科学史(下)-第38部分

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X　射线和γ射线的短波，中间大约有60　个倍频程（每一个倍频程是频率增加
一倍的频率范围）①。其中可见光大约仅占一个倍频程。

威廉·布拉格爵士、莫斯利、C。G。达尔文和凯（Kaye）的工作证明，把
晶体当作光栅所产生的X　射线的衍射光谱，是由一定限度内一切波长的漫射
辐射混合组成的，并且包括作为“谱线”叠于光谱之上的某些更强烈的一定
频率的辐射。这些具有特征的线辐射是一种同利用可见光所得的线光谱相似
的衍射现象。随着这一现象的发现，牛津大学一位青年学者莫斯利在1913
和1914　年又有一个非常重要的发现②。他不久就死于欧战。这是物理科学界的一个莫大的损失。

莫斯利将阴极射线所撞击的靶，从一种金属换成另一种金属，并且以亚
铁氰化钾晶体作为光栅，对每一金属靶所生的X　射线的光谱加以考察，发现
光谱中具有特征的谱线的振荡频率，由于改换金属，而发生简单的改变。如
果以n　代表X　射线光谱中最强谱线每秒钟振荡次数，则按照周期表从一个元

素到下一个元素，n　的平方根增加的数目都是相等的。如果将n2（1）　乘一常数，
使这种有规则的增加成为单位，我们就得到一系列的原子序数。在这个序列
中，所有已经测量过的固体元素的原子序数，都排列得很有规律，从铝的13
到金的79。如果再把其他已知的元素填人，我们就发现，从氢的1　到铀的92，
中间只有两三个空位代表尚未发现的元素。这几个元素后来也发现了（见426
页）①。

①　60　个倍频程，即60　翻或260　个频率倍数的范围。——译注
②　
Phil。Mag。　1913，　1914；Ser。6；vol。　XXⅥ；pp。210，1024，and　vol。　XXⅥ，p。703。

①　表内所列原子量采用1969　年国际原子量，以碳12　等于12　为基准，表中黑体字表示后来发现的元素或后
来查明的原子量。──译注

元素表

原子序数元素符号原子量原子序数元素符号原子量
1　氢H　1。0080　14　硅Si　28。086　
2　氦He　4。00260　15　磷P　30。9738　
3　锂Li　6。941　16　硫S　32。06　
4　铍Be　9。01218　17　氯Cl　35。453　
5　硼B　10。81　18　氩A　39。948　
6　碳C　12。011　19　钾K　39。102　
7　氮N　14。00067　20　钙Ca　40。08　
8　氧O　15。994　21　钪Sc　44。9559　
9　氟F　18。9984　22　钛Ti　47。90　
10　氖Ne　20。179　23　钒V　50。9414　
11　钠Na　22。9898　24　铬Cr　51。996　
12　镁Mg　24。305　25　锰Mn　54。9380　
13　铝Al　26。9815　26　铁Fe　55。847　


续表

原子序数元素符号原子量原子序数元素符号原子量
27　钴Co　58。9332　60　钕Nd　144。24　
28　镍Ni　58。71　61　钷Pm　145　
29　铜Cu　63。546　62　钐Sm　150。4　
30　锌Zn　65。37　63　铕Eu　151。96　
31　镓Gs　69。72　64　钆Gd　157。25　
32　锗Ge　72。59　65　铽Tb　158。9254　
33　砷As　74。9216　66　镝Dy　162。50　
34　硒Se　78。96　67　钬Ho　164。9303　
35　溴Br　79。904　68　铒Er　167。26　
36　氪Kr　83。80　69　铥Tm　168。9342　
37　铷Rb　85。4678　70　镱Yb　173。04　
38　锶Sr　87。62　71　镥Lu　174。97　
39　钇Y　88。9059　72　铪Hf　178。49　
40　锆Zr　91。22　73　钽Ta　180。9479　
41　铌Nb　92。9064　74　钨W　183。85　
42　钼Mo　95。94　75　铼Re　186。2　
43　锝Tc　98。9062　76　锇Os　190。2　
44　钉Ru　101。07　77　铱Ir　192。22　
45　铑Rh　102。9055　78　铂Pt　195。09　
46　钯Pd　106。4　79　金Au　196。9665　
47　银Ag　107。868　80　汞Hg　200。59　
48　镉Cd　112。40　81　铊Tl　204。37　
49　铟In　114。82　82　铅Pb　207。2　
50　锡Sn　118。69　83　铋Bi　208。9806　
51　锑Sb　121。75　84　钋Po　209　
52　碲Te　127。60　85　砹At　210　
53　碘I　126。9045　86　氡Rn　222　
54　氙Xe　131。30　87　钫Fr　223　
55　铯Cs　132。9055　88　镭Ra　226。0254　
56　钡Ba　137。34　89　锕Ac　227　
57　镧La　138。9055　90　钍Th　232。0381　
58　铈Ce　140。12　91　镤Pa　231。0359　
59　镨Pr　140。9077　92　铀U　238。029　

量子论

1923　年康普顿发现，当X　射线为物质所散射时，波的频率变小。他用辐

射的光子单元理论，来解释这个效应。这种光子单元可以和物质或电荷的电

子与质子相比。电子在原子轨道中运动自然不免发放辐射能量。按照牛顿动

①
要知概要，见J。H。Jeans；　ReportOnRadiationandtheQuantumTheory；　2nded。　London；　1924。


力学，这个效应将使其轨道缩小，从而使其转动周期变短，使其发射的频率
增高。在这个过程的所有阶段中，都会有原子存在，所以在一切光谱里都应
该可以发现一切频率的辐射，而不是我们在许多元素的线状光谱中所看到的
少数确定不变的频率的辐射。

就是在白炽固体的连续光谱内，能量也不是均匀分布的，而是在某些频
率之间为最强。这个最强辐射的区域随温度增高，在光谱里由红端至紫端移
动。这些事实很难用原子或电子辐射的旧理论去解释。事实上，数学的计算
表明频率高的振子应该比频率低的振子发出更多的能量；因此，可见光比不
可见的红外线应该发出较多的热，而紫外线又应该比可见光所发的更多。但
是这一切都是与众所周知的事实相反。

为了解决这些困难，1901　年普兰克提出了“量子论”②，主张辐射不是
连续的，而象物质一样，只能按个别的单元体或原子来处理。这些单元的吸
收与发射，服从在物理学与物理化学的其他分支中早已广泛地使用的概率原
理。辐射出来的能量，其单元大小并不是一样的，而与其振荡频率成正比。
所以只有当拥有大量可用的能量的时候，振子才能拥有和发射出高频率的紫
外线；因为振子拥有许多这样的单元的机会很小，所以其发射的机会和发射
的总能量也都很小。反之，频率低的辐射是以小单元射出的，振子拥有许多
小单元的机会较多，因而其发射的机会也可以较多；但由于其单元甚小，其总
能量也甚小。只有在某段适中的频率范围内，单元的大小适中，机会也好，
于是发出的单元数目可以相当大、而其总能量便得达到其最高值。

为了解释这些事实，必须假设普兰克的能量子ε与频率成正比，或者说
与振荡周期成反比。因此我们可以写成

h　

e=　hn=　；

T　

式中γ表频率，T　表振荡周期，而h　是一常数。因此，普兰克常数h　等
于能量与时间的乘积εT，这个量被称为作用量。这个守恒的作用单位，当然
不随频率而改变，事实上是不随任何变化的东西而改变。这是一个真正的自
然单位，和从电子中求得的物质和电的自然单位类似。

我们可以把一种专为解释某一系列事实而创立的理论加以调整，使其与
那些事实相适合，但不论怎样适合，以及其形式怎样新颖，这个理论可以普
遍适用的证据也许并不充分。可是，如果有另一套完全不同的现象，也可以
用同一的理论去解释，尤其是在这些现象没有别的合理的解释的时候，这种
证据的价值必大为增高，而我们也就开始相信，我们可以依赖这个理论去解
释更多的关系。

普兰克的理论本来是为了解释辐射的事实而创立的。因为与传统的动力

学有抵触，所以一般学者虽非怀疑，也以审慎的态度对待，亦属当然。但当

其为爱因斯但、奈恩斯特与林德曼（Linde－mann）①，特别是德拜（Debye）

②用以解释比热现象之后，它广泛应用的可能性便大为增加了。
普通的分子运动论以为，固体中单原子分子的原子热，应为气体常数的
3　倍，或约为每度6　卡，而且此数不受温度的影响。金属都含有单原子分子，

②　
AnnalenderPhysik，vol。　IV；　1901。p。553。

①　
SolvayCongress，Brusselse；1912。pp。　254，407。　

②　
AnnalenderPhysik；　Vol。　XXXⅨ，1912，p，789。


其原子热在普通温度下大致不变，等于6。但在低温下，则此数值便减小了。

解释这个现象首先获得成功的是爱因斯但。他指出，如果能量只能以一
定的单元或量子而被吸收，则吸收的速率必随单元的大小而改变，因而必随
振荡的频率与温度而改变。德拜从量子论推出一个与实验符合的公式，特别
显著的例子是碳元素，其原子热即使在普通温度下，也随温度而改变，比较
金属的数值小得多。

依照量子论，光在发射与吸收的刹那间，既不是弗雷内尔的稳定以太波，

也不是麦克斯韦与赫兹的连续电磁波。它好象是一团一团的微量的能量所组

成的流；这些细团的能量几乎可以看做是光的原子，虽与牛顿的微粒不同类，

而却与之相当。这个现象与干涉现象的协调是留待将来解决的难题。如果将

一线光分为两道，而使其经过长短不同的路程，则这二路程虽相差至数千个

波长，但在这两道光的最后会合处，也可见干涉的条纹。又在大望远镜里看

见的星像的衍射花样，表明每个原子所发的光都充满着整个物镜。以前，人

们认为这些事实足以证明光是以稳定的“波列”前进的，均匀地分布于几千

个波长的距离之内，而且在横向上扩展，足以充满望远镜全部空间。

可是，如果使这颗星的光线落在钾的薄膜上，则被星光所发出的电子，
每个都有与该星光相当的量子的能量。这里，光的行动不象是波，而象是能
量集中的枪弹。距离增大，则一定面积上所受到的枪弹必减少，但是枪弹冲
击的动量还是相等。另外一个现象即X　射线使气体发生电离，也是光的旧理
论难于解释的。如果波阵面是均匀的，它对于其行程上所遇到的分子应发生
相同的效应，但实际上每百万个分子当中或者只有一个被电离。有许多理由
说明。

这大概不是由于不稳固的分子太少。J。J。汤姆生等人说这现象是由于X

射线与光并不按宽的波阵面，而只沿局部的以太丝（法拉第的力管）前进的

缘故。

接着，量子论又表示光在另一方面也不是连续的。为了解释全部事实和
调和互相矛盾的观点，汤姆生设想“光是由质点组成的，每一质点为一闭合
的电力圈，并伴有一列的波”。德布罗意引用新近的概念建立一个理论，将
波的性质和微粒的性质联系起来，而成立一种新型的“波动力学”。一个运
动的质点的性能像一个波群，其速度ν与波长λ和质点的速度ν及其质量Μ
的关系为λ=h/mv；式内h　为普兰克常数。波的速度①为c2/v，式内C　为光的
速度，而ν为质点与波群的速度。于是我们不能不注意到这些现代的光的理
论与牛顿想像的微粒和波的综合体很相似。

原子结构

现代的原子理论开始于1897　年，当时发现各元素都有阴电微粒，并且查
明这些微粒即是电子。这一发现，也说明原子之所以有电的性质是由于其所
含电子多于或少于电子的正常数目，而其光学性质则可以解释为电子的振
荡。

①　这里指波的“相速度”。──译注
②　N。Bohr；TheTheory　ofSpectraand　AtomicConstitution；　Cambridge；　2nded。　1924。　A。　So