科学的科普（15）微观物理（1）微观物理的开启

张武昌2024年9月22日星期日

前情回顾

至今，我们讲到：

1687年，牛顿出版的《自然科学的数学原理》标志着科学及其分支物理学的诞生。

1808年，道尔顿出版的《化学哲学新体系》标志着化学的诞生，原子是物质不可再分的最小单位，不同的元素有不同相对质量的原子。

原子是迄今可见、可摸、可操控的最小物体。

前面我们用了很大的篇幅讲了电现象的研究历史的前半部分，电的初步认识、电池的发明导致了人们固体电流、气体电流、生物电流、液体电流的研究，其中对固体电流、生物电流的讲述，在时间线上都已经讲到20世纪的20年代，不再进行续集讲述。其气体电流的讲述停止在19世纪的90年代。液体电流包括水和电解质的电流，我们只讲了水的电流，后面还有电解质的电流。

自然界的不接触的物体存在（万有）引力和电磁力（库仑力）。

以上内容是本节内容的基础。

这一节讲电的研究最终导致了刚刚建立的原子是最小可分物质的理论的大发展，更小的物质组成单位---电子---被发现，物理科学从宏观物理（原子以上含原子）进入到了微观物理（原子以下不含原子）。

电子的发现使得物理学开启了微观物理时代

--------电子是最先发现的基本粒子。

1847年，英国物理学家乔治.斯托尼（George Stoney）提出用电子electron 作为原子和带电粒子的电量的单位。

1858年，德国科学家普吕克把一个玻璃试管中的空气抽得非常稀薄后，再在试管两头装上电极板；当极板上加入几千伏的电压时，阴极对面的试管壁上闪烁着绿色的辉光。

1876年冬，德国科学家戈尔兹坦认真研究普吕克的实验后，提出“玻璃壁上的辉光是由阴极产生的某种射线所引起的”的观点，他把这种射线命名为阴极射线。

阴极射线是由什么组成的呢？有的说是电磁波，有的说是带电的原子，有的则认为是带阴电的微粒组成，一时间众说纷纭。

就像有了电池以后，科学家在不同的物质中加电一样，自从有了阴极射线，人们就在不同的物质中加阴极射线。

德国科学家赫兹将一块涂有硫化锌的小玻璃片，放在阴极射线的路径上，发现硫化锌闪光。说明可以利用硫化锌显示出阴极射线的“径迹”。

1897年，汤姆逊Joseph Thomson将一块涂有硫化锌的小玻璃片放在阴极射线所经过的路径上，利用硫化锌闪光显示电子的径迹。在一般情况下，阴极射线是直线行进的，但在射线管的外面加上电场后，或用蹄形磁铁跨放在射线管的外面，阴极射线会发生偏折。根据其偏折的方向，可以判断其带负电。

既然这些射线是由带负电的物质粒子构成，那这些粒子到底是什么呢？怎么才能测出它比原子小多少呢？

单独的电场或磁场都能使带电体偏转，而磁场对粒子施加的力是与粒子的速度（电流）相关，对粒子同时施加一个电场和磁场，并调节到电场和磁场所造成的粒子的偏转互相抵消，让粒子仍作直线运动，从电场和磁场的强度比值就能算出粒子运动速度；速度找到后，靠磁偏转或者电偏转就可以测出粒子的电荷与质量的比值。经过多次实验，汤姆逊测出粒子电荷与质量的比值，这个荷质比charge-to-mass ratio非常大，推测这种粒子的质量是氢原子质量的二千分之一。

因为当时已知氢原子是最小的原子，所以原子不再是物质的最小单位。1897年9月下旬，汤姆逊在英国皇家学会的讲台上，宣读了《阴极射线》的实验报告。根据物理学家斯托尼的提议，这个粒子叫做电子electron。

汤姆逊因为发现电子获得1906年诺贝尔物理学奖。

物理学正式跨进了微观物理的时代。

放射性的发现

1895 年底，伦琴将他的第一篇描述 X 射线的论文，《一种新射线（初步通信）》和一些用 X 射线拍摄的照片分别寄送给各国知名学者。其中有一位是法国的彭加勒（Jules Henri Poincaré，1854—1912），他是著名的数学物理学家，当时任法国科学院院士，对物理学的基础研究和新进展非常关心，积极参与各种物理问题（例如阴极射线本性）的争论。

法国科学院每周有一例会，物理学家在会上报告各自的成果并进行讨论。1896 年 1 月 20 日彭加勒参加了这天的例会，他带去了伦琴寄给他的论文和照片，展示给与会者看。正好在这个会上有两位法国医生。将他们拍到的人手X射线照片提交科学院审查。这件事大大激励了在场的物理学家亨利·贝克勒尔（A.Henri Becquerel，1852—1908），询问这种射线是怎样产生的？彭加勒回答说，也许是从阴极对面发荧光的那部分管壁发出的，荧光和 X 射线可能是出于同一机理。不过他不太有把握。

第二天，贝克勒尔就开始试验荧光物质在发荧光的同时会不会发出 X 射线。可是试来试去，却没有任何迹象。正当贝克勒尔准备放弃试验时，读到彭加勒的一篇科普文章介绍 X 射线，文中又一次提到荧光和 X 射线可能同时产生的看法。贝克勒尔很受鼓舞，于是再次投入试验，终于找到了铀盐有这种效应，他在 1896 年 2 月 24 日向法国科学院报告说：

“我用两张厚黑纸……包了一张感光底片，纸非常厚，即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片变色，我在黑纸上面放一层磷光物质，然后一起拿到太阳光下晒几小时。显影之后，我在底片上看到了磷光物质的黑影。……在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃，也作出了同样的实验。这样就排除了由于太阳光线的热从磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用的可能性。所以从这些实验可作如下结论：所研究的磷光物质会发射一种辐射，能贯穿对光不透明的纸而使银盐还原。”

贝克勒尔所指的磷光物质是铀盐。当时人们以为，荧光和磷光没有什么本质上的不同，只是发光时间的长短有区别而已。这里，贝克勒尔误以为 X 射线的产生是由于太阳光照射铀盐的结果。

一个星期以后，当法国科学院于 3 月 2 日再次例会时，贝克勒尔已经找到了正确的答案。这也许是偶然的机遇，但偶然中有必然。他本想在会前再做一些实验，可是 2 月 26、27 日连续阴天，他只好把所有器材放在抽屉里，铀盐也搁在包好的底片上，等待好天气。在对科学院的第二次报告中，贝克勒尔写道：

“由于好几天没有出太阳，我在 3 月 1 日把底片冲了出来，原想也许会得到非常微弱的影子。相反，底片的廓影十分强烈。我立即想到，这一作用很可能在黑暗中也能进行。”

       贝克勒尔意识到，这一发现非常重要，说明原来以为荧光（和磷光）与 X 射线属于同一机理的设想不符合实际。他立即放弃了这种想法，转而试验各种因素，例如铀盐的状态（是晶体还是溶液）、温度、放电等等对这种辐射的影响，证明确与磷光效应无关。他发现，纯金属铀的辐射比铀化合物强好多倍。他还发现，铀盐的这种辐射不仅能使底片感光，还能使气体电离变成导体。这个现象为别人继续研究放射性提供了一种新的方法。

贝克勒尔搞清楚了铀盐辐射的性质后，在同年 5 月 18 日法国科学院的例会上再次报告，宣布这种贯穿辐射是自发现象，只要有铀元素存在，就会产生。这种辐射被人们叫做贝克勒尔射线，或者铀辐射，以区别于当时人们普遍称呼为伦琴射线的 X 射线。

贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现 X 射线那样轰动一时，意义却更为深远，因为这是人类第一次接触到核现象，为后来的发展开辟了道路。

1898 年，卢瑟福（Ernest Rutherford，1871—1937）通过吸收实验证明铀辐射具有两种穿透本领不同的成分，把穿透力不强的称为 α 射线，穿透力强的称为 β 射线。

1899 年，贝克勒尔在实验中证实 β 射线能被磁场偏转，其行为与阴极射线相似。

1900 年，法国化学家维拉德（Paul Villard，1860—1934）发现，在铀辐射中还有另一种成分，穿透力更强，他称之为 γ 射线。

这些现象进一步说明原子不再是物质的最小单位，还存在更小的电子和其他射线。这些射线也为微观物理后来的研究提供了研究手段和理论依据。

    在沸腾的19世纪结束的时候，物理学研究进入了微观物理时代。