1。66×l0…24克，所以一
个电子的质量约为9 ×10…28克。
这个伟大的发现终于解决了一个古希腊留下的问题：即不同的物质是否
有共同的基础的问题。同时也阐明了“带电”的意义。汤姆生当时发表其个
人的观点说：
我认为一个原子含有许多更小的个体；我把这些个体叫做微粒。这些微
粒彼此相等；其质量等于低压下气体中阴离子的质量，约为3 ×10…28克。在
正常原子中，这些微粒的集团，构成一个中性的电的体系。个别的微粒，行
为虽然好象阴性的离子，但聚集于中性的原子中时，其阴电效应便为某种东
西所抵消。此种东西使微粒散布的空间，好象有与这些微粒电荷之和相等的
阳电似的。气体的带电现象，我认为是由于气体原子的分裂，致使微粒脱离
某些原子。脱离出来的微粒，性质如阴性的离子，每个都荷有一恒量的阴电，
为简便计，我们名之为单位电荷。剩余的原子的另一部分，性质如一阳性的
离子，载有一单位的正电荷，还有比阴电子更大的质量。由此观之，带电现
象主要是由于原子的分裂，其中一部分质量被放出，而脱离了原来的原子①。
这些新发展与前不久的一种研究，颇有关联之处。按照麦克斯韦的理论，
光既然是一种电磁波系，那么光必定是由振荡的电体所发出的②。由于光谱是
元素所特有的而不是元素的化合物所特有的，所以这些振荡体（或称振子）
必为原子或原子的一部分。依照这种推理，洛仑兹（LorentZ）在汤姆生的发
现的前几年，创立了一种物质的电学说。这个学说预料，光谱的出现当受磁
场的影响，而这一预料已为塞曼（Zeeman）所证实。塞曼在1896 年发现光源
放在强磁场之内时，其所发钠光谱的谱线即行变宽。他后来又以更强的磁场
将单一谱线分成了两条或多条。根据测量这些线条之间的距离所得的资料，
按照洛仑兹的学说，可以算出振荡质点的电荷与其质量之比e/m 的新值。如
是求得此值的数量级为107电磁单位，根据更精密的测量算出，此数字为1。77
×l07，与根据观察阴极射线和他法所得的结果甚为符合。
洛仑兹利用斯托尼（J。Stoney）所定的名称“电子”来称呼这些振动的
带电质点，而塞曼效应的发现与测量证明，它们就是汤姆生的微粒。我们可
以把它们当做是孤立的阴电单位。拉摩（Larmor）以为电子既然有电能，就
必定有与质量相当的惯量。这样，洛仑兹的学说就成为物质的电子学说，而
且和由汤姆生发现而来的观点完全融合在一起。只不过汤姆生是用物质去解
释电，而洛仑兹却是用电来解释物质。
①
R。A。Millikan，TransAmericanElectrochemical Society，vol。XXL1912。〃〃P。185。又Townsend，上引书
p。244。）P492
①
Phil。Mag。Ser。5，vol。LXⅧ，1899，p。565。
② 见本书第六章243 页。
应该指出，当时还有一个默认的假设并没有为后来的研究所证实。这一
假设认为，原子中的微粒或电子是按照牛顿的动力学运动的，在最初的时候，
人们甚至把原子比做一个小型的太阳系，电子在其中的运动有如行星之绕太
阳。但在1930 年以前，我们明白这种行星轨道的概念，并不一定符合事实，
因而应该放弃。
接着人们便发现还可以用许多别的方法获得微粒或电子：例如高温下的
物质及受到紫外光作用的金属，都能发出电子。这些效应由勒纳德（Lenard）、
埃尔斯特（Elster）和盖特尔（Geitel）、理查森（O。W。 Richardson）、拉
登堡（Ladenburg）等人加以研究，此后这种热效应在无线电报与电话所用的
热离子管中就取得了重要的实用意义。
阳极射线或原子射线
由上所述，阴极射线是在真空管放电时，自阴极射出的。其对应的、自
阳极发出的阳射线，是戈尔茨坦在1886 年发现的。观察阳射线的方法是在阳
极对面的阴极上穿些小孔，这样在放电时，便有发光的射线经过这些孔，人
可以在阴极以外去观察它。维恩（Wien）和汤姆生在1898 年先后测量了这种
“极隧射线”的磁偏转与电偏转。其e/m 的数值表明这种阳射线是由质量与
普通原子或分子相近的阳性质点所组成的。
汤姆生在1910 年和1911 年把阳射线的研究推进了一步。他利用一个高
度抽空的大仪器，在阴极装上一个长而细的导管，这样便得到一个很细的射
线束，其位置可以在仪器内的照相底片上加以记录。妥善安排磁力与电力，
使二者所生的偏转互成直角。由于磁偏转与质点的速度成反比，而电偏转与
其速度的平方成反比，如果射线中有速度不同的同类质点，则照片上将呈现
抛物线形的曲线。但实际出现的曲线则视仪器中残存气体的性质而定。如气
体为氢，则基本曲线所给与的e/m 为104或m/e 为10…4，与液体电解质中氢
离子的数值相等。第二条曲线所给出的值为前者的两倍，即表明有一种氢分
子，其质量二倍于负有一个单位的电荷的氢原子的质量。其他元素给出多条
抛物线组成的复杂体系。每个元素的m/e 与氢原子的m/e 之比，汤姆生称之
为“电原子量”。
汤姆生考察氖元素（原子量为20。2）时，发现两条曲线，一条表示原子
量为20，另一条表示原子量为22。这说明，普通制备的氖气可能是两种化学
性相同而原子量不同的元素的混合物。某些放射现象也说明有这种元素，并
且可以给予解释，索迪（Soddy）把它们叫做“同位素”。
汤姆生的实验由阿斯顿（Aston， 1877—1945 年）加以继续和发展①。
他用改进的仪器，求得各元素的有规律的“质谱”。这样就证实氖有同位素。
氯的原子量为什么是35。46，也是化学家长久所不了解的，至此也证明氯是
原子量为35 与37 的两种氯原子的混合物了。阿斯顿于他种元素也得到相似
的结果。如果将氧的原子量定为16，则其他所有已经测验过的元素的原子
量，都非常接近整数，差别最大的是氢的原子量，它不是1，而是1。008。这
些原子量所以与整数有微小差别，是由于原子核中阴阳二单位体密积在一起
的缘故。这个问题还要在后面详细讨论。
①
F。W。Aston，lsolopes， London，l922，1924，1942。
这样，阿斯顿就澄清了另一老问题。纽兰兹与门得列耶夫的工作，证明
各元素不同的性质与其原子量的陆续增加有某种关系，因而不可避免他说明
原子量自身应当形成一个简单顺增的序列。普劳特关于各元素的原子量都是
氢原子量的倍数的假说，至此证明接近真实。至于其中的稀微差异，在现代
原子论中，既可予以解释，也饶有趣味。
放射性
在柏克勒耳对于铀的放射性质进行了创始的观察以后，跟着便发现铀的
射线亦如х射线，能使空气和他种气体产生导电性。钍的化合物也经人发现
有类似的性质。1900 年，居里（Curie）夫妇进行了有系统的研究，在各种
元素与其化合物以及天然物中寻找这种效应。他们发现沥青铀矿与其他几种
含铀的矿物，比铀元素本身更为活跃。他们采用化学方法，即按其放射性分
离了沥青铀矿的成分。于是三种很活跃的物质，即镭、钋与锕的盐就由几位
学者分离出来。其中最活跃的是镭，是居里夫妇与贝蒙特（Bemont）合作而
发现的。沥青铀矿中镭的含量极微，许多吨的矿，经过漫长而繁重的工作，
仅能分离出一克的极小分数的镭盐。
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�
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