打开原子的大门 郭正谊 著     本书系湖南教育出版社出版的《中国科普佳作精选》系列书籍之一,由郭正谊先生授权三思科学网站发表其电子版,文本转自中国青少年新世纪读书网,由allan9扫描校对,略有修订。图片为本网站自行扫描。       上编 太阳元素的发现       第一部分         能知道太阳的组成吗         本生和他的灯         彩色火焰之谜         物理学家的建议         方和斐发现了什么?         谜解开了         大搜查         又解开了一个谜         太阳元素         一封读者来信         这次是化学家来帮忙了         科学怪人和小气泡         重找小气泡         第三位小数的胜利         从天上来到人间       第二部分         新任务和新问题         需要把空气变成液体         制造冷         意外的收获         在空气中找到了氦         空气里的新家族         到处找氦         看不见的射线         镭射气         氦的诞生         地质学家的时钟         地球能比太阳年龄大吗?         太阳烧的是什么?         战场上的氦         飞艇的过去和未来         液态氦         漏液氦的杯子         魔术世界         结束语       中编 打开原子的大门       第一部分         在万国博览会上         阴极发出来的射线         克鲁克斯教授         奇妙的实验         原子里的电子         “偶然”的大发现         他们完全搞错了         又一次“偶然事件”         一种新的射线         居里夫妇的实验         科学出现了“危机”       第二部分         放射线是什么?         放射性“传染”         α射线         果子面包         卢瑟福的小太阳系         玻尔和莫斯莱的贡献         搜索新元素         一个假说         称量原子核         敲开原子核的大门         普劳特假说的复活         原子核的模型         中子的发现       第三部分         新的原子核模型         人工制造放射性元素         亏损掉的质量         核子的结合能         用中子当炮弹         费米犯了一个错误         原子能的释放         没有结束         附 核子台球戏                         下编 元素的诞生       第一部分         开头的话         最古老的科学         《列子》中的对活         夜间的天空为什么是黑的?         光谱透露了星光的秘密         恒星的颜色         恒星离我们多远?         给星星排排队         光谱还告诉了我们什么?         来自宇宙空间的电波         混沌初开       第二部分         地球为什么有这么多种元素?         尤里先生和宇宙化学         宇宙间的元素是从哪里来的?         大爆炸         恒星的生与死         元素的年龄         行星系演化的学说         恒星和行星系的形成         在行星的原始气氛中         尤里和他学生的实验         生命分子来自宇宙空间?         生命的元素         太阳不是第一代恒垦         展望来来                附录         敢不兢兢业业         我怎样改写《太阳元素的发现》         后记         作者简介          上编 太阳元素的发现 (一) 能知道太阳的组成吗?   我们现在要讲一种物质。这种物质最初是在太阳上发现的,后来才在地球上找到。   万物生长靠太阳。太阳是一个庞大的火球,给我们光和热。自从发明了望远镜,人们用望远镜研究太阳,看清楚了太阳表面的光斑和黑子。日全食的时候,还可以看到从太阳表面喷出的巨大的火焰——日珥。但是太阳的化学成分是什么,单靠望远镜是看不出来的。   1825年,有一位法国哲学家,名叫孔德,他在他的哲学讲义中武断地说:“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”他的话似乎有点道理。太阳虽然是最近的一颗恒星,但是离我们也有1.5亿千米。谁能飞到这样远的太阳上去取一些物质回来,在化学实验室里作分析呢?况且太阳表面的温度就有6000摄氏度。这是无论如何做不到的。   然而,这位哲学家的结论下得早了一点。1859年,就在孔德死后不到三年,一位化学家和一位物理学家合作,发明了一种很巧妙的方法,可以不用离开地球,就能够测定太阳、恒星等遥远的天体的化学组成。   这位化学家是本生,这位物理学家是基尔霍夫。他们发明的方法叫做光谱分析。     本生和他的灯   本生是德国人,1830年,他大学毕业,才19岁。以后,他除了在大学教书,还研究鼓风炉顶上冒出来的气体,创立了气体分析的方法。1854年,汉堡市开办了煤气工厂,本生的实验室里也装上了煤气。本生发明了一种新式的煤气灯,可以很方便地调节火焰的大小和温度。这种灯,现在的化学实验室中还在使用,大家管它叫本生灯。   故事就是从本生的灯开始的。   本生灯燃烧得最好的时候,温度能达到2300摄氏度,火焰几乎没有颜色。有时候灯没有调节好,火焰会缩到灯管里去,铜制的灯管烧红了,火焰就变成了蓝绿色。而在灯上弯玻璃管的时候,玻璃管烧红了,火焰又变成黄色。这些现象引起了本生的注意。他开始研究各种物质在灯上烧的时候,焰色会发生什么变化。   本生用白金镊子夹了一粒普通的食盐,放到火焰中烧,火焰立刻变成亮黄色,同时闻到呛人的氯气的气味——是高温把食盐(氯化钠)分解了。但是火焰为什么变黄呢?是氯的作用还是钠的作用呢?   为了搞清楚这个问题,本生选用了一些不含氯而含钠的化合物,例如纯碱(碳酸钠)和芒硝(硫酸钠)来做试验。如果这些物质也能使火焰变黄,就可以证明是钠起了作用。   结果正是这样。纯碱和芒硝一放到火焰中,火焰立刻变黄了。   最后,本生把金属钠放在火焰中烧,火焰也立刻变成亮黄色。这个决定性的实验,证实了使火焰变黄的确实是钠。 实验的成功使本生产生了新的想法:除了钠,别的金属是不是也能使火焰变色呢?他把实验室中所有的化学药品和金属,都—一做了试验。   本生发现,钾和钾的各种化合物使火焰变紫,而钡是绿色火焰,钙是砖红色火焰,锶是亮红色火焰,等等。   这是1858年秋天的事,他把这些发现详细地记在实验记录本中。   本生真高兴,他相信他已经发明了一种新的化学分析方法。这种方法不需要复杂的设备,操作又非常简单,只要把需要分析的物质放在灯上烧一烧,看一下火焰的颜色,就能知道它含有什么金属。现在需要的是研究火焰的语言,弄懂各种彩色信号代表什么元素。     彩色火焰之谜   本生搜集了各种各样的化合物来做实验,他用一根白金丝,一端弯一个小圈。用这个工具蘸上一滴溶液,就可以放到火焰中去烧。   本生根据他的实验记录编了一张表,列举了什么物质产生什么焰色,反过来也可以由焰色判定是什么物质。   信号表编好了,但是用起来并不那么简单,因为需要分析的物质不一定都是纯粹的化合物。遇到混合物会怎么样呢?本生做了一些混合物的焰色试验,结果出现了这样的情况:   钠盐溶液——黄色火焰。   混有钾盐的钠盐溶液——黄色火焰。   混有锂盐的钠盐溶液——黄色火焰。   用三个灯同时烧这三种溶液,结果都出现黄色火焰,看不出任何差别。钠的黄色光太亮了,遮盖了钾的紫色光和锂的红色光。   本生没有灰心,他找来了各种不同颜色的玻璃片,透过有色玻璃去观察火焰。一块深蓝色的玻璃可以吸收掉钠的黄色光,透过蓝玻璃,看出了混在钠盐中的钾盐的紫色光,看出了混在钠盐中的锂盐的红色光。这有色眼镜帮了他的大忙。   但是问题并没有彻底解决。一种未知物质的溶液,能使火焰变成深红色。查查信号表:锂盐——深红色;锶盐——深红色。这未知物质是锂盐还是锶盐呢?分辨不清。本生找了各种颜色的玻璃,想用来区别两种深红色的火焰,但是他失败了。   就在这困难的时候,物理学家来帮忙了。     物理学家的建议   本生有个亲密的朋友叫基尔霍夫,是位物理学教授。他们俩经常在一起散步和谈心。   1859年初秋,本生在实验室中做焰色试验已经快一年了。这一天,本生跟基尔霍夫一起散步,他详细地讲了自己的实验和碰到的困难。   “分辨火焰的颜色!分辨火焰的颜色!……”基尔霍夫一边思索,一边喃喃地说。   基尔霍夫对物理学十分精通,他立刻想起了物理界的前辈牛顿首先研究过太阳光,用三棱镜把太阳光分成红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫七种颜色;他也想起了已经去世30多年的德国光学专家方和斐,方和斐在45年前自己磨制了石英的三棱镜,详细研究了太阳光和各种灯光的光谱。   基尔霍夫不但对方和斐的实验了解得很清楚,连方和斐亲手磨制的那块三棱镜,还保存在基尔霍夫的实验室中。   基尔霍夫沉思了一会,对本生说:“我是搞物理的。从物理学的角度来看,我认为应当换一个方法试试。那就是不要直接观察火焰的颜色,而应该去观察火焰的光谱。这就可以把各种颜色清清楚楚地区别开了。”   这是多么好的建议啊!   本生和基尔霍夫越谈越投机,一个物理学和化学合作的研究方案就这样定下来了。基尔霍夫回去准备实验用的仪器。本生也回到自己的实验室,他把四面的窗户都挂上了遮光的黑布,准备迎接基尔霍夫和他的仪器。     方和斐发现了什么?   在没有讲本生和基尔霍夫的实验以前,我们先来讲讲1814年方和斐的实验。   方和斐在小黑屋子的窗板上开了一条狭缝,太阳光通过这条缝射进屋里,成为一条扁扁的光束。在光束经过的地方放上一块三棱镜。这条光束通过三棱镜,就变成了宽大的扇形,落在对面的墙上,成为从红到紫的各种颜色的光带,这就是太阳的光谱。原来太阳的白光并不是单色的,而是混在一起的各种颜色的光。不同颜色的光通过三棱镜,偏转程度各不相同:紫色光偏转最大,红色光偏转最小,其他颜色的光的偏转程度在紫色光和红色光之间。正因为这个缘故,通过三棱镜的一束太阳光就被拆开了,变成按颜色排列的彩色光谱。   方和斐实际上在重复他的老前辈牛顿的实验,但是作了不少改进。他做了一条使光通过的狭缝;为了把光谱观察得更清楚,还用凸透镜作了一个窥管。方和斐研究了多种灯光的光谱。他本来想找一种只发出一种颜色的光的光源,这个目的没有达到,却发现了另外一些更重要的现象。   方和斐把一盏油灯放在狭缝外面,观察油灯光的光谱。他发现光谱带上有两条极其明亮的黄线,宽窄和狭缝一个样。不管怎样移动三棱镜的位置,转动窥管里的透镜,两条明亮的黄线依然存在。   方和斐拿掉油灯,换上酒精灯,还是有两条黄线;再换上蜡烛,两条黄线依然存在。不仅如此,只要三棱镜和窥管的位置不变,不管是什么灯光,两条黄线总在老位置上。   应该再研究一下太阳光。方和斐用一面镜子,把阳光反射进狭缝。他在太阳的光谱中找那两条明亮的黄线。可是没有,却发现太阳光谱中有许多黑线。方和斐仔细数了数,黑线有500多条,有的深些,有的淡些。他给那些最深的最清楚的黑线,用A、B、C、D、E等编了号。   看来,太阳光在黑线的位置上,少了某一些颜色的光。   经过仔细观察,方和斐发现灯光光谱中的那两条亮黄线,恰好落在太阳光谱中编号为D的那两条深黑线上,也就是说,位置恰好相同。   这真是怪事,灯光发出来的亮黄线,太阳光里恰好没有。但是,方和斐没能解释这是什么原因。   在方和斐以后,有不少人做了类似的实验。他们分析了各种光源,十之八九要出现这两条亮黄线。他们又研究太阳光谱,找到了更多的黑线(后来人们把这种黑线叫做方和斐线)。但是他们和方和斐一样,都说不清楚这是怎么回事。   现在,轮到本生和基尔霍夫来做实验了。 谜解开了   基尔霍夫带了他的仪器,来到本生的实验室。这套仪器是些什么样的宝贝呀?一块方和斐亲手磨制的石英三棱镜;一个直筒望远镜,已经被基尔霍夫锯成两截;还有一个雪茄烟盒;一片打了一道狭缝的圆铁片。都是一些最普通的东西。他们正是用这套简单的仪器,完成了伟大的科学发现。   实验的准备工作开始了。基尔霍夫在雪茄烟盒内糊上了一层黑纸,把三棱镜安装在烟盒中间。在对着三棱镜的两个面的位置上,把烟盒开了两个洞:一个洞装上望远镜的目镜的那半截,这是方和斐的窥管;另一个洞装上望远镜的另外半截,物镜在盒内对着三棱镜,朝外的筒口上盖着那开有细缝的圆铁片,这叫做平行光管。各部分都固定了,烟盒盖上了,世界上第一台“分光镜”就装配好了。   本生也没闲着,他在准备试料。试料有各种纯的金属,各种纯的化合物的溶液。几把白金丝做的小圈,也用硝酸洗得干于净净。   基尔霍夫先让太阳光射在平行光管的细缝上。在窥管中,他看到清晰的太阳光谱,还有那一条条黑色的方和斐线。仪器检查完毕,没有毛病。黑窗帘拉上了,本生点着了煤气灯,基尔霍夫把平行光管对准了煤气灯的火焰,实验开始了。   第一个实验就是食盐(氯化钠)。本生用白金丝蘸了一粒食盐在灯上烧,火焰立刻变成黄色。基尔霍夫把眼睛凑到窥管口上。   “我看到两条黄线靠在一起。背景是黑的,只有两条黄线。”基尔霍夫说。   本生重复了他一年前的实验。苏打,芒硝,硝酸钠,各种钠盐都试过了,结果都一样,黑的背景上有两条靠在一起的黄线,而且位置也不改变。看来,这两条黄线就是钠的谱线。   下一个实验是钾。本生用白金丝蘸了钾盐去烧,火焰变成了淡紫色。   基尔霍夫看了几秒钟,说道:“在黑暗背景上有一条紫线和一条红线。当中的光谱连成一片,没有明亮的线条。”   实验在继续。   所有的锂盐都产生一条明亮的红线和一条较暗的橙线。   所有的锶盐都产生一条明亮的蓝线和几条红线、橙线和黄线。   总之,每种元素都产生几条特有的谱线,这些谱线都有固定的位置。   本生和基尔霍夫轮换着烧蘸有各种物质的白金丝,轮换着看光谱。后来,本生装了一个架子把白金丝夹住,两个人在自制的分光镜前你看一眼我看一眼,一直看到眼睛都花了。   他们还不想休息,准备做一个新的实验。基尔霍夫揉着发酸的眼睛,在屋内走来走去。本生也一声不响,他把几种不同的盐混在一起。   实验开始了,本生用白金丝把混合的盐送到火焰中去,火焰立刻变成亮黄色。基尔霍夫趴在分光镜前仔细观察。   实验室内静悄悄的,最后,基尔霍夫说话了:“你掺在一起的有钠盐、钾盐、锂盐和锶盐。”   “对!”本生激动极了。他把白金丝夹在架子上,立刻跑过去看。光谱显示得十分清楚:两条靠在一起的亮黄线是钠的;那条紫线是钾的;红线是锂的;属于锶的那条蓝线也很清楚。   成功了!他们这时候的高兴劲儿是可以想象出来的。   他们创立了一种新的化学分析方法——光谱分析法。 大搜查   本生和基尔霍夫像着了迷一样,在实验室中夜以继日地工作。他们编制了各种已知元素的光谱表。凡是能到手的东西,他们都要放到灯上去烧一烧,看一看光谱,搜查里面到底有些什么元素。   光谱分析法非常灵敏,只要1毫克(千分之一克)的三百万分之一的钠,送到火焰里,在光谱中就能看到钠的黄线。只要用手指摸一下白金丝,就可以烧出黄线,因为汗水中就有氯化钠。   他们发现海水中,牛奶中,烟灰中,都含有锂。   更重要的是他们用光谱分析方法,在一种矿泉水中发现了新元素铯;在一种云母矿中又发现了另一种新元素铷。在铯的光谱中有两条美丽的蓝色的谱线,因此,他们把它叫做“铯”——拉丁文的原意是“蓝色的”;铷的光谱中有两条深红色的谱线,因而就被称为“铷”——拉丁文的原意是“红色的”。   铯和铷的发现,是光谱分析的第一个大胜利!   光谱分析这种新方法很快就推广了,不少工厂成批地制造分光镜和光谱仪。现在,任何一个大的化验室中都有光谱仪,并且利用照相代替了肉眼观测。现代的光谱仪不仅能分析物质的组成,还能求出其中各种元素的含量。而各种光谱仪的老祖宗,就是基尔霍夫和本生装配的那台简陋的分光镜。   用光谱分析各种物质的组成,用光谱寻找新的元素,一时成了最时髦的科学研究工作。许多科学家在实验室中装了分光镜,参加了这次大搜查。除了本生和基尔霍夫发现的铷和铯以外,别的科学家还发现了铊、铟、镓、镱、钬、铥、钐、钕、镨等元素。这中间还有一个重要的元素,那就是我们要讲的太阳元素——氦。 又解开了一个谜   正当本生忙于搜罗各种东西进行光谱分析的时候,基尔霍夫总想着他的那位物理学前辈方和斐观察到的黑线。他认为这个谜一定要解开:为什么太阳光谱的黑线D1、D2,恰好和钠的两条黄线位置一样呢?难道太阳上缺少钠吗?   1859年10月的一天,基尔霍夫开始研究这个问题。他先用分光镜看太阳的光谱,记住了D线的位置,然后遮住阳光,点燃了本生灯,在灯上烧起钠盐。果然,钠的两条亮黄线正好出现在太阳光谱的D线的位置上。   基尔霍夫想:让太阳光和烧钠的灯光同时射人分光镜,钠的亮黄线能不能把太阳光谱的黑线补起来呢?他打开遮板,让太阳光穿过本生灯的火焰照人分光镜。他在火焰上烧起钠盐来,火焰变黄了。但是出乎意料,在分光镜中,他看到太阳光谱中的两条D线不但没有亮起来,反而变得更黑了。   真奇怪!再挡住太阳光看一看,钠的两条亮黄线又出现了,而且正在那两条黑线的位置。   基尔霍夫想了很久,他又准备了一个新的实验。他不用太阳光了,换用了石灰光。用温度很高的氢氧焰去烧石灰,石灰会发出耀眼的白光。基尔霍夫知道,石灰光的光谱是连成一片的,没有特别亮的线,也没有方和斐黑线。   基尔霍夫在石灰光和分光镜中间放上本生灯,烧起钠盐。看!石灰光的连续光谱上出现了两条黑线,正好在太阳光谱的D线的位置上。换一种盐试试,又出现了新的黑线,位置和那种盐的谱线的位置一样。   原来是这样!基尔霍夫激动得一夜没睡,第二天赶忙跑去找本生。   “昨天我弄清楚了:太阳上不是没有钠,而是有钠!”   太阳中心的温度极高,发出来的光本来是连续光谱。但是太阳外围的气体温度比较低。在这外围气体中有什么元素,就会把连续光谱中的相应的谱线吸收掉。这正像本生灯中的钠蒸气,能使石灰光的连续光谱出现两条黑线一样。   方和斐黑线的谜解开了。原来这些黑线和亮线一样,也能表示太阳大气中有什么元素。   本生和基尔霍夫又用铁作了实验。铁的光谱有60多条亮线,而在太阳光谱中,这60多条亮线的位置上正好有60多条方和斐线。这说明:太阳上有铁。   1859年10月20日,基尔霍夫向柏林科学院报告了他的发现。他根据太阳光谱中方和斐线的位置,证明太阳上有氢、钠、铁、钙、镍等元素。   这个新发现立刻传遍全球:本生和基尔霍夫在地球上的实验室里,测出了太阳是由什么组成的!我们开头提到的那位哲学家的结论,这一回彻底破产了。   自此以后,光谱分析不仅化学家经常用,也成为天文学家的有力手段。天文学家利用光谱,不断地揭露遥远的星球的秘密。   就这样,物理学家帮助化学家解决了化学的难题,化学家帮助物理学家解决了物理学的难题,他们还共同解决了天文学的难题。     太阳元素   日全食是天文学家研究太阳的最好机会。这时候,月亮正运转到地球和太阳中间,把太阳完全遮住了。这样就可以看清楚太阳最外层的大气——日冕,还可以看到太阳表面喷出的巨大火焰——日珥。   1860年7月16日,在西班牙发生日全食。许多天文学家把注意力集中在日珥上,还画下了图。大家都想解释,太阳表面的这种突出物到底是什么。但是日全食只有几分钟的时间,要想仔细研究,得等待下一次机会。 八年以后,1868年8月18日,印度又发生日全食。法国的天文学家詹森带着分光镜,长途跋涉来到印度。日全食开始了,詹森把分光镜的细缝对准了日珥。他看到了几条亮线:一条红的,一条蓝的,还有一条黄的。很清楚,红线和蓝线是氢的谱线。而那条黄线呢?难道是钠的吗?钠应该有两条黄线,可是只观测到一条啊!他想再看看清楚,但是日全食已经过去了。难道又要等上十年八年,到下次日全食的时候再研究吗?   詹森注意到这几条线很亮,因此他想:不是日食的时候,也许同样能观测到日珥的光谱。   第二天,太阳又升起在天空中。詹森把分光镜的狭缝对准太阳的边缘,相当于昨天看到的日珥的位置,昨天观测到的光谱又出现在分光镜里。成功了!经过研究,詹森发现那条黄线不是钠的两条谱线,而是在钠的谱线旁边的一条新的谱线。   詹森立刻写信把他的发现报告法国科学院。当时的交通很不方便,这封信在路上走了两个多月,于10月26日才到达巴黎。   无巧不成书,在法国科学院收到詹森的信的同一大,还收到了一封从英国寄来的信。这是英国天文学家罗克耶在10月20日写的,报告的是同一件事。罗克耶在英国用同样方法观察了日珥,也发现了那条不属于钠的新的黄线。   这两封信同时在法国科学院宣读。大家惊叹万分,决定铸造一块金质的纪念牌:一面刻着驾着四套马战车的传说中的太阳神阿波罗像,另一面刻着詹森和罗克耶的头像,下面写着:“1868年8月18日太阳突出物分析”。   詹森和罗克耶在日珥的光谱中发现了什么呢?就是那条新的黄线。经过查对,这条黄线跟当时已知的各种元素的谱线都不重合。结论只有一个,这条黄线属于一种未知的新元素。   这种未知的新元素不是在地球上,而是用光谱分析,首先在太阳上找到的。   罗克耶把这种新的元素命名为helium(希腊文“太阳”的意思)——我国就译作“氦”。   太阳元素——氦被发现了,但是它有什么样的性质,人们还没法知道。天文学家们猜测:氦可能是一种很轻的气体。   关于怎样在地球上找到氦的故事,我们下边再讲。 一封读者来信   罗克耶在发现氦的第二年(1869年),他在英国创办了一种科学杂志,名叫《自然》,这种杂志很有名,一直出版到现在。全世界的物理学家和化学家,没有一个不看这本杂志的。   1892年,《自然》的9月号上刊登了一篇读者来信,信中说:“我对于最近测得的氮的几个密度值颇有怀疑,希望贵刊的读者们能提供宝贵意见。我用两种方法制得的氮的密度不一样。虽然两个密度相差只有千分之五,但是仍然超出了实验误差的范围。”署名是:“瑞利,1892年9月24日”。   这是怎么回事?瑞利是什么人?   瑞利是英国剑桥大学的物理学教授。从1882年开始,他研究各种气体的密度。虽然在上一个世纪,已经有人做过这方面的工作,但是当时的仪器比较粗糙,结果当然不够准确。   瑞利的实验室里有当时最精密的天平,灵敏度达到万分之一克(0.0001克)。他想把各种气体的密度测得准确一些。   气体密度就是1升气体的质量,以克数计算。气体的体积会随着温度和压力而变化,所以必须规定,气体的密度是在0摄氏度和1个大气压下(这叫做“标准状态”),每1升的质量。   为了测量气体的密度,瑞利做了一个大玻璃球。他先仔细地测量出它的容积有多大,然后用真空泵把球内的空气抽掉,称出真空球有多少克。再在球内灌满某种纯粹的气体,例如由电解水得到的氢气,再称有多少克。这就可以算出玻璃球里的氢气有多少克。用玻璃球的容积去除氢气的质量就能得到氢气的密度。   测量了氢气测量氧气,然后又测量氮气。   说来简单,做起来却不容易。瑞利对每种气体的密度都要测量好几遍。不仅如此,对于同一种气体,还要用不同的方法制出它的纯粹的气体,分别进行测量,看看结果一样不一样。   比如说测量氧气的密度,瑞利先用电解水制造的氧气,又用氯酸钾加热分解制造的氧气,还用高锰酸钾加热分解制造的氧气,分别进行测量。只有对以上三种方法制造的氧气,测得的密度都一样,才算得到了可靠的结果。   氢气和氧气都测准了,但是测量氮气的时候出了问题。   空气是氧气和氮气组成的,这在18世纪就已经搞清楚了。瑞利把空气通过烧得红热的装满钢屑的管子,这时氧气会与铜化合,生成氧化铜,剩下的就是氮气了。测量这种氨气的密度,结果是1.2572克每升。   瑞利又把氧气通过浓氨水,得到氧气和氨气的混合气。把混合气通过赤热的氧化钢管,氨气与氧气反应,生成水和氮气。测量这种氮气的密度,结果是1.2508克每升。   奇怪!两个结果对不起来,相差0.0064克每升。是不是实验出了差错呢?瑞利又重复做了好几次,结果还是一样。   为什么两种不同来源的氮气,密度会不一样呢?这中间一定有什么奥秘。于是,瑞利给《自然》杂志写了上面那封信,请大家一同来解答这个难题。   可是一封回信也没收到。 这次是化学家来帮忙了   怎么办?一个真正的科学家是不会轻易放过实验中出现的反常现象的。问题得不到解答,瑞利就继续把实验做下去。他用各种不同的方法来制造氮气,再仔细地测量密度。   他改用赤热的铁屑去除掉空气中的氧气,又用新制成的氢氧化亚铁去除掉空气中的氧气。用这两种方法由空气中制得的氮气,和用赤热的铜屑除掉空气中的氧气而制得的氮气一样,密度仍然是每升1.2572克。   瑞利用加热亚硝酸铰的方法制造氮气,用赤热的铁屑还原一氧化氮和笑气(氧化亚氮)制造氮气,用次溴酸钠分解尿素制造氮气。结果是,这些化合物分解出来的氮气,密度和从氨气分解出来的氮气的密度一样,都是每升1.2508克。   瑞利又埋头做了两年的实验。这些实验准确地证明了:由氮的各种化合物制成的氮气密度都一样,比由空气中分离出来的氮气小0.5%。   1894年4月19日,瑞利在英国皇家学会上作了报告,详细地介绍了他的实验结果。   报告完了,化学家拉姆赛来找瑞利。拉姆赛说:“两年前,我看到您在《自然》杂志上的那封信。当时我还弄不清楚,为什么氮气会有两种密度。现在明白了。我相信,空气中的氮气一定含有较重的杂质,一种未知的气体。如果您同意的话,我愿意把这个实验继续做下去。”   瑞利非常高兴拉姆赛能跟他合作来研究这个问题。于是,物理学家和化学家又一次共同解决科学上的难题了。   在这次会上,还有一位物理学家杜瓦向瑞利提供了一个重要的线索:英国的科学老前辈卡文迪许曾经做过一个实验,他也认为从空气中取得的氮气中含有杂质。   瑞利一听说这些情况,高兴得几乎要跳起来,他的实验室就是以卡文迪许命名的。在剑桥大学,卡文迪许在100多年前的科学实验记录和资料,都保存得非常好。   瑞利回去以后,立刻查阅古老的技术档案。果然,卡文迪许在1785年做过一个实验。瑞利看了他的实验记录,感到非常惊讶。   卡文迪许是个什么人呢?他做了一个什么样的实验呢?   科学怪人和小气泡   18世纪末,英国伦敦住着一位怪人,他就是卡文迪许。卡文迪许一辈子没有结婚,因为他一见到妇女就说不出话来。他很少出门,他一出来,就会有一群小孩子跟在他的马车后面跑,街上的人也要指指点点,议论纷纷。因为他的穿戴还是他祖父时代的式样,古怪得很。   卡文迪许是个贵族,很有钱,却不喜欢交际。他出门只去两个地方,一是英国皇家学会的科学报告会,他是皇家学会的会员;二是每周一次的科学家晚会。他的钱都用来买科学仪器和图书。他在自己家中建立了实验室和图书馆。随便什么人都可以去他的图书馆借书,只是要办理个借阅手续,按时归还。卡文迪许自己拿书看,也要写一张借条,上面写着:“某月某日,卡文迪许借到某书一册。”   卡文迪许整天躲在自己的实验室里做实验。所有的实验,他都做了详细记录,但是很少把他的科研成果整理出来发表。   1810年,卡文迪许去世了。过了50年,他的实验记录才由物理学家麦克斯韦整理发表。每个科学家看了他的工作都大为敬佩,原来后辈科学家做的许多实验,卡文迪许早就做过了。化学家知道了卡文迪许不仅研究了空气的组成,还第一个把水分解为氢气和氧气,并测定了两者的化合体积是2:1。物理学家知道了是卡文迪许第一个计算出地球的质量。静电作用力跟电荷的大小成正比,跟距离的平方成反比,这个定律卡文迪许比库仑测定的还要早,还要准确。但是物理学课本上还是把这个定律叫做库仑定律,因为卡文迪许没有公开发表他的发现。   瑞利在英国皇家学会1784年和1785年两年的年报中,找到了卡文迪许的论文,题目是《关于空气的实验》。   要读懂100多年前的科学论文,需要有一点历史的知识。瑞利知道在上一个世纪氮气刚刚发现的时候,人们管它叫“浊气”。卡文迪许在论文中讲到的“浊气”就是氮气,这正是他感兴趣的问题。   卡文迪许把两只酒杯装满水银,又把一根U形玻璃弯管的两端分别插人到两只酒杯的水银中,再把起电器的两根导线分别通到两杯水银里。   摇动起电器,圆玻璃板和毛皮不断地摩擦,摩擦生的电通过导线,积累在水银杯里。过了一段时间,玻璃弯管内电火花就一闪,同时出现红色的烟雾,这是管内空气中的氧气和氮气有一小部分化合生成的二氧化氮。   卡文迪许将苛性钠(氢氧化钠)溶液滴到玻璃管中,红色消失了:二氧化氮被苛性钠溶液吸收了。这时候弯管内的气体体积就缩小了一些。   卡文迪许和他的仆人轮流不停地摇着起电器,让玻璃管内不断地放电。最后,空气中的氧气全都与氮气化合了,而生成的二氧化氮又都被苛性钠溶液吸收了。玻璃管中气体的体积缩小到一定程度,就不再缩小了。   这时候,卡文迪许向玻璃管内送进一些氧气,再开始放电。新加人的氧气又与剩余气体化合,体积又缩小了一些。   这个实验,卡文迪许和他的仆人轮流不停的摇着起电器,一连做了三个星期。最后,弯玻璃管中只剩下一个很小的小气泡,这个小气泡很顽固,无论怎样放电,它也不肯跟氧气化合。这个小气泡也不可能是剩余的氧气。因为最后,卡文迪许在玻璃管中加入了一点“硫肝”(草木灰的浸出液与硫磺共煮得到的肝脏色溶液,主要成分是多硫化钾),把多余的氧吸收掉了。   卡文迪许的实验记录得十分详细。他写道:“在弯玻璃管里剩下来一个小气泡,这是由于某种特殊原因不与氧气化合而剩下来的浊气。它不像普通的浊气,而是另一种浊气,因为什么样的电火花都不能使它与氧气化合。”最后,卡文迪许作出结论:“空气中的浊气不是单一的物质,还混有一种不与氧气化合的浊气,总量不超过全部空气的1/120。”   “啊!原来是这样!”瑞利十分激动。   瑞利立刻把这情况告诉了拉姆赛。并且立刻在他那个以卡文迪许命名的实验室中,重新做109年前卡文迪许做过的实验了。   拉姆赛得到很大的启发,也在自己的实验室中继续进行研究。   他们决心学习那位科学怪人卡文迪许的精神,各自关在自己的实验室里,不把空气中的这种杂质——卡文迪许的小气泡取出来,就不出实验室的门。为了互通情报,他们靠邮递员经常交换实验结果。 重找小气泡   问题似乎清楚了,空气中的氮气中还有未知的气体,也就是卡文迪许的那个小气泡。可以预料,这种未知气体极不活泼,密度比氮气大。但是要证实这个预料,必需得到这个小气泡,才能研究它的性质,测定它的密度。   瑞利做实验要比卡文迪许容易多了,因为时代不同了。这时候已经发明了能产生高电压的振荡线圈,所以瑞利不必像卡文迪许那样去摇动起电器,摇了三个星期才得到一个很小的小气泡。   为了得到更多的那种小气泡,瑞利用一个大圆底烧瓶代替玻璃弯管,倒立在碱水槽里,烧瓶内通人两根金属导线,其尖端相距只有几厘米。通上高压电,两根金属导线的尖端之间就会连续发生电火花,使瓶中空气里的氧气和氮气化合成二氧化氮。另外还有一根玻璃管通到瓶内。通过这根玻璃管,可以喷人苛性钠溶液来快速吸收掉生成的二氧化氮,也可以往瓶内送人氧气和补充新的空气。   用这个装置,瑞利终于得到一个较大的气泡。这个气泡在电火花下也不跟氧气发生作用。为了除掉气泡中可能有的氧气,他又让它通过一根烧得赤热的装有铜屑的瓷管。这样,氧气就会跟铜反应而被除掉了。   尽管装置有了改进,为了得到足够供实验用的气体,瑞利也干了好几个月。在这段时间里,他不断地把自己的工作情况写信告诉拉姆赛,同时也经常接到拉姆赛的来信。   拉姆赛用的是另一种方法。他发现氮气和赤热的镁屑能发生化学反应生成氮化镁。他使已经除去水汽、二氧化碳和氧气的空气通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果,大部分气体跟镁化合了,只剩下一小部分气体。他把剩下的气体再一次通过赤热的镁屑,气体的体积又缩小了一些。在第三次通过赤热的镁屑之后,拉姆赛把剩下的气体拿出来测定它的密度。普通氮气的密度是氢气的14倍,而这种剩下的气体,密度却是氢气的14.88倍,果然是一种比氮气重的气体。   拉姆赛并没有满足这个初步成绩。他把这剩下的气体一次又一次地通过装有赤热的镁屑的瓷管。结果是每通过一次,气体的体积总要缩小一点,密度总要增大一点,变成氢气的17倍,18倍,19倍;最后体积不再缩小了,密度增大到氢气的20倍也不再变了。拉姆赛计算了一下,剩下的气体的体积是原来空气中的氮气的体积的1/80。   卡文迪许的小气泡得到了。这是一种什么气体呢?这又要用光谱分析了。   拉姆赛把这种气体装在密闭的玻璃管里,玻璃管的两端封有两根白金丝做的电极,这就是气体放电管。通上了高压电,玻璃管中的气体就闪闪发光。用分光镜检查,发现光谱中有橙色和绿色的话线。这是已知的元素所没有的话线,表明这种剩下的气体的确是一种新的气体元素。   瑞利在两年前提出的问题,现在完全弄清楚了。用氮的化合物制成的氮气,原来是纯粹的氮气,它的密度是1.2508克每升。由空气中得到的氮气不是纯粹的,里面混有少量密度为1.9086克每升的未知的气体,因而这种不纯的氮气的密度是1.2572克每升。   就这样,物理学家和化学家合作,又取得了惊人的发现。   他们已经知道,这种新气体既不跟氧化合,也不跟镁化合。他们正是利用新气体的这种性质,使它跟氮气分开的。   那么它跟哪些物质化合呢?他们做了许多试验,结果表明,这种新气体跟氢,跟氯,跟氟,跟各种金属,跟碳,跟硫,都不发生化学反应。不管加温也好,加压也好,用电火花也好,用铂黑作触媒也好,它还是不跟任何物质起反应。根据这个性质,科学家给新气体元素起了个名字叫做argon(希腊文“懒惰”的意思)——我国译作“氩”。 第三位小数的胜利   1894年8月7日,拉姆赛给瑞利去了一封信,建议俩人一起宣布他们的新发现。经过几天准备,8月13日,他们来到了英国的科学城牛津。那时候,牛津正在召开自然科学家代表大会,各门科学家共聚一堂。他们申请出席作临时报告,要宣布一个重要的新发现。   瑞利走上讲台,宣布他和拉姆赛发现了一种新元素。他说:“这元素到处都有,从四面八方围绕着我们,和氧气氮气一样,都是空气的组成。”他还说:“在每立方米空气中大约有15克这种气体。计算下来,在我们开会的大厅中就有几十公斤这种气体。”   他们的报告震惊了到会的全体科学家。这是可能的吗?长期以来,人们不仅知道空气是由氧气和氮气组成的,而且还精确地测定了它们的组成比例。空气中含有0.03%的碳酸气,也早测出来了。难道还有含量高达1%的新气体,竟长期未被发现?真是不可思议!大家议论纷纷,有的赞赏,有的怀疑。   这个问题太重要了,于是决定半年以后召开关于氩的专门讨论会。   1895年1月31日,伦敦大学的讲堂里坐满了科学家。瑞利和拉姆赛走上讲台,详细报告了他们发现氩气的经过、实验装置和氩气的性质。   瑞利用土烟嘴当场证明了氩气的存在,大家就更加惊奇了。   瑞利做了一根夹层的套管,套管的外层是一根粗玻璃管,内层是8个土烟嘴接在一起,用胶粘成的一条细管子。土烟嘴就是英国人常用的那一种,表面没有上釉,因而管壁上有无数的细孔。套管夹层的两头,都用火漆封死。另外有一根管子一头通进夹层,另一头跟抽气泵相连接,可以把夹层内的气体抽掉。   瑞利往土烟嘴管的一头通人从空气中得到的氮气,气体由另一头出来的时候就少了许多。原来一部分气体穿过土烟嘴管壁的小孔,跑进夹层,被抽气泵抽走了。   瑞利取了1立方厘米剩下来的气体。当着大家的面称了一下,结果比1立方厘米普通的氮气重了12%~15%。   这个实验说明什么问题呢?为什么空气中的氮气通过了土烟管会变重呢?   解释只有一个,空气中的氮气不是纯粹的气体,而是氮气和某种更重的气体的混合物。在通过土烟管的时候,虽然它们都会透过土烟管的细孔,被抽掉一部分,但是轻的气体透过得快,重的气体透过得慢,结果在剩下的气体中,氮气占的比例减小了,氩气占的比例则大大增加了。   物理学家瑞利当众用物理方法——扩散法,也就是他在前几个月中研究成功的新方法,分离出空气中的氩气,证明了这种新气体的存在。   接着拉姆赛也走上了讲台,把他们用不同方法制成的氮气,当众做了各种表演实验。   在事实面前,大会的参加者公认了他们的新发现。   氩气的发现是从1.2508和1.2572之间的差数开始的。小数点后边第三位数字的差别引出了氩气。   人们不禁想起100多年前的卡文迪许,他实际上已经捉住了氩气——一个小气泡,并且指出这个小气泡不跟氧气化合。但是他那时候还没有称量千分之几克的精密天平,也没有光谱分析法,他只好把这个小气泡放走了,没有能够真正的发现氩气。   19世纪末氩气的发现是精密度的胜利,是天平的胜利,是小数点后边第三位数字的胜利。 从天上来到人间   氩气的存在得到了公认。但是这仅仅是开始,拉姆赛还在继续研究氩气的各种性质。   1895年2月1日早晨,他接到伦敦化学教授亨利·梅尔斯的一封来信。信中说:“不知道您是否试验过氩气跟金属铀的反应?如果没有的话,我认为您应该试一试。1888-1890年间,美国地质学家希莱布兰德曾经把钇铀矿放在硫酸中加热,结果冒出来许多气泡。这种气体既不能自燃,又不能助燃。希莱布兰德当时认为这是氮气。不过也可能是氩气。我认为应该检查一下,说不定钇铀矿中含有铀和的氩的化合物!”   拉姆赛把手头的实验告了一个段落以后,立刻根据亨利·梅尔斯的提示进行研究。他派人找遍了伦敦的化学药品商店,才买到了1克钇铀矿。   一个新的实验开始了。拉姆赛的助手特莱凡斯把钇铀矿放在硫酸中加热,气泡冒出来了,收集到了几立方厘米的气体。   拉姆赛和特莱凡斯又用了整整4天的工夫,把气体中能跟其他物质化合的杂质除掉。实际上杂质很少,大部分是跟任何物质都不起反应的气体。   气体装进前面讲过的那种放电管中。通上高压电,气体放出光来。   拉姆赛用分光镜作检查的时候,本来以为会看到氩的谱线,但是出乎意料之外,他看到的是一条黄线和几条微弱的其他颜色的亮线。   拉姆赛想,可能是白金电极上沾了点钠盐,或是分光镜出了毛病。他仔细作了检查,并没有这一类问题。   那么就应该检查一下,这条黄线是不是与销的谱线重合了。拉姆赛于是故意在放电管内放进去一点钠,重新封好再观察它的光谱。   结果光谱中出现了钠的谱线,但是以前看到的黄线还在老位置上,在钠的谱线旁边。毫无疑问,这条黄线不是钠的,而是属于某一种别的物质的。这是一种什么物质呢?   拉姆赛把他所知道的各种物质的光谱都重新回忆了一遍,没有一种跟它相似。经过长久的思索,他记起了詹森和罗克耶在27年前发现的太阳上的氦。氦的光谱不就是黄线吗!如果这条黄线跟那条黄线重合的话,那么钇铀矿中放出来的气体就既不是氮,也不是氩,而是太阳元素——氦了。   太阳元素就这样容易地找到了?这个结论是不是太大胆了?拉姆赛是十分严谨的科学家,他决定请他的朋友,当时英国最好的光谱学专家克鲁克斯(他曾经用光谱法发现了元素铊)帮忙。他派人把放电管送到克鲁克斯那里,并且附了一封信。他没有肯定说这是氦,而是说他找到一种新气体,建议叫做krypton(希腊文“隐藏”的意思)——我国译作“氪”,请克鲁克斯仔细确定一下新气体的谱线的位置。   1895年3月23日早晨,拉姆赛正在自己实验室中研究这新气体的光谱,邮递员送来了一份电报,里面写着:   “氢——这是氦,请过来看。克鲁克斯。”   太阳元素真的由天上来到人间了!   拉姆赛立刻来到克鲁克斯那里,用克鲁克斯的精密的光谱仪仔细观察。的确,这气体正是氦。   当天,拉姆赛给法国科学院院长贝特罗拍了个电报,通知他说:氦在地球上发现了。   真是无巧不成书,就像詹森和罗克耶几乎同时发现太阳上的氦一样。在拉姆赛发现氦的两个星期以后,瑞典青年化学家兰格列也在党铀矿中找到了氦。他的老师克利夫把他的发现也报告给同一个贝特罗院长,发信的日期是1895年4月8日。 上编 太阳元素的发现(二) 新任务和新问题   拉姆赛是世界上第一个拿到了太阳元素的化学家。当然,他立刻开始研究氦的性质,用氦作了各种各样的实验。   太阳上的氦是没法拿来称的,天文学家们猜想,氦是一种很轻的气体。拉姆赛第一个称出了氦的密度,证明天文学家的预测是对的。氦果然是很轻的气体,空气比它几乎重6.5倍。只有氢比氦还轻,其他气体都比氦重。   拉姆赛试验了许多物质,看看它们会不会跟氦发生反应。结果证明,氦和氩一样,不跟任何物质化合。它们都是“惰性气体”。   能不能在空气中找到氦呢?氦既然是不跟任何物质化合的气体,它必然会跑到空气中去。   拉姆赛开始了新的搜索——在空气中寻找氦。   如果空气中真有氦的话,只要把空气中的其他气体都去掉,把氧气去掉,把氮气去掉,把新发现的氩气也去掉,剩下的就是氦气了。   这工作的头两步——除去氧气和氮气,拉姆赛在寻找氩气的时候已经作过了。只要把空气通过装有赤热铜屑的磁管,空气中的氧气就会跟铜反应,生成氧化铜而被除掉,剩下的就是氮气和氩气的混合气,里面可能有氦气。   空气中的氮气通过装有赤热镁屑的磁管,氮气就会跟镁反应,生成氨化镁而被除掉,剩下的就是拉姆赛和瑞利共同找到的氩气了。他们找到的氩气中会不会就有氦气呢?氦气跟赤热的铜和镁也不起反应的,空气中如果有氦气的话,它必然会混在氩气中。   怎样把氦气和氩气分开呢?要是能找到一种只跟氩气化合而不与氦气化合的物质,问题就解决了。可惜就是找不到那样一种物质。因为两者都不跟任何物质化合。这就是说,分离氧气和氮气的那种方法,不能用来分离氩气和氦气。   看来问题是难以解决了。 需要把空气变成液体   拉姆赛并没有灰心,他想到了化学家分离酒精和水的方法。   酒精的沸点是78摄氏度,比水的沸点低,所以蒸发得比水快。化学家利用了这一点,把混有水的酒精放在蒸馏瓶里加热:一开始出来的一批蒸气是纯酒精的蒸气,后来的一批蒸气是酒精和水的混合蒸气,最后一批蒸气就是纯粹的水蒸气了。只要把头一批蒸气冷却,就可以得到纯粹的酒精。这个方法叫做分馏法。   拉姆赛决定用分馏法把空气中的氩气和氦气分开。但是酒精和水是液体,而氦气和氩气是气体。要用分馏法使它们分离,首先就要把它们变成液体,或者说,首先要把空气变成液体。   拉姆赛想,把空气变成液体,再让它慢慢蒸发,那么组成空气的各种气体——氮气、氧气、氩气、氦气(如果有的话),在蒸发的时候就会有先有后,先是最容易蒸发的,然后是比较难蒸发的。   要使空气变成液体可不是容易的事,必须冷到零下192摄氏度。在地球上,连北极也没有这样冷,必须有一台制造寒冷的机器——制冷机。   在今天,使空气变成液体是一件很平常的事。但是在当时,全世界只有几个实验室能制造液态空气。   当时在英国,研究这方面问题的专家就是那位向瑞利建议查卡文迪许实验资料的物理学家——杜瓦。杜瓦还发明了保存液态空气的容器——杜瓦瓶。这是一个夹层的玻璃瓶,内壁镀银,夹层抽成了真空。真空不能传热,外面的热传不到瓶内去,因而瓶内的液态空气可以保存比较长的时间。后来人们想,瓶外的热既然不能传进去,瓶内的热当然也不能传出来,于是把杜瓦瓶改造成保存开水的热水瓶。我们常用的热水瓶和保存液态空气的杜瓦瓶,实际上是同一种容器。   杜瓦有个缺点,思想非常保守。他的实验室里有把空气变成液体的机器,虽然方法既复杂又困难,他还是把他的发明保密。不仅如此,连制成的液态空气,他也不肯轻易给人。   可是拉姆赛的工作需要很多的液态空气,这怎么办呢?     制造冷   说来也巧,正当拉姆赛急需液态空气而又得不到的时候,一种既简单又方便的制冷机发明了。   这种制冷机是两个人各自在自己的国家里发明的,但是运用的原理恰好一样。他们是德国的林德和英国的汉普松。   制冷机的原理是这样的:   空气受到强烈的压缩,就会发热。让发热的压缩空气冷却下来,再突然让它膨胀,它就要吸收很多的热,而迅速变冷。   林德和汉普松都利用了这个物理原理,制成了制冷机。   他们把空气送进机器,强力的泵把空气压缩在细管子里,然后让压缩的空气通过一个小孔,喷进细管子外面的空室,让它迅速膨胀变冷。用这变冷了的空气来冷却细管子里后进来的压缩空气。这部分冷却过的压缩空气,膨胀后就变得更冷。这样第二批冷却第三批,第三批冷却第四批,越来越冷,最后温度下降到零下192摄氏度。这时候,空气就变成液体了。液态空气积存在空室里,只要打开龙头,就像自来水一样放出来了。   英国的发明家汉普松和拉姆赛都住在伦敦。他知道拉姆赛需要用液态空气进行重要的研究,就把他的新机器制得的第一批液态空气750立方厘米,装在杜瓦瓶中送给了拉姆赛。     意外的收获   “液态空气来了!”   “液态空气来了!”   在拉姆赛实验室中工作的年轻人奔走相告。他们放下手头的工作,都来看这从来没见过的东西——液态空气,更想看看拉姆赛怎样从液态空气中提取氦。   杜瓦瓶中的液态空气像清水一样,慢慢地冒着小气泡。瓶子一摇动,气泡就增多,发出咝咝的声音。   在找氦之前,拉姆赛用液态空气,向他的学生们做了好几个奇妙的实验。   一个小橡皮球放进液态空气里,再拿出来扔在地上。橡皮球没有跳起来,而是摔碎了!原来橡皮在液态空气的温度下失去了弹性,变得像玻璃一样脆了。   拉姆赛在试管里装了小半管水银,中间插一根铁棍,把试管放在液态空气中。水银冻成了固体,拿着铁棍一拔,就连水银一起拔了出来。拉姆赛用这把水银锤子在墙上钉了一个钉子,原来水银冻得比铁还硬。   拉姆赛又把一块面包放进液态空气里。他让大家把窗帘都放下来。拿出面包来一看,这块冻硬的面包在漆黑的房间里发出天蓝色的光辉。   拉姆赛一个又一个地做着实验,各种常见的东西放进了液态空气,都希奇古怪的变了样。年轻人不时发出惊叹声。但是他们也越来越着急了:宝贵的液态空气越来越少了,还找不找氦呢?   拉姆赛停止了实验,让大家都去吃午饭。他自己也离开了实验室,让杜瓦瓶里的液态空气继续蒸发。   大约过了一个半钟头,拉姆赛才回到实验室。杜瓦瓶里的液态空气剩下不多了,但是他一点也不可惜。他认为:氦气比氧气和氮气蒸发得慢,多耽搁一些时间,可以让氧气和氮气先跑掉,氦气就会剩在杜瓦瓶里。   等到液态空气只剩下大约10立方厘米的时候,拉姆赛不让它们白白地跑掉了。他把最后这一点液态空气蒸发成的气体仔细收集起来。他认为,最后的这部分气体中,一定会有氦气。   为了把这部分气体中的剩余的氧气和氮气除掉,拉姆赛让气体通过装有赤热铜屑和赤热镁屑的瓷管,最后得到几个大气泡。   气泡被封在放电管中,通上高压电,发光了。拉姆赛开始研究它的光谱。   他看到了橙色和绿色的谱线,这是氩的谱线,没有错。但是令人失望的是,预料的那条黄色的氦的话线没有出现。   没有氦!   看来拉姆赛估计错了。一个可能是空气中根本就没有氦气;另一个可能是氦气蒸发得很快,甚至比氧气和氮气蒸发得还快,它早就逃走了。   但是拉姆赛并不懊悔,他仔细观察光谱,发现了两条明亮的新谱线,一条是黄的,一条是绿的。这两条谱线跟已知物质的谱线都不重合。显然,放电管中除了氩气以外,还有一种新的气体。   拉姆赛在研究亿铀矿中的气体的时候,曾经把氦叫做氪。这一回,他把找氦的时候发现的新气体元素,叫做了“氪”。   就这样,拉姆赛想在空气中找氦,氦没有找着,却发现了氪。这真是意外的发现。   这是1898年5月24日的事。     在空气中找到了氦   这一回没有找到氦,拉姆赛并没有失去信心。他已经储存了15升由空气中提取的氨气,他相信氦气就混在这些氩气中。由上面实验的结果可以预料,氦是非常容易蒸发的。他和他的年轻助手特莱凡斯设计了新的实验方案。   过了几天,在6月初,汉普松又送来了液态空气,这一回有好几升。新的实验开始了,他们把一端是球形的玻璃管浸在装有液态空气的杜瓦瓶里,然后把那15升由空气中提取的氩气,慢慢送到玻璃管里。在液态空气的温度下,氩气凝成了液体,积在球中大约有13~14立方厘米。   最后,他们关闭了玻璃管上的活塞。这时候,玻璃管仍旧浸在液态空气里。过了几分钟,他们把玻璃管中的未液化的气体抽了出来,装进了放电管。   通电以后,这气体在放电管中发出美丽的红光。   用光谱仪检查,拉姆赛和特莱凡斯发现了几条明亮的橙红色的谱线。查对一下,这又是一种新的气体。   他们给这新气体元素起名字叫做neon(希腊文“新”的意思)——我国译作“氖”。   再仔细检查一下,他们在光谱中找到了那条黄线——氦的谱线,位置一点也不差。但是这条黄线很暗淡,说明氦气很少。   氦又被找到了。这个曾经是很神秘的太阳元素,原来在我们周围的空气中就有。   几年以后,拉姆赛在一次公开讲演中谈到氦的发现经过,他说:“寻找氦,使我想到了老教授找眼镜的笑话。他拼命的在地下找,桌子上找,报纸底下找,找来找去,原来眼镜就搁在自己的额角上。氦也被找了很久,而它却就在空气里。” 空气里的新家族   在上面的实验里,15升由空气中提取的氩气被液态空气冻成了液体。拉姆赛和特莱凡斯首先抽出了液体上面没有液化的气体,发现了氖,还有氦。接着,他们让液体不断蒸发,并且一份一份地抽出蒸发的气体,检查它们的光谱。   开头,收集的气体大部分是氩,随后,就是不久前发现的氪。而把最后一点点气体装进放电管,通上电却发出了美丽的蓝光,又一种新的气体元素被发现了。这是1898年7月12日的事。   这种发蓝光的新的气体元素起名叫做xenon(希腊文“陌生”的意思)——我国译作“氙”。   就这样,拉姆赛在得到液态空气以后,不到一个半月,就在空气中又发现了三种新的气体元素——氟、氖和氙。   现在让我们来回顾一下这段历史:在瑞利和拉姆赛在空气中发现氩之前,科学家都认为空气是由氧和氮组成的。接着,拉姆赛和特莱凡斯又证明了先前发现的氩也不是纯的气体,它里面还混杂着氦、氖、所氪和氙。   为了研究这些气体的性质,拉姆赛和特莱凡斯蒸馏了大量的液态空气,他们得到了纯粹的氩气,纯粹的氪气和纯粹的氙气。但是氖气和氦气总是在一起,没法把它们分开,因为在液态空气的温度下,它们都不会变成液体。   需要比液态空气更低的温度,才有可能使氖气和氦气变成液体。这就需要用液态的氢。液态空气的沸点是零下192摄氏度,而液态氢气的沸点是零下253摄氏度。   可是哪里有液态的氢呢?前面提到的那位杜瓦,在1898年第一回制得了液态氢。可是他连液态空气都不肯给别人,更不用说液态氢了。怎么办呢?   特莱凡斯决心自己装一台机器制造液态氢。经过一番努力,液态氢真的得到了!头一批产品——100立方厘米的液态氢,立刻用来分离氖气和氦气。   氦气和氖气的混合气体送进了浸在液态氢中的玻璃小球,氖气不仅变成液体,而且立刻凝结成了固体,氦气却仍然是气体。于是,最难分离的氦气和氖气也分开了。   拉姆赛和特莱凡斯证明:在1升空气中大约有10立方厘米的氩气,18立方毫米的氖气,5立方毫米的氦气,1立方毫米的氪气,氙气最少,只有0.1立方毫米。   为了详细地研究这些气体的性质,他们先后用了3年时间。   他们测定了每种气体的密度,结果是按着氦、氖、氩、氪、氙的次序,一个比一个大。   他们做了许多化学实验,结果证明,这一群气体,不仅氩气和氦气,就是后发现的氖气、氢气和氙气,也不肯跟任何物质发生化学反应。它们极不活泼,所以人们把它们叫做“惰性气体”。在门捷列夫周期表上,氦、氖、氩、氪和氙形成单独的一族——零族元素。   在拉姆赛的时代,从空气中取得一点点纯粹的惰性气体,要花很大气力。所以人们也把它们叫做“贵气体”,或者“稀有气体”。   现在就不同了,世界各国都建立了大的气体工厂,这些工厂的原料就是空气。空气在工厂中先变成液体,再用分馏法来分离,制成纯粹的氮气、氧气和氩气,它们都装在钢瓶里出售。氦气、氖气、氪气和氙气也提纯了,装在特制的容器里,供给生产技术部门和科学研究单位使用。   这些“稀有气体”,现在都不是很难得到的东西,价钱也大大降低了,“贵气体”这个名字,现在不大有人用了。1962年,人工合成了氙跟铂、氟的化合物,以后又陆续合成了不少红的化合物和氙的化合物,如氟化氪、氯化氙、氧化氙等等。“惰性气体”这个名字,看来也不大正确了,但是由于习惯,现在仍然使用。   到处找氦   在历史上,氦被人们发现三次了:第一次在太阳上,第二次在钇铀矿里,第三次在空气里。这引起了当时科学家们的莫大兴趣。   既然空气里能找到氦,水里会不会有呢?既然在钇铀矿里有氦,别的矿物和岩石中会不会有呢?于是大家纷纷去找氦,当然同时也去找其他惰性气体。   化学家们检查了雨水、河水、海水、井水和各种矿泉水。他们发现水中也溶解有氦气和其他惰性气体,不过含量比空气中还少。只有矿泉水是例外,某些矿泉水中溶解有相当多的氦气。德国物理学家基索姆在一处山泉水中,拉姆赛在一处矿泉水中,瑞利在一个疗养院的地下水中,都发现了较多的氦气。   还有一些人在动植物体中去找氦,结果没有找到。有人还从各种鱼类的鱼鳔中取出气体来研究,发现鱼鳔中的气体与空气没什么两样。   在矿物和岩石中找氦的成绩比较大。其中含氦气最多的是锡兰岛出产的方钍矿,1千克方钍矿加热后,能放出10升氦气。   在研究了很多种矿石之后,拉姆赛有一个发现,那就是,含有铀和钍的矿石中总是有氦气,而不含铀和钍的矿石中就没有氦气。   真是怪事!氦是惰性气体,它不会跟铀和钍化合,这一点拉姆赛早已试验过了。但是在矿物中,氦为什么总是跟铀和钍一起出现呢?氦跟铀和钍有什么关系呢? 看不见的射线   正当拉姆赛在英国热心地寻找空气中的新气体的时候,法国的科学家们也作出了惊人的新发现。   在拉姆赛由钇铀矿中发现氦的第二年,1896年3月,法国巴黎的物理学家贝克勒尔也研究了铀的各种化合物和铀的矿石,但是他找到的不是氦,而是发现铀在不停地发出看不见的射线,也就是说,铀有放射性。   铀是1789年德国化学家克拉普罗斯发现的金属元素,它的外表像银,化学性质像钨。将近100年来,人们都认为铀和其他金属一样,是一种普通的元素。贝克勒尔的实验告诉我们:铀和一般元素不一样,它发出的看不见的射线,可以隔着黑纸使照相底片感光。这可是以前谁也不知道的事。是不是还有一些别的元素像铀一样,也能够发出看不见的射线呢?这吸引了不少科学家去研究。   1898年,拉姆赛和他的助手特莱凡斯一起发现了空气中的氦、氖、氪和氙。就在这同一年里,一位法国女科学家玛丽·居里不仅发现了钍也有放射性,而且在沥青铀矿里还发现了两种放射性更强的新的放射性元素——钋和镭。   1899年,另一位法国化学家德比尔纳发现了又一种新的放射性元素——锕。   几年之内,新发现了一批放射性元素——钋、镭、锕。对这些放射性元素的研究,又引起了新的发现。   居里夫妇在研究镭的时候发现:镭和空气接触以后,镭拿走了,可是留下的空气还有放射性,好像被镭传染了似的。1900年,德国科学家多恩研究了这个奇怪的现象,发现原来是镭在连续不断地放出一种气体,这种气体也有放射性,这种放射性气体被叫做“镭射气”。   差不多在同时,英国物理学家卢瑟福发现钍也会发出一种放射性气体,后来又发现锕也会发出一种放射性气体。这两种气体分别被叫做“钍射气”和“锕射气”。   这些放射性气体又是什么样的物质呢? 镭射气   1903年,卢瑟福和另一位化学家索地一起,详细地研究了镭射气。   最早,科学家利用使照相底片感光的办法来检查物质的放射性,后来就发明了另一种方法——利用荧光物质。有一些矿石(如硅锌矿)和一些化合物(如硫化锌),碰到了看不见的射线就会闪烁发光。所以,如果硅锌矿或硫化锌在闪烁发光,那就说明一定有放射性物质存在。   卢瑟福和索地在一根两端有活塞的玻璃管里装上一些硅锌矿粒。他们把吹过镭的表面的空气通到这根玻璃管里去,然后关闭玻璃管两端的活塞。把玻璃管拿进黑屋子里去,就看到硅锌矿在闪闪发光,亮得可以照清楚报纸上的大标题。只要把玻璃管中的气体抽掉,硅锌矿立刻不再发光了。这说明被空气带到玻璃管中的镭射气是放射性气体。   为了研究这种气体,卢瑟福和索地在这玻璃管后面接上一个U形管,U形管后面又接上一个圆底烧瓶,圆底烧瓶的壁上涂有硫化锌。他们把U形玻璃管浸到液态空气里,然后把含有镭射气的空气不断吹进去。这时候,装有硅锌矿粒的管子闪闪发光,而涂有硫化锌的烧瓶并不发光。不过,只要把U形管从液态空气中拿出来,过了一会,烧瓶壁上的硫化锌也开始发光了。   这个实验说明:液态空气可以使镭射气变成液体,因而流不到涂硫化锌的烧瓶里去。   更有趣的是把镭射气封在装有硅锌矿粒的玻璃管里,一开始发光很强,几天以后,光就减弱了,过了一个月左右,就完全不发光了。看来镭射气会慢慢地消失。   镭射气消失了,它变成了什么呢?     氦的诞生   为了解决镭射气变成了什么的问题,卢瑟福和索地决定去请教研究气体的专家拉姆赛。   卢瑟福和索地把尽可能多的用液态空气冻下来的镭射气封在管子里。索地带上这管镭射气,就去找拉姆赛。   拉姆赛热情地接待了索地,立刻和他一起研究镭射气。这是1903年春天的事。   镭射气被充到放电管中,通电后发出淡蓝色的光辉。拉姆赛和索地用分光镜观察镭射气的光谱。他们发现了三条新的谱线。镭射气原来是一种新的气体元素。这时候,在光谱里没有看见别的谱线。   两天以后,他们又检查这个充有镭射气的放电管的光谱。三条新的诺线还在老地方,只是比两大前减弱了;但是,出现了一条新的谱线,是黄色的。拉姆赛立刻认出来,这是他的老朋友——氦的谱线。   放电管是封死的,外面不会有气体跑进去。结论只有一个:镭射气变成了氦。   又过了两天,再把放电管通电。这时候,管子发出的已经是黄光,而不是淡蓝色的光了。氦的谱线更强了,而镭射气的谱线更弱了。   氦在拉姆赛和索地的眼前诞生了!   人们第四次发现了氦。   接下去,拉姆赛仔细地研究了镭射气的性质,证明它和氦、氖、氩、氪、氙一样,也是惰性气体。后来给它另起一个名字叫做radon(拉丁文“射线”的意思)——我国译作“氡”。   拉姆赛为了测定氡气的密度,设计了一个极为灵敏的天平,灵敏度达到0.000000005克!他称量了0.1立方毫米(仅仅有一个针眼大小)的氧气,测得它的密度是氢气的111倍,是最重的气体。   科学家们用同样的方法去研究锕射气和针射气,结果和镭射气一样,这两种射气也是氡,也在不断地变成氦。 地质学家的时钟   氧是放射性气体元素,它不断地产生氦气。铀是不产生射气的,它会不会也不断地产生氦气呢?应该做一下试验。   索地把一些含铀的物质放在大烧瓶里,把烧瓶里的空气抽掉,把瓶口封死。过了一年,索地打开烧瓶,取出瓶内的气体作光谱分析。果然,气体的光谱中出现了氦的诺线。虽然氦气的量不多,但是证明了铀也在产生氦气。   原来,从放射性元素放出来的看不见的射线,可以分为α、β和γ三种射线。其中的α射线,实际上就是无数的失掉了电子的氦原子。   为什么铀矿和钍矿中会有氦气呢?这些氦气正是放射性元素铀和钍产生的。   索地又在大烧瓶中装了1000克铀。一年之后,他从烧瓶中得到了0.1立方毫米的氦气。这个气泡只有——0.00000002克重。铀产生氦气的速度是非常慢的,一吨铀每年也只能产生0.00002克的氦气。   为什么钇铀矿和其他的放射性矿物中,含有许多氦气呢?   卢瑟福研究了这个问题,产生了这样一个想法:钇铀矿里含的氦气多,说明这矿石的历史长久。每年只产生一点点氦气,经过几百万、几千万、甚至几亿年,积累起来就多了。只要我们分析一下铀矿中现在有多少氦气,还剩下多少铀,又知道铀生成氦气的速度,就可以算出这块矿石是多少年前生成的了。   这方法真是妙极了!氦成了地质学家研究矿石年龄的“时钟”。这是1904年卢瑟福提出来的。   在此以前,人们很难知道矿物和岩石的年龄有多大,因为岩石是不会自己说话的。虽然有各种各样的估计,但是都非常不可靠。利用了放射性方法,岩石自己说话了。   你要知道某一个地方的煤是什么时候生成的吗?那只要在生成那种煤的地层中找出一种放射性矿物就行了。英国物理学家斯特莱特选了一块赤铁矿,经过分析,这块赤铁矿中有铀,也有少量氦气,每1克怕就大约有20立方厘米的氦气。已经知道,每1克铀一年能产生0.0000001立方厘米的氦,那么要多少年才能生成20立方厘米的氦呢?这很容易算,要2亿年。   既然这块赤铁矿是2亿年前形成的,当然,那里的煤层也是2亿年前形成的。   斯特莱特用这个方法测定了许多种矿石的年龄,但是工作并不是没有困难的。   氦是气体,如果岩石不很致密,有裂缝,生成的氦气就会跑掉。在这种情况下,测定的数值就不会准确了。   卢瑟福的学生波特伍德发现,铀在连续放出氦以后,最后变成没有放射性的铅。铅不是气体,不会从岩石的裂缝中跑掉。已经知道,1000克铀在一年间能生成0.00000135克铅。只要测定铀矿中铀和铅的含量各是多少,同样可以算出铀矿的年龄。   这个新方法比测量氦气的方法要可靠多了。许多人用它来测量地球上各种矿物和岩石的年龄。   到了1935年,英国科学家霍姆斯测出来地球上最老的岩石大约是35亿年。也就是说,地球的年龄至少有35亿年(现代测定,地球的年龄是46亿年)。 地球能比太阳年龄大吗?   在太阳系中,太阳是质量最大的中心天体。在太阳系的总质量中,太阳占了99.9%,所以,有足够强大的引力,使太阳系的其他天体都环绕着它运行。太阳又是太阳系中唯一的能够自身发光的天体,它是太阳系的光和热的主要源泉,它照亮了整个太阳系,也晒热了整个太阳系。而地球不过是绕着太阳转的一颗比较小的行星。人们用放射性方法测定出来,地球的年龄有几十亿岁了。那么太阳的年龄有多大呢?当时的科学家推算,太阳是2200万岁。真奇怪,地球竟比太阳的年龄大100多倍!这怎么可能呢?   必定有一个年龄搞错了。地球年龄的测定是相当可靠的,看来太阳的年龄可能推算错了。太阳的年龄就是不比地球大,无论如何也应该和地球相等。是不是可以把太阳的年龄改一下呢?   不行!天文学家提出了不同的意见。他们说:我们虽然不能从太阳上取一块物质来直接研究它的年龄,但是有一点是没有错的,那就是太阳在不断地发出大量的光和热,它每分钟发出多少能量是测准了的;同时,太阳的体积和质量,我们也是能够准确计算的。要说太阳的年龄像地球一样,也有几十亿年,那么,它烧的是什么燃料呢?为什么能维持这样长的时间而不熄灭呢?   在18世纪就有人算过,如果太阳是一大块煤,那要不断地发这么多的光和热,只能烧5000年。这个年龄显然太小了。后来,德国科学家赫尔姆霍茨认为,太阳发光发热是由于它不断地收缩,把位能转变成为热能。他计算出来,太阳的年龄是2200万年,还可以再发光发热1000万年。他的这个结论一直延用了半个世纪,要推翻它,必须先回答太阳烧的是什么。 太阳烧的是什么?   在回答这个问题之前,我们先介绍一下科学家用氦气做实验的时候发现了什么。   上面已经说过,卢瑟福和索地发现放射性物质放出的α射线,原来就是无数失去了电子的氦原子。它们由放射性物质中一粒一粒地射出来,所以又叫做α粒子。α粒子射出来的速度非常大,每秒可以达到上万公里!   卢瑟福用放射性物质放出来的高速度的α粒子去轰击各种物质。他发现原子像个小太阳系一样:中心有一个带正电的核,周围有电子绕核转圈子。   卢瑟福又想试试,把α粒子打到别的原子核里面去,会发生什么结果。他选用了镭C′(镭C′是钋的放射性同位素,它是镭蜕变而产生的)放出来的α粒子。这种α粒子速度特别大——每秒19200公里。   实验的结果是:高速的α粒子打到氮的原子核里去了,同时放出来一个新粒子——质子。质子也就是氢原子核。卢瑟福在1919年,第一回用人工实现了原子核反应,同时发现了质子。   卢瑟福接下去就用α粒子对各种元素进行轰击,看看哪些元素能起反应。在试验铝的时候发现,铝被轰击以后变成了硅,同时,放出来极大量的能,比燃烧同量的煤放出的能要大700000倍!   核反应能放出大量的能。太阳上是不是也在进行核反应呢?   太阳温度特别高,表面有6000摄氏度,核心能到2000摄氏万度,密度也特别大。在这样高的温度下,各种原子外层的电子都脱离了原子核,原子核以极大的速度碰来碰去,当然会发生核反应。   1938年,美国的贝特和德国的魏札克证明了太阳上烧的是氢。这不是氢和氧燃烧的化学反应,而是在高温和高速运动的条件下,氢原子核碰在一起的核反应——四个氢原子核生成一个氦原子核。这就是热核反应。   在热核反应中,1克氢全部变成氦,能放出多少热呢?据计算,这些热能使400吨冰完全变成水蒸气!而1克氢气在跟氧气化合的时候,放出来的热只能使47克冰变成水蒸气。这就是说,氢在热核反应中放出的核能,比在化学反应中放出的化学能,要多出8500000倍。   太阳的能源是在氢原子核聚变成氦原子核的过程中放出来的热核能。在这样的热核反应中,消耗的是氢核,产生的是氦核。太阳元素——氦,原来就是氢进行核燃烧后的“灰烬”。   据计算,太阳上氢合成氦的热核反应,已经进行了差不多50亿年了,以后还可以继续50亿年。   问题解决了,地球的年龄不比太阳大了。同时人们也弄清了太阳元素——氦的来源:在太阳上,氦是氢的热核反应生成的;在地球上,氦是放射性元素蜕变生成的。 战场上的氦   在天空中飞翔,是人类自古以来的希望。发现了氢气以后,乘坐氢气球在天空中飞来飞去,成了时髦的事情。氢气球越做越大,后来发展成为巨大的飞艇。   第一艘飞艇是德国工程师齐柏林在1900年设计的,艇身长128米,里面装有9910立方米的氢气。人们把这种飞艇叫齐柏林飞艇。   1914年8月,在欧洲爆发了第一次世界大战。德国先后制造了123艘齐柏林飞艇用于战争。为了防御飞艇,英法联军用高射炮发射烧夷弹来对付它。因为氢气遇火就会燃烧爆炸,飞艇只要被烧夷弹击中,立刻就会在天空中炸毁。   但是,1914年秋天,在法国北部的战场上发生了奇怪的事:一艘德国飞艇被英军的炮弹打穿了,它竟然没有着火爆炸,而是掉转头飞回去了。   这真是个谜!英国军部研究了好久,也弄不清楚这艘飞艇为什么没有着火爆炸。   最后,英国军部接到了化学家特莱福的来信。他写道:“德国人发明了一种取得大量氦气的方法。这次用来充齐柏林飞艇的不是氢气,而是氦气。氦气也是很轻的气体,仅比氢气重一倍,因此充氦气的飞艇的升力跟充氢气的飞艇相差不多。但是在其他方面,氦气比氢气的优点大得多。要知道,氢气很喜欢跟氧气化合,因此它很容易燃烧。氦气不与任何东西化合,也不与氧气化合,它是惰性气体。如果德国的飞艇真是充氦气的话,那么烧夷弹没把它烧毁是不足为奇的。”   特莱福的理由很使人信服,但是从什么地方得到这样多的氦气呢?一艘飞艇需要用几千立方米的氦气;要得到这么多的氦气,就需要处理几万吨的方钍矿或是别的放射性矿物,而德国是没有这些矿物的。由空气中提取吗?这就需要几百台制冷机不停地工作一整年,而在战争时期,这是不大可能办到的。   英国军部对这个问题十分感兴趣,召集了各门科学家开会,提出找寻大量氦气资源的任务。他们研究讨论了很久,终于回想起1907年美国化学家开迪和马克发兰的一篇研究报告。   开迪和马克发兰在分析天然气的时候曾经发现,在堪萨斯州一个地方的天然气中,含有1.5%的氦气。但是当时没有人想到氦的实际应用,没有重视这个发现。现在,为了制造不会着火爆炸的大飞艇,人们又开始大规模地找氦气,在天然气中找氦气。最后,人们在加拿大的石油气中找到了氦气,于是立即建立起提取氦气的工厂。等到几千立方米的氦气提取出来了,第一次世界大战已经结束了。 飞艇的过去和未来   战争停止了,不用担心飞艇在天空中飞行的时候会被烧夷弹打中了。这时候虽然发现了氦气资源,但是氦气终究不如氢气便宜。人们继续制造充氢气的大飞艇。1928年,工程师埃克纳制造了240米长的大飞艇“齐柏林号”,飞艇上有卧室、餐厅,可以乘坐几十名旅客,每小时能飞行100多公里。这艘飞艇横跨大西洋往来飞行,没有发生事故。   但是,埃克纳的另一艘大飞艇“兴登堡号”的命运就十分糟了。1937年5月6日,这艘飞艇飞过美国纽约城上空,居民们纷纷挥手向它致意。但是快要飞到目的地的时候,它突然着火爆炸了,飞艇上的乘客的遭遇也就可想而知了。   此后,谁也不肯冒着生命危险去乘坐氢气飞艇了,还是氦气飞艇安全。   人们在制造氢气飞艇的同时,也在制造氦气飞艇。当然,它们是不会着火爆炸的。但是,不幸的是,世界上最大的氦气飞艇却先后遇到风暴而失事了。而飞机越来越发展,飞艇渐渐地在天空中绝迹了。   在今天,天空中要是突然飞来一艘大飞艇,一定会引起大家的惊奇。但是不要以为飞艇已经完全退出了历史舞台。   现在已经是超音速飞行的时代,谁还要用那又大又笨又慢的飞艇?可是不能只看速度快慢这一个方面。飞机虽快,但运载量小,耗费燃料多;飞艇虽慢,但运载量大,耗费燃料少。有人计算过,用飞艇运输货物要比飞机便宜六七倍。   飞机要在飞机场上起飞降落。飞艇就不需要长长的跑道,它能够垂直起飞,垂直降落,必要的时候还可以长时间停在半空中不动。给地质勘探队、登山队运送勘探设备、科学仪器和生活资料,飞艇是非常理想的运输工具。在去南北极探险的时候,一个专门设计的大飞艇降落在冰面上,就可以成为探险队的理想的大本营。   一个大飞艇可以吊运几十吨以至几百吨的东西,这在工业建设上也可以起到特殊的作用。石油钻井的塔架,飞艇可以平稳地提起来,运到新的钻井地点。要穿过高山峡谷架设高压输电线,飞艇既可以在山头上吊装架线的铁塔,又可以飞越峡谷铺设高压电线。飞艇是空中的起重工。   正由于有这许多优越的性能,目前许多国家都在设计充氦气的新型飞艇。法国设计的“大力神号”飞艇,直径有235米,体积有150万立方米,能装载900吨货物。预料在不久的将来,飞艇又将重返天空。 液态氦   在本世纪初的几十年里,世界各国都在寻找氦气资源,在当时主要是为了充飞艇。但是到了今天,氦不仅用在飞行上,尖端科学研究,现代化工业技术,都离不开氦,而且用的常常是液态的氦,而不是气态的氦。液态氦把人们引到一个新的领域——低温世界。   前面已经讲过拉姆赛在空气中找氦气的故事。在液态空气的温度下,氦和氖仍然是气体;在液态氢的温度下,氖变成了固体,可是氦仍然是气体。   要冷到什么程度,氦才会变成液体呢?   前面已说过,英国物理学家杜瓦在1898年首先得到了液态氢。就在同一年,荷兰的物理学家卡美林·奥涅斯也得到了液态氢。液态氢的沸点是零下253摄氏度,在这样低的温度下,其他各种气体不仅变成液体,而且都变成了固体。只有氦是最后一个不肯变成液体的气体。卡美林·奥涅斯决心把氦气也变成液体。   1908年7月,卡美林·奥涅斯成功了,氦气变成了液体。他第一次得到了320立方厘米的液态氦。   要得到液态氢,必须先把氢气压缩并且冷却到液态空气的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氢气就变成了液体。   要得到液态氦,必须先把氦气压缩并且冷却到液态氢的温度,然后让它膨胀,使温度进一步下降,氦气才能变成液体。   液态氦是透明的容易流动的液体,就像打开了瓶塞的汽水一样,不断飞溅着小气泡。   液态氦是一种与众不同的液体,它在零下269摄氏度就沸腾了。在这样低的温度下,氢也变成了固体,千万不要使液态氦和空气接触,因为空气会立刻在液态氦的表面上冻结成一层坚硬的盖子。   多少年来,全世界只有荷兰卡美林·奥涅斯的实验室能制造液态氦。直到1934年,在英国卢瑟福那里学习的前苏联科学家卡比查发明了新型的液氦机,每小时可以制造4升液态氦。以后,液态氦才在各国的实验室中得到广泛的研究和应用。   在今天,液态氦在现代技术上得到了重要的应用。例如要接收宇宙飞船发来的传真照片或接收卫星转播的电视信号,就必须用液态氦。接收天线末端的参量放大器要保持在液氦的低温下,否则就不能收到图像。   然而,液态氦的奇妙之处还不在于低温。 漏液氦的杯子   卡美林·奥涅斯是第一个得到液氦的科学家。他并不满足,还想使温度进一步降低,以得到固态氦。他没有成功(固态氦是1926年基索姆用降低温度和增大压力的方法首先得到的),却得到了一个没有预料到的结果。   对于一般液体来说,随着温度降低,密度会逐渐增加。卡美林·奥涅斯使液态氦的温度下降,果然,液氦的密度增大了。但是,当温度下降到零下271摄氏度的时候,怪事出现了,液态氦突然停止起泡,变成像水晶一样的透明,一动也不动,好像一潭死水,而密度突然又减小了。   这是另一种液态氦。卡美林·奥涅斯把前一种冒泡的液态氦叫做氦Ⅰ,而把后一种静止的液态氦做氦Ⅱ。   把一个小玻璃杯按在氦Ⅱ中。玻璃杯本是空的,但是过了一会,杯底出现了液态氦,慢慢地涨到跟杯子外面的液态氦一样平为止。   把这个盛着液态氦的小玻璃杯提出来,挂在半空。看,玻璃杯底下出现了液氦,一滴,两滴,三滴……不一会,杯中的液态氦就“漏”光了。是玻璃杯漏了吗?不,玻璃杯一点也不漏。这是怎么回事呢?   原来氦Ⅱ是能够倒流的,它会沿着玻璃杯的壁爬进去又爬出来。这是在我们日常生活中没有碰到过的现象,只有在低温世界才会发生。这种现象叫做“超流动性”,具有“超流动性”的氦Ⅱ叫做超流体。   后来,许多科学家研究了这种怪现象,又有了许多新的发现。其中最有趣的是1938年阿兰等人发现的氦刀喷泉。   在一根玻璃管里,装着很细的金刚砂,上端接出来一根细的喷嘴。将这玻璃管浸到氦Ⅱ中,用光照玻璃管粗的下部,细喷嘴就会喷出氦Ⅱ的喷泉,光越强喷得越高,可以高达数厘米。   氦Ⅱ喷泉也是超流体的特殊性质。在这个实验中,光能直接变成了机械能。 魔术世界   大家还记得拉姆赛把各种物质放到液态空气中的各种奇妙的实验吧!各种物质放在液态氦里,情况就更奇妙了。   看!在液氦的温度下,一个铅环,环上有一个铅球。铅球好像失去了重量,会飘浮在环上,与环保持一定距离。   再看!在液氦的温度下,一个金属盘子,把细链子系着磁铁,慢慢放到盘子里去。当磁铁快要碰到盘子的时候,链子松了,磁铁浮在盘子上,怎样也不肯落下去。   真像是到了魔术世界!这一切,只能在液态氦的温度下发生。温度一升高,魔术就不灵了,铅球落在铅环上,磁铁也落在金属盘子里了。   这是低温下的超导现象。   原来,有些金属,在液态氦的温度下,电阻会消失;在金属环和金属盘中,电流会不停地流动而产生磁场。这时候,磁场的斥力托住了铅球和磁铁,使它们浮在半空中。   在低温下,出现了许多奇妙的物理现象。许多重要的物理实验,都要在低温下进行。   目前,世界各国的物理学家还在研究液态氦,希望通过液态氦达到更低的温度,研究各种物质在低温下会发生什么奇妙的变化,会有什么我们目前还不知道的性质。这就产生了物理学的一个新的分支——低温物理学。   结束语   氦,这个奇妙的物质,一直在引起科学家们的注意。科学家们继续研究氦,通过科学实验,不断地为氦写下一页又一页新的历史。   物理学家不仅仅得到了液态氦,还得到了固态氦,他们正在向绝对零度进军(物理学把零下273.16摄氏度叫做绝对零度。这个温度标叫做绝对温标,用K表示。OK就是-273.16℃,而273.16K就是0℃)。从理论上讲,绝对零度是达不到的,但是可以不断接近它。液态氢的沸点是绝对温标20.2度,液态氦的沸点是绝对温标4.2度。在绝对温标2.19度的时候,氦Ⅰ变为氦Ⅱ。1935年,利用“绝热去磁”法,使液态氦冷到绝对温标0.0034度;1957年,达到绝对温标0.00002度;目前已达到跟绝对零度只相差0.000001度了。   天文学家也继续研究着太阳元素。太阳上的氢“燃烧”变成了氦,以后的命运又如何呢?他们发现宇宙间有一些比太阳更炽热的恒星,中心温度达到几亿度。在这些恒星的核心,氢原子核已经都变成了氦原子核,氦原子核又相互碰撞,正在生成着碳原子核和氧原子核,同时放出大量的能。这类恒星橡心脏一样,一会儿膨胀,一会儿收缩,很有规律。为什么会这样?这也是因为氦在起作用。   天文学家还研究了银河系内氢的含量和氦的含量的比值。根据这个比值,有人估算了银河系的年龄有一二百亿年。   氦的历史并没有完,人类认识氦的历史也没有完,而我们这本讲氦的故事的小册子,却不得不结束了。   要问在发现氦和研究氦的历史上谁的功劳最大呢?是天文学家詹森和罗克耶吗?是化学家拉姆赛和物理学家克鲁克斯吗?是发明分光镜的本生与基尔霍夫吗?当然还要考虑把空气、氢气以及氦气液化的汉普松、卡美林·奥涅斯等人的功劳。   很难说。在人类认识氦的历史上,他们都有着自己的贡献。氦仅仅是一种元素,但是发现它和认识它,是许多门科学——物理学、天文学、化学、地质学等的共同胜利,决不是某一个人的力量能够完成的。   科学是没有平坦的道路可走的,只有不畏艰险不怕困难的人才能攀登科学的高峰。通过氦的发现的历史,我们看到许多科学家们正是这样勇于实践的人。他们有严谨的科学态度,对于实验中的一点细微现象——一个小气泡,第三位小数的细微差异,也不放过。他们不但爱问为什么,而且千方百计地去寻找答案。他们埋头苦干,几个月、一年、几年坚持不懈,终于由纷乱的谜团中找出头绪,得到了解答。他们永远不满足已有的成绩,而是深人一步、再深入一步地钻研。人们对氦的认识就是这样逐步深人的。到现在为止,谁也不敢这样说:“氦,我们已经完全认识清楚了。” 中编 打开原子的大门(一) 在万国博览会上   1855年,在法国巴黎,轰动世界的万国博览会开幕了。人流涌进了钢架玻璃建造的展览大厅,参观那里展出的世界各国送来的展品。在休息厅里,人们一边品尝世界各国出产的名酒,一边议论展览会中使人惊叹的“粘土中的白银”——金属铝。   在博览会的一角有一件展品,大多数参观者都没有注意,却引起好几位科学家的莫大兴趣。这是一个绕满漆包线的大线圈,通上6伏直流电以后,线圈的振子像电铃一样地振动。这时候,从线圈上接出来的两根铁针的针尖之间,发出了紫红色的小闪电。   展品的说明上写着:“感应线圈:可以把低的直流电压变成几千伏的高电压。巴黎电学器械厂技师鲁姆柯夫1851年发明。”   以前要得到直流的高电压需要把几千个电池串联起来,不仅花钱多,还要为这许多电池盖一间很大的房子。这回可好了,用这个一只手就能拿得动的“小玩意”就能得到高电压了。那些想用高电压做实验的科学家们围着这个“感应线圈”转来转去地看。真是妙极了!他们都准备回去照样装一台。   就这样,高庄感应线圈传到了德国。   就在这一年,德国的玻璃工人盖斯勒利用托里拆利真空原理发明了一种水银真空泵。他在一根玻璃管的两端封上两根白金丝,再用他的泵把管中的空气抽掉,然后在两根白金丝上通上感应线圈发出来的高压电。管中残余的气体就发出了紫红色的辉光。这就是低压气体放电管。   可不要小看这根放电管,它不仅是今天霓虹灯、日光灯、电子管、显像管的老祖宗,而且通过对放电管中放电现象的研究,使人们得出意想不到的许多大发现。由于它是盖斯勒最早制成的,所以人们通常把它叫做盖斯勒管。   我们的故事就从这放电管开始。     阴极发出来的射线   德国波恩大学的物理学教授普吕克对盖斯勒管非常感兴趣。他和他的学生希托夫一起作了许多研究。   他们发现,在管中除了气体在发光以外,正对着阴极(负极)的玻璃壁也在隐隐地发出黄绿色的荧光。用磁铁在管外晃动,这荧光也在晃动,好像能被磁铁吸引似的。为什么会这样?当时他们没有搞清楚。   正在这时候,德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析法。普吕克和希托夫又开始研究光谱。他们制作了两头粗中间细的盖斯勒管,在管中充进去一点点纯的气体,例如纯的氧气或纯的氢气,通电以后,不同的气体就会发出不同颜色的光。用分光镜检查,每种气体都发出自己特有的亮线。就这样,气体放电管成了用光谱分析气体的辅助工具。   后来,英国科学家拉姆赛在空气中发现了氦、氖、氩、氪、氙,都是用气体放电管来研究的。   不同的气体发光的颜色不同,例如氖发红光、氙发蓝光、氦发黄光。后来人们制成了长长的放电管,弯成各种花样,充进不同的气体,通电后就显示出五彩缤纷的光的图案。这就是我们常见的霓虹灯。   普吕克在1868年去世了。他的学生希托夫继续研究放电管。他始终想着那玻璃管壁上的荧光。他做了一个圆球状的放电管,在球当中装了一片金属障碍物,而两个电极是垂直安装的。通电后,阴极对面的玻璃壁上不仅发出荧光,还出现了障碍物的影子,好像从阴极放射出某种光线似的。 但这又不像是光线。希托夫用透明的云母做成障碍物装在放电管里,结果也出现了清楚的影子。他又用磁铁靠近放电管去试验,影子移动了位置,说明这种由阴极发出来的射线弯曲了。这些现象显然跟光线不一样,光线能透过云母片,并且不被磁场所弯曲。   后来,有一位科学家古德斯坦也做了类似的实验,他发现电场也会使射线偏转。他把这种由阴极发射出来的奇妙射线叫做“阴极射线”。   阴极射线是什么?英国科学家克鲁克斯作了非常细致的研究。     克鲁克斯教授   克鲁克斯是英国伦敦大学的化学教授,一位善于做实验的科学家。世界上只要有什么重要的新发现被他知道了,他就立刻在自己的实验室里也装起仪器来试一试,继续研究,并且大都有新的创造和发现。   德国的本生和基尔霍夫发明了光谱分析后,克鲁克斯在实验室里也立刻装起了分光镜,很快地他就成为英国首屈一指的光谱分析专家。1861年,他用光谱分析法发现了一个新元素——铊。   1865年,本生的学生斯普伦发明了一种能抽高真空的水银泵。克鲁克斯立刻在他的实验室中装了一套。他把泵接在气体放电管上,一个新的实验又开始了。他把气体放电管通上高压电,开始抽真空。气体越抽越少,管中气体开始发光了。继续抽下去,一个新奇的现象出现了:阴极附近出现了一段不发光的黑暗区域,原来连续的光柱断开了,仍旧发光的一段光柱也像鱼鳞一样闪烁不定。再拍下去,黑暗的区域越来越长,好像由阴极伸出来一股暗流,把发光区域越压越短,最后,暗区压到阳极上,整个光柱就全部消失了。这时候,放电管已经拍成高真空,没有明亮的气体发光,但是整个管子似乎处在一种闪烁状态。在阴极对面的玻璃壁上,荧光非常清楚。也就是说,管中由阴极发射出强烈的阴极射线。   克鲁克斯制成了高真空放电管——阴极射线管,后来人们把这种放电管叫做克鲁克斯管。   克鲁克斯详细地研究了阴极射线的许多奇妙性质。     奇妙的实验   1879年8月22日,英国科协在伦敦举行科学报告会。许多科学家在开会前几小时就赶到了会场,希望能占上一个前排的好位置。因为那天是有名的克鲁克斯教授作报告,并且还要当众表演各种各样的放电管,来晚了坐在后面怎么能看得清楚呢?   克鲁克斯也忙得够呛!他和他的助手一起,几乎把他的实验室的东西都搬来了。讲台上放了好几张桌子,桌子上摆满了各式各样的放电管,还有高压感应线圈、蓄电池等等。   在热烈的掌声中,克鲁克斯开始作报告。他详细地介绍了他一年来研究阴极射线的成果。   克鲁克斯指出:在盖斯勒管中是低压气体在发光,不论管子是什么形状,在高压电的作用下,充满整个管子的低压气体都会发出明亮的辉光。但是在高真空放电管中只有阴极射线,阴极射线是走直线的,并且是肉眼所看不见的,我们能看见的只是由阴极射线打在玻璃管壁上而引起的荧光。   他的助手搬来一个V形放电管,上面两端接有电极。克鲁克斯将电源接到放电管上以后,报告厅窗上的帷幕拉上了,大厅里的灯也熄灭了。在黑暗中,大家看到V形管右半部管壁发出一股微弱的荧光,管底则发出一片明亮的荧光,而管子左半部却完全是黑暗的。   克鲁克斯说明右边管子头上接的是阴极,左边接的是阳极。接着,他把电极交换了位置,结果V形管左半部有荧光,而右半部变成黑暗的了。   克鲁克斯说:很清楚,阴极射线是由阴极发出来的,它不能拐弯。   接着助手又搬上两个大的梨形放电管。通电后,在阴极对面的玻璃壁上发出一片绿色的荧光。克鲁克斯把一个放电管立了起来又放下,这时在管中竖立起一片十字形的金属片,这金属片挡住了阴极射线,玻璃壁上出现了十字形的黑影,非常清楚。   克鲁克斯说:虽然阴极射线像光线一样可以生成影子,但是它不是光线。   他把另一个放电管中的挡片立起来,同样出现了黑影。   他说:这个挡片是透明的云母做的,光线能透过,阴极射线却透不过。那么阴极射线是什么呢?请看下一个实验。   一个长长的放电管搬上来了。这管子做得十分巧妙,中间平行地安放着两根玻璃棒,就像火车的轨道一样,在玻璃轨道上安放着一个云母片做的小风车。通上电以后,小风车开始转动,离开阴极向阳极跑去。把电极互换以后,原来的阴极变成阳极,原来的阳极变成阴极,小风车又往回转动。   克鲁克斯告诉大家,由阴极发出来的射线实际上是微小的粒子流,它们打在小风车一侧的翼上就会使风车转动。   克鲁克斯表演了各种各样的放电管,有的里面放着铂铱片,在阴极射线集中射击下发热发光;有的里面放了一块钻石,有的放着各种矿石,这些物质在阴极射线的射击下发出五颜六色的光芒。他说,分析这些光的光谱,可以鉴定物质的化学组成。    最使人惊叹不已的是这样一个放电管:阴极做成了凹面镜形,所以发出的阴极射线聚焦在一个小点上。在管中装了一个可以转动的风车,在风车和阴极之间立着一块挡板。通电以后,阴极射线射在挡板上,风车静止不动。这时候,克鲁克斯把一块磁铁挂在放电管上面,在磁场的作用下,阴极射线往上偏转了,通过挡板的上方射在风车的翼上,于是风车就飞快地转动起来。克鲁克斯又把磁铁转了180°,磁场方向也跟着变了180°,阴极射线反过来向下偏转了,通过挡板的下方射在风车翼上,于是风车就反方向转动起来。   克鲁克斯反复地转动磁铁,风车就一会儿正着转,一会儿反着转。风车上画了清晰的螺旋线,所以由螺旋线是展开还是收缩可以看清风车旋转的方向。   “啊!真是妙极了!”人们惊呼。   克鲁克斯告诉大家,光线是不能被磁场弯曲的,而阴极射线能被磁场弯曲,这说明阴极射线不仅是一种粒子流,而且是带电的粒子流。   各种放电管都表演过了,窗上的帷幕打开了。最后,克鲁克斯对这些实验作了总结,他指出:阴极射线是一种物质的流,是带电的物质的流,它以很高的速度离开阴极,这是由于同性相斥,它带的显然是阴电。   这是一种什么样的物质呢?这不是我们通常见到的三种形态的物质,不是固态的,不是液态的,也不是气态的,而是超气态物质,在放电管中的物质是第四态物质。   在极其热烈的掌声中,克鲁克斯结束了他的科学报告。大家涌上台去,更仔细地察看那些巧妙的放电管。这一系列精彩的科学实验使大家赞叹不已!阴极射线是一种带负电的粒子流,是一种前所未知的新物质。   许多科学家回去之后都装起了克鲁克斯管,想揭开阴极射线之谜。     原子里的电子   现在要讲一下世界上最有名的实验室的工作了。英国剑桥大学有个卡文迪许实验室,是为了纪念1810年去世的著名科学家卡文迪许而建立的,创建于1874年。第一任实验室主任就是伟大的物理学家麦克斯韦,他创建了电磁场理论,并指出光是电磁波。第二任主任是瑞利,他和拉姆赛一起发现了空气中的惰性气体。1884年,汤姆逊做了第三任实验室主任,他开始研究阴极射线。   卡文迪许实验室有各种精密的物理学仪器,有研究电磁学的光荣传统。汤姆逊在研究了普吕克、希托夫、古德斯坦以及克鲁克斯的工作以后,设想:既然阴极射线是带电的粒子,又能够被磁场和电场偏转,那么就可以利用这个特点来测定阴极射线的速度、质量和电荷。   汤姆逊设计了一个阴极射线管,在管子一端装上阴极和阳极,在阳极上开了一条细缝,这样一来,通电后阴极射出的阴极射线就穿过阳极的细缝成为细细的一束,直射到玻璃管的另一端。这一端的管壁上涂有荧光物质,或者装上照相底片。   在射线管的中部装有两个电极板,通上电压以后就产生电场。电场越强,阴极射线通过电场后偏转就越大。电场强度和偏转程度都可以测量出来。   这时候在射线管外面又加上一个磁场,这个磁场能使阴极射线向相反的方向偏转。调节电场和磁场的强度可以使它们对阴极射线的作用正好相互抵消,结果阴极射线不发生偏转。   汤姆逊测量了在这种情况下的电场和磁场的强度,利用物理学定律计算出了阴极射线的速度。这速度非常快,大约是3万公里每秒(相当于光速的1/10)。   接着他又测量组成阴极射线的带电粒子的电荷和质量的比值,发现这种带电粒子的质量非常小,大约是氢原子的质量的1/2000。   汤姆逊作了许多实验。他用金、银、铜、镍等各种金属作阴极,他测量了不同阴极上射出的带电粒子,发现它们的电荷和质量的比值都是一样的。他又把不同的气体——氢气、氧气、氮气……充到管内,阴极上射出的带电粒子的电荷和质量的比值还是一样的。   这就说明了一个非常重要的问题:不管阴极射线是由哪里产生的——是由电极产生的还是由管内气体产生的,结果都一样。也就是说,在各种物质中都有一种质量约为氢原子质量的1/2000的带阴电的粒子。这实验是1897年10月完成的。   1897年4月30日,汤姆逊在英国皇家学会讲演的时候曾经指出:“阴极射线不是带电的原子,阴极射线的粒子应该比原子小得多。”半年之后,他证实了自己的论断。   关于电,从18世纪以来,许多科学家都在研究。他们认为电也有一种最小的粒子,并且起名叫做电子。如今,汤姆逊真的发现了这个电的小微粒——电子。   阴极射线实际是高速的电子流。后来人们又发现,炽热发光的电灯丝也会发射电子,光照在某些物质上也会发出电子,电子在各种物质中都有,它是原子的组成部分。后来人们更精密地测定了电子的质量,它是氢原子质量的1/1837。   现在大家都公认,是汤姆逊在1897年正式发现了电子。这是19世纪末最伟大的发现之一。20世纪是电子时代,是原子时代。电子的发现为人类打开了这个新时代的大门。   要知道,汤姆逊的实验装置实际上就是电视显像管的前身。尽管电视显像管十分复杂,基本原理却是一样的。在今天,你可以在看电视的时候做一下汤姆逊的实验,只要拿一块磁铁放在显像管旁边,就会看到电视的映像变了形状。这是因为磁场对显像管中的电子束起了偏转作用。   人们不断深人地研究气体放电管,终于发现了电子。在电子发现的前一两年,还有两件伟大的发现也是与放电管的研究分不开的,这就是X射线和放射性的发现。     “偶然”的大发现   1896年初,一件科学发现轰动了世界各国的大学和科学院。科学家们一碰头就会询问和议论:“你看到那篇科学论文了吗?德国伦琴教授的。”   “你知道吗?发现了一种看不见的射线——X射线,它能穿透各种东西!”   “昨天用我们实验室里的阴极射线管作了实验,真有这种射线,奇妙极了!”   这到底是怎么回事呢?   原来,1895年10月间,德国波恩的物理学教授伦琴在实验室内装起了阴极射线管,开始研究阴极射线。过了不久,实验室中发生了一件怪事,有一包用黑纸包得很好的照相底片全部感了光。再去买来一包新的底片放在实验室里,过了几天一检查,又都感光了。这可是从来没有发生过的事。   伦琴想:过去没发生过的事,现在发生了,现在和过去不同的是实验室内新安装了阴极射线管。是不是阴极射线使底片感光了呢?   为了避免再发生底片自动感光的事件,11月8日晚上,他把阴极射线管用厚的黑纸包了起来,接通了电源,看了看,果然看不到射线管壁发出来的荧光了。接着他收拾了一下实验室,关掉电灯就离开了。刚走了不远,他猛然想起,阴极射线管的电源还没有关,于是他又走回实验室。   推开门以后,在漆黑的实验室里他看到有一处在闪闪发着绿光。打开电灯一看,原来是一块涂有铂氰酸钡的荧光屏。他把阴极射线管的电源关掉,再关上电灯,这时候荧光屏不再发光了。他摸黑把阴极射线管的电源重新接通,荧光屏又发光了。   真是怪事!铂氰酸钡是一种荧光物质,只有在强光照射下才会发出荧光。现在荧光屏发光,显然和阴极射线管有关。但是,阴极射线管发的光很弱,并且已经被厚的黑纸包了起来,荧光屏怎么还会发光呢?况且这荧光屏还在两米以外。   伦琴想试试是不是有什么光线从阴极射线管发出来照在荧光屏上。他把手伸在荧光屏和阴极射线管之间。果然,在荧光屏上出现了手的影子。但是仔细一看,伦琴大吃一惊!在很淡的手影之中还显出了黑色的手的骨骼的影子。手动一动,影子也动一动,骨骼也在动,非常清楚!   面对着这个新发现,伦琴激动极了,他也不想回家了,在实验室里用各种东西放在这看不见的射线中间试验,一直搞到天亮。他发现纸片以至厚木板都挡不住这种射线,只有较厚的铅片才能把它完全挡住。   现在他清楚了,放在抽屉中的照相底片所以会感光,是因为木板和纸挡不住这种穿透力极强的射线。   伦琴几乎整天在实验室中研究这新的射线,回家也在讲他的发现。1895年12月22日,他妻子到实验室来看他的新发现。他从别的实验室拿来一片用黑纸包好的照相底片,放在阴极射线管旁边,让他妻子把手按在底片上,接着他把阴极射线管的电源接通了一会,然后把底片拿去冲洗。冲好的照相底片使他的妻子大吃一惊,这是一只手的骨骼的照片,手上戴的金戒指也显得一清二楚! 对于这种看不见的射线,伦琴开始认为是穿透了玻璃管壁跑了出来的阴极射线。他用磁铁去试了一试,这种看不见的射线没有偏转,说明它不是阴极射线。他又猜想可能是一种光线,便让这种射线通过三棱镜,结果证明它和普通的光线不同,三棱镜不能使它发生折射。真是一种性质未知的奇妙射线!   伦琴想起了代数中的未知数常用X来表示,所以,他把这未知性质的射线起名叫做X射线。   伦琴把他的发现写成论文,于1895年12月28日在德国的科学杂志上发表了。伦琴的发现立刻震动了世界,不仅在科学界,社会上也轰动了,各种报纸和杂志都在讲X射线,有的还刊载第一张X射线照片——伦琴夫人的手骨。   新发现的消息传到美国的第四天,就有一位医生用X射线检查了受枪伤的病人身体里有没有留下子弹。X射线能看穿人的身体,可真是医生的好助手。伦琴也就在全世界出了名。   许多人都认为伦琴真幸运,他偶然地得到了这个伟大的发现。实际上并不是这样。在当时,许多实验室都在研究阴极射线,许多实验室也都使用照相底片,底片感光的“偶然”现象必然会在这些实验室发生。例如,发明高真空阴极射线管的克鲁克斯,在当时就曾经遇到过放在实验室里的底片感光的现象,但是他当时正专心地制作各种放电管去研究阴极射线,而没想到会有什么看不见的射线在作怪,所以他认为是底片厂的产品质量不好,把坏底片拿回厂家去退换,使照相底片厂蒙受了不白之冤。   还有一位美国科学家,名叫古德斯培德,在知道伦琴的发现以后,声称他在5年前就发现了X射线。原来在1890年2月22日,他曾经偶然地得到一张线圈的X射线照片。但是在这5年中间,他并没有深人研究,只是伦琴说明问题以后,他才恍然大悟。   和古德斯培德相反,伦琴没有轻易放过实验过程中发生的似乎是偶然的现象,继续实验,深人研究,终于发现了X射线。   后来经过进一步的研究,发现X射线原来是阴极射线轰击到物质上的时候产生的。伦琴在高真空放电管中正对着阴极安装了一个金属靶子,当阴极射线集中射到靶子上的时候,就会发出很强的X射线。这种装置现在就叫做X射线管,又叫做伦琴管。   由于这一伟大发现,伦琴获得了科学界的最高荣誉——1901年的诺贝尔奖。他是第一个获得诺贝尔物理奖的科学家。     他们完全搞错了   伦琴的发现引起了世界性的狂热。实验室里所有的放电管都开动起来了,医院里也纷纷装配X射线管用来给病人检查。科学家则研究X射线的性质,想解答这个“X”。甚至有些贵族也请人在客厅里安上一台放电管,在客人面前表演X射线透视,让大家彼此看看各人的骨骼。   法国科学家彭加勒详细地研究了伦琴的论文,他特别注意到论文中这样一段叙述:“X射线产生的地方恰好是克鲁克斯管壁上被阴极射线打中的地方,这部分玻璃管壁还发出强烈的荧光。”   彭加勒想:X射线既然在荧光特别强的地方产生,那么,一切发出荧光的物质,是不是都会发出X射线呢?可能不一定只有克鲁克斯管才能发出X射线。   另一位法国人沙尔听到了彭加勒的想法,立刻就去做实验。   荧光物质是这样的一种物质,在被太阳光或其他光线照射后,它本身就会发出荧光,但是时间很短。伦琴借以发现X射线的铂氰酸钡就是这种物质。荧光物质种类很多,其中最普通的就是硫化锌和硫化钙。这类物质在太阳光照射之后,拿到黑暗处,就可以看到它们发出绿色的荧光。沙尔选用了硫化锌做实验。   他把照相底片用黑纸包好,上面放上一小块硫化锌,然后放在太阳光下晒,让硫化锌发出荧光,晒过后把底片拿去显影。结果底片上真的出现了一个深色的斑点。这不就证明了彭加勒的设想对了吗?太阳光照射硫化锌,硫化锌发出荧光,同时发出X射线,X射线透过黑纸使底片感光,于是就出现了那块斑点。   1896年2月10日,沙尔在法国科学院每周一次的科学报告会上作了报告。一星期后,又有一位聂文格罗夫斯基也在科学院作了同样的报告,结果和沙尔一样,他用的荧光物质是硫化钙。   以后,法国科学院每周都有人作报告,宣布他用荧光物质得到了X射线。   这种科学发现倒是件很简单的事!只要用一张包着黑纸的照相底片,找一块荧光物质放在上面,在阳光下晒一晒,再拿底片去显影。用不了半天时间就可以写一篇科学论文,然后到科学院去作报告。这可真是便宜事,于是,大家争先恐后地去做这种实验。   这样一来,X射线就不那么神秘了。法国科学院院士特罗斯特宣称:“用不着那些复杂的电源和容易打破的放电管了。只要把一块荧光物质在强光下照射一下,就可以得到X射线。”   他的结论下得太早了,那些科学家的实验也太粗糙了。实际上,他们完全搞错了。     又一次“偶然事件”   在从荧光物质中寻找X射线的浪潮中,有一位名叫贝克勒耳的法国科学家也被卷进去了。他的父亲老贝克勒耳是专门研究荧光物质的化学家,他对各种荧光物质也很熟悉。贝克勒耳选了一种荧光最强的物质——硫酸钾铀复盐做实验。开始,他得到的结果和沙尔一样。1896年2月24日,他在法国科学院作了题为《荧光中发生的射线》的科学报告。   他说:“用两张致密的黑纸,把澳化银照相底片包起来……在纸上面放上一种荧光物质(硫酸铀和硫酸钾的复盐),然后在太阳光下放置几小时;底片冲洗以后,在背景上出现了荧光物质的轮廓。如果在荧光物质和黑纸之间放上钱币或有花纹的金属片,那么照相底片上就会出现这些物品的形象。”   如果是一个粗心大意的科学家,他做了一次实验,匆忙地下个结论就完事了。贝克勒耳可不是这样的人。他报告了初步实验结果,回去继续做实验。他发现这种射线不仅能透过黑纸,而且能够穿透薄的金属,例如0.1毫米厚的铝箔或铜箔。   2月26日,他用金属片剪了一个花样,放在黑纸包着的底片上,上面再仔细地布满硫酸钾铀复盐。当他准备把这些东西拿出去晒太阳的时候,不巧阴天了,他只好把安排好的试验品收在箱子里。   连续几天都是阴天,太阳始终没出来。3月1日仍然是阴天,第二天科学院又要开会了,贝克勒耳只好把没有晒过太阳的试验底片拿去显影。他想,荧光物质没有强光照射是不会发出荧光的,在阴天的光线下,即使发出荧光也一定很弱;X射线是和荧光一起产生的,一定也很弱。他预计,底片不会很清楚。   出乎他的意料,奇怪的事情发生了。冲洗出来的底片显出非常清楚的金属片花样。看来这些天,荧光物质一直不停地在发出X射线。   贝克勒耳知道,只有在强光照射下,荧光物质才能发出荧光。停止照射后,荧光物质在一段时间里还能继续发光,这段时间叫做荧光的寿命。各种荧光物质的荧光寿命是不一样的,贝克勒耳用的铀化合物的荧光寿命非常短,只有0.01秒。因此,根据这次实验的结果,贝克勒耳断定:荧光物质发出X射线的时间和荧光寿命并不一致。   第二天,贝克勒耳在科学院介绍了他一周来的实验情况。对于发现的偶然情况,他提出了一个新的看法:“荧光现象中产生的不可见的射线的寿命要比荧光的寿命(0.01秒)长得多。”   过了一个星期,贝克勒耳又到科学院去作报告。这一个星期,他的实验是在暗室中做的。在暗室中,铀化合物根本不发荧光,但是照片依然很清楚,不可见的射线的强度一直没有发生变化。   大家于是议论纷纷,彭加勒的想法可能有问题,看来荧光现象和X射线并没有关系。可是以前沙尔等人用硫化锌和硫化钙做的实验,又该怎样解释呢?   贝克勒耳回去又用硫化锌、硫化钙等荧光物质重复了别人的实验,但是无论太阳怎样晒,也没有得到预期的射线照片。他去请教特罗斯特院士。特罗斯特也做了实验,他也没有得到什么射线的照片。     一种新的射线   试验继续了一个月,其他几种荧光物质并不发出什么不可见的射线来。但是保存在暗室中的铀化合物,还是在不停地放出不可见的射线。   这时候,贝克勒耳已经确定不可见的射线和荧光没有关系,放出不可见的射线来的,一定是硫酸钾铀复盐中的某种物质,只是还不知道到底是硫酸,是钾,还是铀。   贝克勒耳又埋头做了大量的实验。   用纯硫酸钾做实验,照相底片没有感光,证明硫酸和钾都不会放出不可见的射线。唯一的可能就是铀了。   换用别的铀化合物试试,照相底片果然感光了。贝克勒耳用各种铀化合物进行试验,结果都一样。   1896年5月18日,贝克勒耳又一次登上法国科学院的讲台,他说:   “我研究过的钠盐,不论是发荧光的,还是不发荧光的,是结晶的、熔融的或是在溶液中的,都有相同的性质——不停地发出不可见的射线。这就使我得到结论:铀是主要的因素。我用纯铀粉做了实验,证明了这个结论。”   不是荧光物质,而是铀在不停地发出不可见的射线。但是,这不可见的射线是不是X射线呢?贝克勒耳告诉大家:不是!   他用金箔验电器做了实验。   金箔验电器是装在一根金属棒端的两片极薄的金箔。用皮毛摩擦玻璃棒,玻璃棒就带阳电荷,用带阳电荷的玻璃棒接触金属棒,两片金箔也都带上阳电荷。由于同性的电荷互相排斥,两片金箔就张开了。看金箔是否张开,可以检验一种物体有没有电荷。验电器带电后,如果空气干燥,电荷就不会跑掉,金箔可以张开很久;如果空气潮湿或者有带电粒子通过,金箔上的电荷会很快地跑掉而闭合起来。   贝克勒耳用金箔验电器检查铀放出来的不可见的射线,发现张开的金箔会很快地合拢,而X射线则没有这种性质。这说明铀放出来的射线不是X射线,而是一种新的射线。这种新的射线倒有点像克鲁克斯管中的阴极射线。   铀在不断地发出一种新的不可见的射线,这似乎又是一个“偶然”的大发现。事实说明,贝克勒耳是在一个错误的假设(认为荧光物质在发荧光的同时也发出X射线)下开始进行实验的。但是由于他有正确的科学态度,能够反复实验,尊重事实,并且通过科学分析不断修正错误的假设,结果终于完成了伟大的发现。   至于沙尔等人开头做的实验又是怎么回事呢?这几个丢脸的实验,到后来连他们自己也说不清楚了。   也许他们用的底片已经感过光,或者显影液有毛病;也许他们包底片的黑纸不够厚;也许是硫化物在太阳光下分解了,生成二氧化硫或硫化氢,这些气体透过黑纸把底片弄坏了……总之,他们不仔细,又急于下结论,结果造成了错误,成为科学史上的笑柄。     居里夫妇的实验   贝克勒耳的发现是19世纪末最伟大的发现之一,成为人类打开原子大门的钥匙。不过,他的发现不像伦琴的发现那样立刻震动了全世界,也没有引起世界各国的普遍研究。因为当时人们认为,这仅仅是研究X射线性质的一个插曲。但是,原籍波兰的法国科学家玛丽·斯可罗多夫斯卡(即居里夫人)和她的丈夫比埃尔·居里认为这个发现很重要,他们决定研究这新发现的射线。   要研究这种肉眼看不见的射线,就得先有一种迅速而方便的侦察射线的方法。用照相底片感光的方法太慢了,太麻烦了。玛丽仔细研究了贝克勒耳的报告,她注意到了“铀盐发射出来的不可见的射线能使带电的金箔验电器放电”这段记载。   是不是能够用验电器的放电来发现不可见的射线,并且根据验电器放电的快慢来测量放射性的强弱呢?   比埃尔·居里是物理学家,他很快地设计制造了一种既简单又灵敏的验电器。利用和验电器相联的灵敏检流计,可以很快地发现射线并测量射线的强度。他用铀化合物做了试验,这种验电器非常好用。   玛丽想:除了铀以外,会不会还有别的物质也能发出不可见的射线呢?她搜集了各种各样的化合物反复进行试验,终于找到了另一种元素——钍。钍和铀一样,也会不停地发出不可见的射线。她把这种现象叫做“放射性”。铀和钍都是放射性元素。   接着,她又仔细地研究铀的放射性。她发现,含铀多的物质放射性就强,含铀少的物质放射性就弱。她试了各种铀的化合物,包括金属铀,都证明了这一点。这就是说,可以根据放射性的强弱来测定出物质中铀的含量有多少。   但是,玛丽在应用这种方法来测定铀矿石中的铀含量的时候,出现了怪事,沥青铀矿和铜铀云母矿石的放射性比纯金属铀还要强得多。实验反复进行了20多次,一直是这样。难道是验电器出了毛病?可是用铀的化合物试验,又没有问题。这是怎么回事呢?   为了弄清楚这个问题,玛丽在实验室里用化学方法合成了铜铀云母,主要成分和天然的铜铀云母一样。但是,人工合成的铜铀云母的放射性只有天然的铜铀云母的18%。差别在哪里呢?唯一的差别就是天然的不够纯,有杂质。这多出来的放射性,想必是由杂质产生的。也就是说,在这些铀的矿物中存在着放射性更强的未知元素。   这是伟大发现的前夜,比埃尔·居里决心放下他自己从事的物理学研究,和玛丽一起去找寻这未知的新元素。   新元素会有什么样的化学性质呢?不知道。但是他们相信,这新元素一定有非常强的放射性。   他们决定从沥青铀矿中去寻找。矿石先溶解在酸里,然后通人硫化氢气体,于是生成了许多沉淀。在沉淀中应该有铅、铜、砷、铋,而铀、钍、钡等应该还在溶液里。那么新元素到底在溶液里,还是在沉淀里呢?   把沉淀和溶液分开,用验电器分别测量,结果是沉淀的放射性更强一些。他们把这部分沉淀又用酸溶解了,加入了新的化学试剂,把铅、铜和砷都分离出去,剩下了铋这剩下的铋就有非常强的放射性。他们已经知道,铋是没有放射性的。这证明沥青铀矿石中含有一种化学性质和铋非常相似的新元素。新元素的放射性非常强,比铀要强许多倍。   1898年7月18日,在法国科学院宣读了居里夫妇提交的科学报告,题目是《沥青铀矿内所含的新放射性物质》。为了纪念玛丽的祖国波兰,他们提议把这种和铋的性质相似的新放射性元素叫做钋(Polonium,波兰的意思)。   居里夫妇不像一些粗心的人那样,把那些溶液丢掉。他们仔细地测量了溶液的放射性强度,结果发现,溶液的放射性强度比里面含有的铀和钍应有的强度还要大,看来还可能有另一种新元素在溶液里。他们继续努力工作。   5个月后,1898年12月26日,他们又到科学院宣布发现了一个新的放射性元素,化学性质和钡相似。这就是镭(Radium,放射线的意思)。镭的放射性极强,初次得到的和大量钡混在一起的镭,放射性已经比铀大900倍(纯镭的放射性要比铀大几百万倍)!   但是,要大家公认发现一种新元素,单靠强大的放射性是不行的,必需分离出纯的镭或是镭的化合物。   居里夫妇由奥地利搞来了8吨沥青铀矿渣。他们在理化学校的一间棚子里艰苦工作了45个月,最后,在1902年终于得到了0.1克纯氯化镭的白色晶体。   镭,这种新元素,谁也不怀疑它的存在了。这真是一种奇妙的元素,它不停地放出极强的射线。不仅如此,人们还发现镭的射线能治病,能治疗癌症。   消息传遍欧洲,传遍全世界。研究镭射线,不仅在自然科学家那里,也在医学界展开了。开始没有太多人注意的对放射性的研究,一下子在全世界形成了热潮。许多国家纷纷成立了镭学研究所来研究镭和其他放射性物质。有些国家还建立了工厂去提炼这极为宝贵的镭,以满足医疗和科学研究的需要。   贝克勒耳和居里夫妇一起,因为放射性的发现和研究,1903年得到科学界的最高荣誉——诺贝尔奖。     科学出现了“危机”   19世纪快要过去了。   在这一世纪中,物理学确立了物质不灭、能量守恒和转化等基本定律,建立了热力学定律、电磁场理论,等等。加上早已发现的牛顿力学三大定律,物理学家可以掌握天体运行和各种物质变化的规律,他们感到很满意了。   在这一世纪开始的时候,1803年,英国科学家道尔顿根据古代希腊哲学家的原子论提出了元素、原子学说。按照这个学说,元素是构成千变万化的宇宙万物的基石,而元素的最小微粒就是原子;同一元素的原子彼此完全一样,而不同元素的原子彼此又各不相同。   在宇宙间有多少种元素,或者说,有多少种原子呢?这是在道尔顿提出他的学说以后,人们急切想弄清楚的问题。在19世纪,科学家们千方百计到处去找寻新元素。空气中、水里、地球深处,各种土壤、岩石、矿床里,他们都去找了,甚至找到太阳上。他们的工夫没有白费,果然发现了一个又一个的新元素。到了19世纪末,人们已经知道了有79种元素。   不仅如此,通过对各种元素的物理和化学性质的研究,还发现了元素性质变化的规律,这就是1869年门捷列夫提出的元素周期律。连门捷列夫预言过的一些元素也先后被发现了几个,这些元素的物理、化学性质几乎同他预言的一样。人们认为物质世界的规律已经基本清楚了,剩下的工作仅仅是补足周期表上为数不多的空位了。   然而出乎意料之外,19世纪末的几项伟大的发现,又给人们提出来不少新的问题。   按照当时公认的理论,原子是既不能创造,也不能毁灭,又不能再分割的最最基本的物质粒子。那么,放电管中的“射线”是什么呢?汤姆逊用实验回答说:是电子,并且在各种元素的原子中都有电子。这样看来,原子就不是不可再分的了!也就是说,原子不是最最基本的物质粒子了!   放射性的发现就更使人迷惑了。铀、钍、镭等放射性元素会不停地放出强力的射线,这种射线是怎样产生的?是什么物质?尤其是居里夫妇发现的镭,就显得更加奇妙了,它不仅发出强力的射线,还能发出光来,甚至能使附近的空气的温度升高几度。难道物质能凭空产生吗?难道能量能凭空产生吗?物理学的基本定律是不是也出了问题?   新的发现提出了新的问题,而这些新的问题把一些科学家们难住了。前面提到过的法国的彭加勒院士就是其中的一位。他把一切都看得很简单,他曾经企图解释X射线的来源,但是他错了;接下来发现了放射性,就使他更加糊涂,没法解释了。他惊慌失措地说:物理学出现了新的危机了,镭的发现推翻了能量守恒原理,电子的发现推翻了质量守恒原理,一切物理学的基本定理通通垮台了。   大多数的科学家不同意这种悲观的论点。他们相信,在新发现的这些奇妙现象后面,隐藏着一个人们还不认识的物质世界,人们当然还不了解这个新的物质世界的规律。摆在大家面前的任务不是胡思乱想,而是通过严密的科学实验去逐步地揭露这未知世界的奥秘,去总结新的科学规律。   这新的世界就在原子里面。原子不是不可再分的了,对人类紧闭着的神秘的原子的大门,已经打开了一条缝。从这条缝里跑出来了电子,还有放射线。   人类进人20世纪以后,在许多科学家的共同努力下,终于打开了原子的大门。 中编 打开原子的大门(二)     放射线是什么?   前面已经讲了,贝克勒耳发现了放射线,居里夫妇又作出了新的贡献。放射线本身究竟是什么呢?这正是当时科学界最关注的大问题。下面我们来讲一下另一位伟大的物理学家卢瑟福的工作。   1895年,就在伦琴发现X射线的那一年,年轻的卢瑟福从新西兰远渡重洋来到英国,到有名的卡文迪许实验室学习和工作。汤姆逊热情地欢迎了他。   一开始,他研究刚发现的X射线。当贝克勒耳发现放射线以后,在汤姆逊的建议下,卢瑟福立即转而研究放射线。   卢瑟福把铀装在铅罐里,罐上只留一个小孔,铀的射线只能由小孔放出来,成为一小束。他用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板去遮挡这束射线,结果发现铀的射线并不是由同一类物质组成的。其中有一类射线只要一张纸就能完全挡住,他把它叫做“软”射线;另一类射线则穿透性极强,几十厘米厚的铝板也不能完全挡住,他把它叫做“硬”射线。   正在这时候,居里夫妇发现了镭,并且用磁场来研究镭的射线。结果发现在磁场的作用下,射线分成两束。其中一束不被磁场偏转,仍然沿直线进行,就像X射线那样;另一束在磁场的作用下弯曲了,就像阴极射线一样。   用磁场研究射线,在卡文迪许实验室里可是拿手好戏,实验室主任汤姆逊在不久之前就是利用磁场、电场来研究阴极射线而发现电子的。居里夫妇的研究情况传到了英国,卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀(这时他手中还没有新发现的镭)的射线。   结果,铀的射线被分开了,不是两股,而是三股。新发现的一股略有弯曲,卢瑟福把它叫做α(阿耳法)射线;那一股弯曲得很厉害的叫做β(贝他)射线;不被磁场弯曲的那一股叫做γ(伽玛)射线。   卢瑟福分别研究了三种射线的穿透本领。结果是:   α射线的穿透本领最差,它在空气中最远只能走7厘米。一薄片云母,一张0.05毫米的铝箔,一张普通的纸都能把它挡住。   β射线的穿透本领比α射线强一些,能穿透几毫米厚的铝片。   γ射线的穿透本领极强,1.3厘米厚的铅板也只能使它的强度减弱一半。   这三种射线是什么物质呢?   居里用汤姆逊研究阴极射线的方法去测定了β射线,证明了β射线和阴极射线性质一样,是带阴电的电子流,只不过速度更快一些。   γ射线和X射线类似,都是波长非常短的电磁波。   α射线是什么呢?一时还不清楚。   由于α射线和β射线在磁场中弯曲的方向相反,显然α射线带的电荷和β射线正相反,α射线应该是带阳电(正电)荷的粒子流。   卢瑟福用了几年时间专心研究α射线,最后才证明α射线是失去两个电子的氦原子(氦离子)流。这段故事在下面再讲。     放射性“传染”   1899年,年轻的科学家欧文斯在卢瑟福指导下开始进行科学研究。   卢瑟福想,他自己已经研究过铀的放射性了,何不叫欧文斯研究一下钍的放射性呢!   欧文斯用钍在卢瑟福研究铀的仪器上做实验。一开始,卢瑟福没有来。几天以后,卢瑟福听了欧文斯的报告,来到了实验室。   师徒两人都戴上大口罩,还把实验室的门窗关得紧紧的。难道他们都伤风了吗?不是。   原来,欧文斯的实验一开始就不顺利。铀的放射性强度很稳定,而钍的放射性强度老是变来变去,实验室一开门,窗口吹来一阵风,甚至呼一口气,钍的放射性都会变。所以卢瑟福要亲自来观察这个怪现象。   因为气流会影响外的放射性,所以他们关紧门窗,戴上口罩做实验。这时候,针的放射性似乎是稳定的。欧文斯故意开了开门,卢瑟福看到仪器立刻显示出放射性的变化。门关好了,放射性又慢慢稳定下来。   卢瑟福轻轻地把钍由仪器中拿了出来,奇怪的是,仪器显示出仍然有放射性存在。吹上一口气,放射性又消失了。   看来,钍似乎有传染性,它把空气传染上了放射性。但是铀为什么没有传染性呢?   反复实验的结果,说明这种现象不是什么“传染性”,而是由于钍中放出来了一种气体。这种气体本身也有放射性,它不断放出α射线,卢瑟福把这种由钍放出来的放射性气体叫做“针射气”。   说来也巧,发现钍射气的第二年,居里夫妇指导学生多恩研究镭,发现镭也会传染放射性。这就是说,镭也在放出一种放射性气体,这种气体当时叫做“镭射气”。   卢瑟福知道了这个消息十分兴奋,立刻又去研究镭射气。他收集了两种射气进行比较,发现镭射气的放射性很快就消失了,而钍射气的放射性可以维持几个星期。   镭射气是什么?放射性消失以后,镭射气又变成了什么?卢瑟福和他的另一位同事索地应用光谱研究了镭射气。他们发现,镭射气原来是一种新的气体元素,他们给它命名为氧。镭射气在不断消失,变成了固体物质而沉积在容器的表面,同时,它又不断地产生出另外一种气体——氦。     α射线   氡是放射α射线的,氡又会不断地消失变成氦,人们很自然地推测α射线可能就是氦。但是推测不等于事实,这要用实验来证明。   做这个实验,首先要抓住α射线,然后才能检验它是不是氦。为了这个目的,卢瑟福设计了一个非常巧妙的实验。   卢瑟福知道α射线可以穿透很薄的玻璃,厚的玻璃就穿不过了。他把放射α射线的物质,例如钋或氧,封在一个很薄的小玻璃管里;这个小玻璃管的壁非常薄,钋或氧放射的α射线可以穿过管壁跑出来。   他把这个管壁薄的装有钋或氧的小玻璃管装在一个管壁厚的大一些的玻璃管里,然后把大玻璃管抽成真空。   钋或氡不断地放射出α射线,α射线穿过薄玻璃管壁跑出来,但是碰到外层的厚玻璃管壁时就跑不出去了。α射线被抓住了!   几天以后,在两个玻璃管之间的夹层中已经捕捉到一定数量的α射线了。在厚玻璃管两端预先封好的电极上通上高压电,管中发出黄色的辉光,用光谱仪检验,真的是氦。   α射线原来就是氦,但是并不是普通的氦原子,因为α射线是带阳电荷的。卢瑟福进一步证明,α射线是带阳电荷的氦离子流。它们一粒粒地由放射性元素内部射出来,速度非常大。因此,人人常常把α射线叫做α粒子。   卢瑟福这个实验是1909年做的。   古代希腊哲学家认为物质的最小微粒是原子。“原子”这个词,在希腊文中就是不可再分的意思。道尔顿在1803年提出:元素是永恒不变的,元素的最小粒子就是不可再分的原子。才过了100多年,人们发现这种观点不对了,元素不是永恒不变的,新发现的放射现象正是由一种元素蜕变成为另一种元素的过程。   这可不是毫无根据的瞎说,因为人们已经亲眼看到镭中产生了氡,氡又变成了氦。   既然元素会变,那么,元素的最小粒子——原子也就不可能是坚硬的不可分割的小球了,原子一定有更复杂的结构。要弄清楚一种元素是怎样变成另一种元素的,首先要知道原子到底是什么样的。     果子面包   前面已经讲了,汤姆逊发现在各种元素的原子中都有电子,可是在原子中,电子是怎样安排的呢?   汤姆逊总结已经发现的事实,在1904年第一个提出了原子结构的理论。   他想象原子是一个均匀的带阳电的球,在这个球里面,飘浮着许多电子。这许多电子带的阴电,正好和这个球所带的阳电相等,所以整个原子是中性的。如果失掉了几个电子,这个原子的阳电荷就过多了,形成阳离子;如果多了几个电子的话,这个原子的阴电荷就过多了,形成阴离子。   汤姆逊的原子模型有点像果子面包,整个面包好像一个原子,面包里的葡萄干好像电子。   人们发现,β射线就是快速运动的电子,它能够穿透几毫米厚的铝片,也就是说,电子能穿透原子。如果原子是道尔顿所认为的那样坚硬的小球的话,电子就没法穿过了。但汤姆逊用他的模型解释了这个现象,他认为,比起原子来,电子的体积是极小的,在原子里面电子之间的空隙很大,所以速度非常快的电子可以穿过空隙跑过去。这种情形可以比作一粒快速的葡萄干打穿了果子面包。   原子里面的电子之间的空隙就那么容易穿过吗?汤姆逊认为,带阳电荷的球是没有质量的,只有带阴电荷的电子才有质量。汤姆逊已经测量出来电子的质量差不多是氢原子质量的1/2000。既然原子中只有电子有质量,那么一个氢原子中就应该有差不多2000个电子。氦原子的质量是氢原子的4倍,那么一个氦原子中就会有8000个左右的电子!更重的元素的原子中的电子,数目就应该更多了。   能有这样多的电子吗?还有,α粒子也能穿过很薄的金属箔。这又怎样解释呢?   α粒子是失去两个电子的氦原子,按汤姆逊的模型,那就是一块掉落两粒葡萄干的小面包。一块小面包打在大面包(金原子)上,不管速度有多大,很难想象怎么能穿透过去。   看来,汤姆逊的果子面包原子模型有很多问题。     卢瑟福的小太阳系   卢瑟福已经对α射线进行了多年的研究,他一直在考虑α粒子在穿透很薄的金箔时发生的怪现象:它们绝大多数笔直地穿过了金箔,有极少数穿过金箔之后却改变了方向。这些α粒子为什么会改变方向呢?   高速前进的α粒子会转弯,看来是碰到了什么障碍物。这种障碍物不会是质量极小的电子,而应该是体积非常小、质量足够大的一粒什么物质。这一粒物质,就在金原子中。   于是,探究原子深处奥秘的新的科学实验开始了。   这一天,卢瑟福和他的年轻助手盖革走进实验室,还有几个学生也来帮忙。实验室里装着新设计的仪器——中间是一片金箔,正对着金箔有一个装有放射性元素的小罐,α粒子成为一小束由罐口向金箔射去。金箔周围有一个大的有刻度的圆盘,上面装着一个能够沿着圆盘转动的闪烁镜。   闪烁镜是老科学家克鲁克斯在1903年发明的。这是一小片涂有硫化锌的荧光屏,要是有一个α粒子打在屏上,屏上就会发生一个小小的闪光。用放大镜进行观测,并且数出闪光的次数,就可以推算出α粒子的数目来。   窗上的黑色帷幕放下来了。在漆黑的实验室的一角点起一根小小的蜡烛,卢瑟福和学生们一起闲谈了一会,等候大家的眼睛习惯黑暗。   “可以开始了!”卢瑟福说。   盖革坐在仪器旁边,记下闪烁镜转动的角度后,睁大眼睛看着闪烁镜。   “记数!”卢瑟福看着时间。   “1、2、3、4……”盖革数着闪烁镜中出现的闪光的次数——α粒子的数目。   过了一定时间,卢瑟福说:“停!”这时候,盖革数到58,这就是在这段时间里偏转过来的α粒子数。   闪烁镜转到新的角度,实验重新开始。   过了一段时间,盖革的眼睛酸了。于是卢瑟福坐在仪器旁观测,盖革记时间,学生们也轮流帮助他们进行观测。   他们转了一个角度又一个角度,结果发现偏转角度越大,α粒子就越少。   最后,他们把闪烁镜转到α粒子源的同一边,观测又开始了。   经过较长的沉默以后,盖革数出了“1”,又过了一段时间,才是“2”   看!α粒子不但偏转,而且还在金箔上反弹了回来。   这些现象怎样解释呢?他们进行了热烈的讨论。   1911年3月的一天早晨,盖革正在实验室里整理仪器。他的老师卢瑟福兴冲冲地进来了。   “我知道了!”卢瑟福说:“原子到底是什么样的我知道了!原子确实有核,而且核是带阳电荷的。α粒子也是带阳电荷的,所以在接近带阳电荷的核的时候,由于同性电荷相斥而偏转了。”   卢瑟福接着解释实验结果:带阳电荷的核和整个原子相比是非常小的,所以大部分α粒子穿过原子中的空当,不受核的阳电荷的斥力的影响,只有极少数接近核的α粒子受到斥力作用而偏转,极个别的α粒子差不多正对着核撞去,在斥力的作用下被弹了回来。   过了几天,卢瑟福拿出理论计算公式给盖革看。他根据新的模型算出偏转到各种角度的α粒子的数目,和盖革的实验结果比较,基本上是一致的。   原子不像果子面包了,而像有核的桃子或杏子。但是这个比喻也不够恰当,因为和原子中的情况相比,核在整个果子中所占的体积就显得太大了。更恰当一点的比喻是像个小小的太阳系,中心是带阳电荷的原子核,外面绕着核转的是带阴电荷的电子。不同的是:在太阳系中,行星绕太阳转,靠万有引力;在原子中,电子绕着原子核转,靠异性电荷的吸引力。   1911年10月,卢瑟福在卡文迪许实验室科学年会上作了报告。他详细介绍了他们的实验,提出了新的原子模型。他通过理论计算,证明金原子的半径是0.000000016厘米,而金原子核的半径大约只有0.000000000003厘米。他指出,原子核的体积虽然小,但是原子的质量几乎全集中在原子核上。原子的质量越大,原子核带的阳电荷就越多,外围的电子数目也就越多。   精密的实验、严格的理论,使到会的科学家人人信服,都接受了卢瑟福的新的原子模型。   现在,这个模型比当时又发展了。原来,电子绕原子核运动并不像行星按固定的轨道绕太阳转。电子在原子核外面的运动有时分布成球形;有时分布成为对称的椭球或别的形状,这叫做“电子云”。     玻尔和莫斯莱的贡献   一个新的原子模型建立了,但是还不完善,还有许多问题。   按照卢瑟福的模型,带阴电荷的电子靠异性电荷的吸引力,围绕着带阳电荷的原子核运动。但是,一些物理学家提出了疑问。   他们指出,根据已经知道的电磁运动的规律,电子在运动的时候会放出电磁波(能量)。因此,绕着原子核旋转的电子,因为能量逐渐减小,应当沿着一条螺旋形的轨道转动,离中心的原子核越来越近,最后碰在原子核上。这样一来,原子就被破坏了。   实际上,原子很稳定,有一定大小,并没有发生这种电子同原子核碰撞的情况。这又怎样解释呢?   曾经作过卢瑟福的研究生的丹麦科学家玻尔研究了这个问题。他应用当时物理学中新发展起来的量子论,指出电子按着固定的轨道围绕原子核运动的时候是不会放出能量的,所以电子不会掉到原子核上去。他还指出,电子在原子核外面只能在一定的轨道上运动。他提出了核外电子排列的规律。这就是有名的玻尔模型。   卢瑟福也在继续指导他的助手做实验。他们用各种方法测定各种元素的原子核所带的阳电荷数。   1913年,他的学生莫斯莱发现元素在周期表上的排列次序,原来就是原子核带的单位电荷数。当然,在原子核外面也有同样数目的电子。他把元素的原子核所带的单位电荷数叫做原子序数。   莫斯莱的原子序数,玻尔的原子模型,把元素周期律解释得更清楚了。他们的发现很重要,直到今天,全世界的中学和大学的物理、化学课本中都要详细介绍。   在周期表中还有多少空当呢?以前只能说大体上清楚,而且还说不清道理。比如,在氢和氦之间会不会还有没发现的元素?根据相对原子质量来看,氢是1,氦是4,中间可能有2和3的空当,于是就有许多人去找相对原子质量为2和3的新元素,当然他们不可能找到。   如今根据原子序数,也就是核电荷数来看,氢是1,氦是2,中间不再有空当,人们就知道,相对原子质量为2和3的新元素是不会有的。   一些新发现的元素,如钋、镭、锕和氡等都在周期表上找到了自己的位置。可是对放射性的继续研究又提出了新的问题。   这又得从头讲起。     搜索新元素   在刚开始发现放射性的时候,人们认为放射性元素是永远不停地放射着射线的。经过进一步的研究,发现这种看法并不正确。   例如,一小管氯化镭的放射性是会慢慢减弱的。经过长时间仔细测量,发现一定量的镭的放射性,经过1622年就要减弱一半,这表示镭已经减少了一半。铀减少的速度更慢,要4510000000年才减少一半。放射性强度减弱一半所需要的时间叫做放射性元素的半衰期。不同的放射性元素的半衰期是不一样的。   用测量放射性半衰期的办法,可以分辨不同的放射性元素。   在20世纪初,寻找放射性元素的科学研究在各国的实验室里进行着。   那位老克鲁克斯在研究铀,他用碳酸铵从钠盐的溶液中沉淀出来一种物质。这种物质不是铀的化合物,但是有极强的放射性,半衰期只有24天。他认为这里面含有新的放射性元素,取名叫铀X[[[1。   卢瑟福和索地在硝酸钍溶液中加上氨水,钍都沉淀了,剩下的溶液还有放射性,半衰期只有3天多。这又是一种新的放射性元素,他们给它取名叫钍X。   又有人研究镭射气,把一根金属针放在镭射气里,过了一段时间,这根金属针也“传染”上了放射性。研究的结果,是针的表面上沉积了一些放射性物质,分离开来有三种,起名叫做镭A、镭B和镭C。   几年之内,新发现的放射性元素多极了,有新钍[[[1、新钍[[[2、铀X[[[2、铀Y、铀Z、镭C′、镭D、镭E、镭F、锕X、射锕、射钍……一共三四十种,它们的放射性半衰期都不一样。   发现很多新的放射性元素当然是好事,但是周期表上可没有那么多的空位呀!   有人认为,周期表对放射性元素是不适用的。   事实真是这样吗?     一个假说   科学家们继续研究这些放射性元素的各种性质,不仅研究它们的放射性,还研究它们各自的化学性质和物理性质。   人们发现镭会放出镭射气,钍会放出钍射气,锕会放出锕射气。这三种射气的放射性半衰期完全不一样:镭射气是4天,钍射气是1分钟,而锕射气只有4秒。但是用光谱仪检验这三种射气,发现它们都是同一种元素——氡。同一种元素应该有完全相同的性质,为什么放射性会不一样呢?   卢瑟福的学生哈恩由钍中分离出一种名叫射钍的放射性元素,半衰期是1.9年,但是它的化学性质与钍完全一样。   又有人从钍中分离出来一种放射性元素,半衰期为6.7年,起名叫新钍[[[1,它的化学性质竟与镭完全一样。把新钍[[[1;和镭混合在一起,就再也不能用化学方法把它们分离开来了。   还有人从镭中分离出一种放射性元素,半衰期是80000年,起名叫鑀,但它的化学性质又和处完全一样。   索地根据这些新发现的事实提出了一个假说:有一些原子在质量上和放射性上可能是不同的,但是它们的化学性质完全一样。所以,这些化学性质相同而质量和放射性不同的元素,应该放在周期表上的同一位置里,叫做“同位素”。   索地的同位素假说是和卢瑟福的原子的核模型在同一年提出来的,还需要用实验来进一步证实。首先就应该“称量”一下这些同位素的原子,看看它们的质量是否真的不一样。     称量原子核   现在要讲讲卢瑟福的老师汤姆逊这些年在研究些什么了。   前面我们已经讲了他测量阴极射线——电子流的实验。1907年他又开始去研究那些失掉了电子的原子。   大家还记得,汤姆逊使阴极射线穿过带有细孔的阳极而成为一束,测量这束射线在电场和磁场的作用下发生的偏转,求出了电子的电荷和质量的比值。   这一回,他把仪器的高压电极反过来接,原来的阴极变为阳极,原来的阳极变为阴极。结果怎样呢?穿过带细孔的阴极也会射出一束射线。当然,这束射线是带阳电荷的,所以对应的叫做阳极射线。这是带阳电荷的粒子流,也就是离子流。   汤姆逊用和测量电子一样的方法,去测量阳极射线的电荷和质量的比值。   他在管内换用了不同气体进行测量。结果发现,同阴极射线不一样,阳极射线粒子的电荷和质量的比值,随气体的不同而不同,而以前测定阴极射线——电子,气体不同而结果一样。这说明阳极射线是失去了电子的某种原子或分子。   只要知道了离子的电荷,并且测定出它的电荷和质量的比值,就能计算出单个离子的质量。   在管内充上氢气,可以测定出失去一个电子的氢原子——也就是氢原子核的质量是:   0.0000000000000000000000017克。   这当然是极小的数值,但是比电子的质量大1836倍。   汤姆逊测量了许多气体的阳离子的质量,发现氦是氢的4倍,氮是氢的14倍,氧是氢的16倍,等等。   在卢瑟福发现原子有核的第二年,汤姆逊用上面的办法研究空气,他发现了质量是氢原子核的20倍的带阳电荷的粒子,这是氖。同时还发现了一种质量是氢原子核的22倍的粒子,这又是什么呢?   汤姆逊换上了纯氖,结果,质量是氢原子核20倍和22倍的两种粒子同时存在。   汤姆逊和他的学生阿斯顿反复试验,最后证实了这两种粒子都是氖。   索地的预言证实了。有两种不同质量的氖原子,一种的质量是氢原子的20倍,另一种的质量是氢原子的22倍,为了区别起见,把它们写作20Ne和22Ne。   氖的同位素发现了,道尔顿的学说必须修正。同一元素的原子,在质量上并不一定是一样的。   慢慢地,已经发现的那许多放射性元素,都在周期表中找到了自己的位置。它们原来是几种元素的同位素。镭射气、钍射气和锕射气都是氡的同位素;镭A、镭C′都是钋的同位素;钍X、新钍[[[1都是镭的同位素;铀X[[[1、射钍、鑀都是钍的同位素……   为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性呢?这就需要研究原子的心脏——原子核了。     敲开原子核的大门   多年来,汤姆逊兼任着剑桥大学卡文迪许实验室主任和三一学院院长的职务。1919年,他辞去卡文迪许实验室主任的职务,并且推荐卢瑟福做他的接班人。   卢瑟福担任了卡文迪许实验室主任以后,开展的第一件重大的科研工作,就是解剖原子核。   可是,一个金原子核的半径只有0.000000000003厘米,哪里去找一把能切开它的锋利的小刀呢?用锤子打吧,原子核又不是个核桃,要用什么样的锤子呢?为了这件事,卢瑟福想了好久。   他回想起他和盖革一起做过的α粒子散射实验。当时发现有极少数的α粒子会反弹回来,说明这些α粒子是正对着金原子核撞去的,只是由于受到同性电荷的斥力而被弹了回来。能不能设法使α粒子克服斥力,打在原子核上呢?这就需要两个条件。   第一,α粒子的速度要足够大,卢瑟福选用了镭C′(由镭蜕变生成的)放出来的α粒子,它的速度达到19200公里/秒。   第二,同性电荷的斥力的大小与电荷的多少成正比,金原子核有79个单位阳电荷,所以斥力很大。要使α粒子能打到原子核上,这个原子核的阳电荷越少越好,所以要选用列在周期表前面的一些元素。   卢瑟福作了一个可以抽真空的黄铜罐子,罐中放着一片涂有镭C′的小片,它不断地射出快速的α粒子。正对着这个小片的铜罐一端,有个小窗口,窗口上涂着硫化锌。如有α粒子射在窗口上,窗口就会发出闪光。   卢瑟福已经知道放射性元素放射出来的α粒子,在空气中只能通过一定的距离,这叫做α粒子的“射程”。不同的放射性元素放射出来的α粒子的射程是不一样的,镭C′放射的α粒子在空气中能射7厘米远。   在铜罐中涂有镭C′的小片离硫化锌窗口要比7厘米远一些,所以α粒子刚好射不到硫化锌上,在一般情况下,窗口不会发出闪光。   卢瑟福让他的助手马斯登抽掉罐中的空气,换上各种不同的气体来研究。   有一天,马斯登向卢瑟福报告了一个新发现:在罐内充了氢气,本来不发闪光的硫化锌窗口上出现了闪光。但是这闪光和α粒子所发出来的闪光不一样,可能是一种新的粒子。这种新的粒子是什么呢?   用汤姆逊的方法做实验证明,这是一种穿透力很强的速度比α粒子更快的粒子。它不是别的,原来就是失去电子的氢原子——氢核。   解释是这样的:快速的α粒子正对着氢原子核碰去,就像我们弹玻璃球一样,一个球弹在另一个球上,就把另一个球弹开了;由于α粒子的质量是氢核的4倍,所以碰撞以后,氢核以更大的速度弹开去了。   这个实验证明,α粒子确实打到氢原子核上了。   马斯登继续做实验。   他换上了二氧化碳气和氧气,这时候,硫化锌窗口不发生闪光。看来氧核和碳核都比较重,即使受到α粒子碰撞,也弹不远。   换上了氮气以后,窗口上又出现闪光了。难道是α粒子推动了氮原子核吗?这不可能,因为氮原子核的质量要比α粒子大两倍多。进一步的研究表明,引起硫化锌闪光的还是氢原子核。   这又是一个重大发现,卢瑟福的助手们都跑来看,大家热烈地讨论了这个现象。有人提出来:这是α粒子撞击了氮原子核,从氮原子核中打出来的氢原子核。   “这是可能的。”卢瑟福说,“但是,现在下这个结论还早了一点。谁能保证我们用的氮气中没有混人一些氢气或水汽呢?要知道,一个水分子中有两个氢原子,α粒子打到水分子上,也会把氢原子打下来。那就是击破了分子,而不是击破了原子核。”   科学是不容许一点马虎的。   助手们开始更仔细地做起实验来。他们把氮气中的水汽和可能存在的氢气都排除干净以后,再把它充到铜罐内去做实验。结果在α粒子的轰击下,还是出现了高速的氢原子核。   氮原子核真的被α粒子打破了!   是不是还可以打破一些别的元素的原子核呢?他们改装了仪器,又做了不少实验。结果发现,用α粒子射击氖、镁、硅、硫、氯、氩和钾,都会打出高速的氢原子核来。   原子核被打破了!在各种元素的原子核里面,都打出了氢原子核。这说明氢原子核是各种元素的原子核的重要组成部分。卢瑟福给氢原子核起了一个专门名字——质子。   α粒子射中氮原子核,放出来质子,那么氮原子核变成什么了呢?α粒子又到哪里去了呢?这些问题,在当时人们还不太清楚。又过了几年才通过科学实验证明:α粒子打到氮原子核里去了,在放出高速质子的同时,氮原子核变成了氧原子核。   这是一件非常了不起的大事。古时候的炼金术士早就想把一种元素转变成另一种元素,希望能点石成金,他们始终没做到。而如今,在卢瑟福的实验室中,第一次实现了这个古老的幻想。   这是第一次实现的人工核反应。     普劳特假说的复活   1919年,卢瑟福打开了原子核,发现核里面有质子,质子就是氢原子核。看来,原子核可能是由质子组成的。   这就使人们想起100多年前的一个假说。这个假说是在1814年由英国的青年医生普劳特提出来的。他认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的,所以各种元素的原子量都应该是氢的原子量的整数倍。也就是说:氢原子才是最基本和最简单的物质。   他的假说发表以后,有的科学家赞成,有的科学家反对。赞成派和反对派为这个问题争论了一个世纪。那时候,人们都相信道尔顿提出的观点:同一元素的原子,质量是完全一样的。当仔细测定了各种元素的原子量后,发现不少元素的原子量并不是氢的原子量的整数倍,例如氯的相对原子质量是35.5,就不是整数。反对派们有实验为根据,宣布普劳特的假说是胡说八道。   到了20世纪,赞成派慢慢地占了上风了。卢瑟福的发现成为他们更有力的证据:许多元素的原子核里都有氢原子核——质子。   但是,有些元素的原子量不是氢的原子量的整数倍,这又怎样解释呢?   就在卢瑟福发现核中有质子的同一年,汤姆逊的助手阿斯顿也作出了新的贡献。他设计了一种新仪器名叫质谱仪。这种仪器可以把不同质量的原子分开,并且分别“称出”它们的质量。他研究了各种元素,结果发现大多数元素都有不同质量的同位素。   更有意思的是,他发现各种元素的同位素的质量,差不多都是质子的质量的整数倍。   阿斯顿的仪器不仅能测定每一种同位素的质量,而且能测出某一种元素中几种同位素含量的百分比。   他发现氯有两种同位素:一种的质量是质子的35倍——35Cl;另一种的质量是质子的37倍——37Cl。他还测出在天然的氯中,35Cl占75.4%,而37Cl占24.6%。   天然的氯是由两种质量不同的同位素组成的,那么氯原子的平均质量是多少呢?这很容易计算:   35×75.4%+37×24.6%   ———————————=35.5        100%   也就是说,氯原子的平均质量是氢原子的质量的35.5倍,正好和过去测定的结果一致。   35.5的谜解开了。普劳特的假说又复活了。普劳特是对的,而道尔顿的关于同一元素的原子质量完全一样的观点错了。   但是要承认普劳特的假说是科学真理,也还有一些问题没有解决。   普劳特的假说认为各种元素的原子都是由不同数目的氢原子组成的。   按照普劳特的观点,当然就应当认为各种元素的原子核都是由不同数目的质子组成的。   已经测定了,一个氢原子核——质子带有一个单位阳电荷,一个氦原子核——α粒子带有两个单位阳电荷,一个氧原子核带有8个单位阳电荷。可是,一个氦原子核的质量是质子的4倍,一个氧原子核的质量是质子的16倍。要是认为氦原子核是由4个质子构成的,质量对了,但是电荷的数目不对,少了2个阳电荷。如果认为氧原子核是由8个质子组成的,电荷数目对了,但是质量又少了一半。这个矛盾究竟应当怎样解释呢?   还有一个问题:由于同性电荷相斥,几个带有阳电荷的质子应该是很难结合在一起而形成较重的原子核的。可是在各种化学元素中,除氢之外,其他元素的原子核的质量都比质子大,从大几倍一直到大200多倍。这又怎样解释呢?   这时候,人们想起了1913年居里夫人提出的一个原子核的模型:原子核是由阳电荷和电子组成的。显然,这阳电荷就应该是质子。     原子核的模型   在过去,人们认为构成宇宙间万物的基本砖石是化学元素,是各种原子。而现在,情况变了,人们发现构成宇宙间万物的基本砖石只有两种——质子和电子。各种元素的原子,不过是由这两种基本砖石造成的预制件。把这些预制件以各种形式搭配起来,就可以建成千变万化的物质世界。   用这两种基本砖石是怎样造成预制件的呢?科学家们提出了质子-电子模型:   第一号预制件就是氢,它是由一个质子的核心和绕着质子旋转的一个电子构成的。   第二号预制件是氦,它的核是由四个质子和两个电子组成的。一个质子带有一个单位阳电荷,一个电子带有一个单位阴电荷,在氦原子核中,两个电子的阴电荷中和了两个质子的阳电荷,所以氦原子核显示出来的是两个单位阳电荷。而绕着氦原子核转的电子相应的也正好是两个。   在原子核中,带阴电荷的电子像胶水一样把较多的带阳电荷的质子粘在一起。科学家们非常简单地把一些困难问题都解决了。   为了更清楚地标明各种预制件的情况,人们把第一个预制件用11H表示,在左上角的1表示原子核的质量数,也就是原子核中的质子的数目,左下角的1表示原子核的阳电荷数,也就是原子序数。   第二个预制件是42He。这说明氦原子核中有4个质子,带两个阳电荷。当然为了中和多余的阳电荷,核中还应该有2个(4-2=2)电子。   只要有质子和电子,就能搭配成各种预制件。例如,周期表上第8号元素氧是168O。显然,它的原子核要用16个质子和8个(16-8=8)电子组成,而核外的电子是8个。   周期表中第17号元素是氯。阿斯顿发现氯有两种同位素,所以这种元素又分为两种原子:一种影3517Cl,它的原子核是由35个质子和18个(35-17=18)电子构成的;另一种是3717Cl,它的原子核是由37个质子和20个(37-17=20)电子构成的。这两种原子外围的电子数都是17。   这一切是多么简单啊!只要用最简单的加减法就能解决问题。   那些天然放射性元素可以看作是一些大型预制件。这些预制件不很牢固,常常会自动掉下一两块东西,就变成另外型号的预制件。   居里夫人发现的镭的符号是22688Ra,它放射出α粒子——也就是氦原子核42He,结果变成镭射气——氡22286Rn。我们可以写成一个原子核反应方程:   22688Ra→22286Rn+42He   氡还要继续放射出α粒子,反应方程是:   22286Rn→22286Po+42He   你们看,在反应方程的箭头两边,元素符号左上角的数目的和是相等的,226=222+4,222=218+4;元素符号左下角的数目的和也是相等的,88=86+2,86=84+2。   很清楚,一种放射性元素放出α粒子以后,它的原子核的质量数就减少4,阳电荷数减少2。结果,这种元素就蜕变为原子序数比它少2的另一种元素。88号元素镭放出α粒子蜕变成86号元素氡,86号元素氧放出α粒子蜕变成84号元素钋。22284Po是钋的一种同位素,最初发现时把它叫做镭A(RaA)。卢瑟福实现人工核反应用的镭C′,也是钋的一种同位素——21484Po。   放出β射线的情形又怎样呢?这也很简单,β射线就是电子流。由于电子的质量仅仅是质子的1/1836,可以当作零,它的符号可以写成0-1e,通常简写成e-。   天然的锕是22789Ac,它放出β射线后变成了钍的同位素。也就是:   22789Ac→22790Th+0-1e   反应方程式的箭头两边:元素符号左上角的数目的和仍然相等,就是:   227=227+0;   左下角数目之和也相等:89=90-1。   也就是说:一种放射性元素放出β射线后,它的原子核的质量数不变,而原子核带的阳电荷数增加1,结果就蜕变为原子序数增加1的另一种元素。89号元素锕放出β射线以后,就蜕变成90号元素钍。   那么,把α粒子打到一个原子核中去的人工核反应,情况又是怎样呢?比如卢瑟福把α粒子打到氮原子核中去,打出了质子,氮原子核会变成什么呢?按照质子-电子模型,这个人工核反应可以表示为:   42He+147N→178O+11H   也就是说,氮原子核变成了氧原子核。   这种原子核的质子-电子模型看来好像很合理,不仅对原子核的质量数和电荷数都解释得很好,而且对天然放射性和人工核反应也解释了。说原子核中有电子,似乎也是有道理的,因为天然放射性元素的确会放射出电子流——β射线。   但是,进一步的研究,终于否定了这种模型。     中子的发现   根据上面所讲的原子核模型预测,卢瑟福的实验中氮原子核被α粒子轰击后放出质子而变成氧原子核。真的是这样吗?还需要作实验证实。   科学家布拉克特用云雾室研究了这个核反应。   云雾室是卢瑟福的老同事威尔逊发明的。这是一个圆盒子,盒子中的空气含有过饱和的水蒸气,当带电粒子穿过盒子里的空气时,沿途就会产生一串离子,而水蒸气就会围绕这串离子结成小水珠,形成一条白色的云雾,因此可以很清楚地显示出带电粒子飞过的径迹。加上磁场以后,从这条白色的云雾的长短、浓淡和弯曲的方向、程度就可以分析出带电粒子的性质。这可以用照相的方法记录下来。   布拉克特使α粒子打进充有氮气的云雾室,然后拍照。他拍了23000张照片,结果只照到了8张人工核反应的照片。这是1925年的事情。在照片上,像扫帚一样的一簇白线是α粒子的径迹,其中有一条中途停止了(说明α粒子打到氮核里去了),然后又分为两个叉,一条细而长的是质子的径迹,另一条短而粗的是生成的氧原子核的径迹。卢瑟福的发现被研究得更清楚了。   新的发现、新的理论、新的方法鼓舞着各国的科学家去作新的实验和新的探索。   德国有个青年科学家叫贝特。他想:为什么α粒子打到核里去只会放出质子呢?难道就不可能放出电子(也就是β射线)和γ射线吗?那些天然放射性元素大都会放出α射线或β射线,并且常常伴有γ射线,但是不放出质子。   他研究了卢瑟福做的实验,注意到卢瑟福是通过观察硫化锌荧光屏是否发生闪光来判断有无核反应发生的。贝特知道,α粒子或质子打在硫化锌上会发出闪光,但是,如果有β射线或γ射线射在硫化锌上,却不会发出闪光。因此,即使有放出β射线和γ射线的核反应发生,卢瑟福也观测不到。   卢瑟福曾经用α粒子射击过锂、铍、硼,他没有看到闪光,所以他认为用α粒子射击这几种元素不发生核反应。   贝特想,α粒子既然能打到氮、镁、硫、钾等的原子核中去,为什么就不会打到锂、铍和硼的原子核中去呢?可能打进去以后放出来的不是质子,而是不会使荧光屏闪光的β射线、γ射线等别的什么粒子。如果真是这样,用什么方法才能观测到它们呢?   这时候,卢瑟福的学生盖革也在德国工作,他发明了计数器,利用电子学仪器,可以测量各种射线,并计算粒子的数目或射线的强度。用了这种新仪器就不需要躲在黑屋子里数荧光屏上的闪光了。   贝特用计数器去进行研究。他用钋作为α粒子的放射源,因为钋只放射α粒子,不放射β射线和γ射线,这就使实验简单多了。   对着α粒子源安装了计数管,由于外不发射β射线和γ射线,而发射出来的α粒子又穿不透计数管的玻璃壁,所以计数管没有计数。   但是,只要在α粒子源和计数管之间放上涂有锂、铍或硼的片,计数管就开始计数了。这说明α粒子打到了锂的、铍的或硼的原子核上,发生了核反应,并且放出了某种射线。其中以铍放出来的射线最强烈。   这是什么射线呢?贝特作了测试实验。他加上电场和磁场试了试,发现射线在电场和磁场中不会偏转,说明射线不带电荷,不是β射线,也不是α粒子和质子。他又用2厘米厚的铅板试了试,射线还是穿透过去了,强度只减弱13%。他认为,这种射线是极强的γ射线。   贝特发现用α粒子射击锂、铍和硼也会发生核反应,这是完全正确的。他认为反应结果是放出γ射线,这一点后来证明是错误的。   在法国,居里夫人的女儿伊伦·居里和女婿约里奥-居里已经成长为原子科学家。小居里夫妇也在做贝特做过的实验。他们让铍发出的射线通过石蜡,结果产生了高速的质子。看来是石蜡中的氢被铍发出的射线碰出来了。   这个实验又转到英国,查德威克用铍发出来的射线射击氢,发现了高速的质子;射击氮原子,氮原子也被推动了,只是速度比质子小得多;射击氩,氩原子也被推动了,速度又小一些。这说明铍发出来的射线不应该是γ射线,而是具有一定质量的某种粒子。   经过反复的实验,查德威克认为α粒子打在铍核上产生的不是γ射线,而是一种高速的不带电荷的中性粒子。这种粒子同氢、氮、氩的原子核碰撞,就把它们弹开了,正像他和卢瑟福以前研究的α粒子弹开氢原子核的情形一样。   那么这种不带电荷的中性粒子的质量有多大呢?查德威克根据实验结果算出来,它的质量与质子几乎一样大。   查德威克把这种不带电荷的中性粒子叫做“中子”。   中子是人们过去还不知道的粒子,现在由铍原子核中打了出来,这说明原子核中有中子。   这样一来,组成宇宙间万物的基本砖石就不只是质子和电子两种了,又多了一种——中子。   就在发现中子的1932年,人们利用云雾室还发现了由地球外面的宇宙空间射来的一种电子,它带着阳电荷,而质量和普通的带阴电荷的电子一样。这就是正电子。   问题又复杂起来了。 中编 打开原子的大门(三)     新的原子核模型   中子是1932年发现的。人们想起了卢瑟福的预言,他在1920年就认为原子核里会有不带电荷的中性粒子。现在中子真的发现了。就在这一年,德国青年物理学家海森堡根据物理学的一些原理,指出原子核里不可能有电子;他认为原子核是由质子和中子组成的。他的这种原子核模型很快就为科学界所接受,成为今天我们所熟知的常识。   海森堡的模型不同于质子-电子模型,一些符号却仍然保持原样,不过符号的意义有所不同。   α粒子是氦原子核,仍写作42He,左上角是质量数,也就是核中的质子和中子的总数;左下角是原子序数,就是核电荷数,也就是核中的质子数;左上角数字减去左下角数字,就是核中的中子数。氦原子核是由2个质子和2个中子组成的。   同样,氯有两种同位素,3517Cl核中有17个质子,有18个(35-17=18)中子;3717Cl核中有17个质子,有20个(37-17=20)中子。   中子的符号是10n,左上角的1说明中子的质量是一个单位质量,左下角的0说明中子所带电荷为0。   发现中子的核反应是α粒子打到被核里,放出来一个中子。可以写成:   42He+94Be→p--126C+10n反应式两边的符号的左上角是4+9=12+1,左下角是2+4=6+0。   原子核里只有两种粒子——质子和中子,而电子只在核外面运动,原子核里面是没有电子的。因此,人们又把质子和中子通称为“核子”。   但是,问题又来了。已经知道,有些放射性元素放出β射线(电子流)。如果原子核里没有电子的话,又怎么能够放出来电子呢?再有,原子核里有中子,那么为什么没有单个的中子在我们周围自由飘荡呢?   直到1950年,人们用实验证明了,自由的中子不稳定——中子有放射性,每13分钟就有一半的中子变成质子和电子。质子就是氢原子核,它是稳定的。   中子只有在原子核里,并且和质子按一定比例结合在一起的时候,它才是稳定的,原子核也才是稳定的。如果原子核里的中子偏多了,同质子不成比例了,中子在原子核里也会变成质子,同时放出一个电子。这个电子不能在核里呆下去,立刻以极大的速度从原子核里射了出来,这就是β射线。   反过来,如果原子核里面的质子偏多了,又会发生什么情况呢?原子核里质子不会和电子结合而变成中子,因为原子核里没有电子。质子只能把原子核外面的电子俘获一个到原子核里面来。还会发生一种情况,那就是质子放出正电子而变成一个中子,这是一种新的放射性。这种放射性是小居里夫妇首先发现的。     人工制造放射性元素   1934年11月15日,法国科学院召开会议,一位名叫约里奥-居里的年轻科学家在会议上提出科学报告,宣布他和他的夫人伊伦·居里一起得到的重要发现。   大家还记得在36年前,正是在这个讲台上,居里夫妇宣布他们发现了放射性元素钋和镭。那时候,小伊伦还只有1岁。如今青年一代科学家成长起来了,小居里夫妇发现了人工放射性。   这个重要发现还得从头说起。   前面已经讲过,贝特怀疑卢瑟福的实验丢掉些什么没有被探测到,他们用新的探测放射性的仪器发现了新的放射现象,并且由此发现了中子。小居里夫妇积极地参加了发现中子的研究工作。   小居里夫妇想:在卢瑟福的实验中没有放射出质子的那些元素,受到α粒子轰击会放射出中子,为什么那些放射出质子的元素,不会同时放射出中子呢?   他们仔细地重复了卢瑟福做过的实验,想看看有没有什么遗漏。   卢瑟福曾经发现,用α粒子轰击铝,就会放射出质子。这个核反应是:   42He+2713Al→3014Si+11H   小居里夫妇重复了这个实验,他们使用了新的探测仪器,结果发现:放射出来的不但有质子,还有中子。卢瑟福当时由于使用的仪器不同,没有发现中子。   他们进一步仔细研究,发现在用α粒子轰击铝的时候,不仅放射出质子和中子,还会放射出电子。不过这种电子带阳电荷,是正电子。   他们用一块铅板插在α粒子源和铝片之间,铝片就停止放射质子和中子了。这说明α粒子被铅板挡住了,它和铝原子核的核反应也就停止了。奇怪的是这时候铝片仍然有放射性,继续放射出正电子,不过放出的正电子不断减少,持续半小时左右,才最后消失。   1933年10月,在布鲁塞尔的国际科学会议上,小居里夫妇报告了他们的实验结果。这些结果引起了到会的物理学家激烈的争论,大多数物理学家都说他们的实验不可靠。但是一些老科学家,如玻尔,认为这个发现很重要,他们对这一对年轻人给以支持和鼓励。   小居里夫妇没有灰心,他们回到实验室继续研究。他们认为α粒子轰击铝原子核以后放出中子变成了磷的同位素,也就是:   42He+2713Al→3015P+10   而磷的同位素器3015P是放射性的,它会放射出正电子而变成稳定的硅同位素:   3015P→3014Si+e+(0+1e)   为了检验这种想法是否正确,他们把经过α粒子强烈轰击的铝箔迅速溶解在盐酸里。铝和盐酸反应冒出了氢气,如果真有放射性磷的话,那就会生成磷化氢。磷化氢也是气体,所以冒出来的气体就会有放射性——放射正电子。   实验证实了他们的看法,气体真的有放射性。   同铝的情形相似,小居里夫妇发现,硼和镁受到α粒子的轰击会放出中子和正电子,也发生了人工放射性。   1934年11月15日,在法国科学院的会议上,他们详细地介绍了他们的实验结果。这一回谁也不怀疑了,大家以热烈的掌声通过了他们的科学报告。   以前人们只知道有铀、钍、镭、钋等天然存在的放射性元素,这些元素都是位于元素周期表末尾的重核元素。现在,小居里夫妇发现了列在周期表前面的轻核元素也可以有放射性的同位素。它们在自然界并不存在,而是人工制造的,是人工放射性元素。   卢瑟福在他当时的条件下,发现了人工核反应,实验是做得十分仔细的,获得了非常重要的发现。但是科学并没有停步不前,不过十多年的时间,就发现他的实验还有不足的地方。在卢瑟福实验的基础上,发现了中子,又发现了人工放射性,科学又大踏步地前进了。谁也不能说自己的研究工作已经尽善尽美了。谁也不应该认为,以前的科学家已经把什么都发现了,我们已经不能有所作为了。   1935年底,小居里夫妇由于发现了人工放射性而得到了诺贝尔化学奖。同年得到诺贝尔物理奖的是发现中子的查德威克。   约里奥-居里在领取奖金的演说中预言:“我们看清楚了,那些能够创造和破坏元素的科学家也能够实现爆炸性的核反应……如果在物质中能够实现核反应的话,那就可以释放出大量有用的能量。”   核反应和释放能量,有什么关系呢?     亏损掉的质量   组成宇宙间万物的基本砖石,我们已经知道的有质子、中子、电子,还有正电子,它们的质量到底有多大呢?非常非常的小!   1个质子的质量是:   0.000000000000000000000001673克。   1个中子的质量是:   0.000000000000000000000001675克。   1个电子的质量是:   0.000000000000000000000000000911克。   它们太小了,我们在计算它们的质量的时候,不能老是在小数点后面去画一大串0,数一大串0,为了方便起见,需要规定一个衡量它们的专用质量标准。   现在科学家统一采用的标准是碳的同位素126C的原子质量(0.00000000000000000000001993克)的1/12。把它叫做1个原子质量单位,符号是u。   1个原子质量单位(1u)   =0.00000000000000000000000166克。   当然126C的质量是12u。按此原子质量单位计算:   质子的质量是1.00728u   中子的质量是1.00867u   电子的质量是0.000549u   既然原子是由质子、中子和电子组成的,那么,一个原子的质量就应该等于组成它的基本粒子的质量的总和了。但是,实际上并不这样简单。   那位善于测量原子核质量的阿斯顿,把他的仪器不断改进,测量得越来越准,结果问题就来了。   氦原子核是由2个质子和2个中子组成的,外面有2个电子。   氦42He原子的质量应该是:   2×1.00728+2×1.00867+2×0.00055=4.033u。   可是实际测量得到的42He原子的质量则是:   4.00260u,亏损了0.0304u。   碳同位素126C的核中有6个质子,6个中子,原子核外有6个电子。因此它的原子质量应该是:   6×(1.00728+1.00867+0.00055)=12.099u。   实际上126C的质量是12u,又亏损了0.099u。   再看铀23892U的原子,它的核由92个质子和146个中子组成,核外有92个电子。这些粒子的质量加在一起应该是239.986u。但直接测量得的23892U原子的质量却是238.051u,又亏损了1.935u。   这可真是怪事!   二加二不等于四,二加二竟然小于四!   用质子、中子和电子这些基本砖石构成预制件——原子的时候,总是要亏损一些质量。   这些亏损的质量哪里去了呢?物质守恒定律是不是错了呢?     核子的结合能   我们用砖块砌墙,要用沙浆把砖块粘在一起。砌好的墙的总质量,一定比所用的全部砖块的质量大,因为还要加上沙浆的质量。   核子结合成原子核的情形正好相反。用物质世界的基本砖石——质子和中子砌成的预制件——原子核的质量反而变小了,似乎在原子核里把质子和中子粘在一起的沙浆有负的质量。   难道质量还会有负的?   质量不会有负的。但是在原子核里,质子和中子确实是靠亏损掉的质量而紧密地结合在一起的。这又是怎么回事呢?   在1905年,伟大的物理学家爱因斯坦曾经提出来一个非常重要的定律。这个定律说,当一个过程放出能量E的时候,就会亏损掉一部分质量m,能量和质量的关系是:   E=mc2或m=E/c2   公式中C是在真空中光的速度,约等于   300000000米/秒。   反过来,当一个过程得到能量时,质量又会增加一部分。   真的是这样吗?为什么在我们平常接触到的各种现象中没有发现这种情况呢?   这是因为我们接触到的吸收或者放出能量的过程,一般都属于物理变化和化学变化。和核反应相比,物理变化和化学变化吸收或放出的能量要少得多,相应地引起的质量的变化也极小,因而难以察觉。   正像前面讲过的,由质子和中子合成4克氦原子核的时候,质量会亏损0.03克。这时会放出多少能量呢?按公式E=mc2计算,放出的能量:   E=0.00003×(300000000)2   =2700000000000(焦耳)   但是,当把4克氢(和32克氧)燃烧成水时放出的能量是480000焦耳。根据爱因斯坦公式,这样多的氢和氧生成水后,质量会亏损多少呢?由m=E/c2:        480000   m=————————      (300000000)2   =0.0000000000053(千克)   =0.0000000053克   这亏损掉的质量是非常小的,当然是很难察觉和测量出来的。   对比一下,用4克氢当燃料烧成水的化学反应放出的热量大约可以把1公斤水烧开,而在合成4克氦原子的核反应中,放出的热量可以把5000吨水烧开,两者大小相差达到500万倍!   反过来,如果要把氦原子核拆开成为质子和中子,也需要让氦原子核获得同样多的能量,不然就补不回亏损的质量。这种由若干个质子、中子等核子结合成原子核的时候放出的能量,叫做原子核的结合能。   结合能为什么这样大呢?这是因为核子间的作用力——核力是一种很强的力。   在过去,人们只知道宇宙间存在着两种作用力。第一种作用力是万有引力,第二种作用力是电磁作用力。在打开原子核以后,人们发现了第三种作用力——核力。   关于核力的详细情形目前还不清楚,但是有一点是可以肯定的,就是在极短的距离之内,核力是非常非常大的。有人估计,它要比万有引力大1038倍!   万有引力无论距离多远都能起作用。核力就不同了,只有当核子的距离比0.0000000000001厘米还小的时候,强大的核力才发生作用。比这距离稍远一些,核力就不起作用了。所以原子核是非常小而且又是非常牢固的。   科学家们仔细地测量了各种原子核的质量,算出了由基本粒子构成原子核的结合能。   太阳为什么能够不停地发出极大量的光和热呢?贝特在1938年指出:在太阳的炽热的核心里正在发生着四个质子合成一个氦核(同时放出两个正电子)的过程。正像上面计算的那样,在这过程中放出大量的结合能。   这是热核能,也就是核聚变能。   科学家还用计算证明,如果把重的原子核,例如铀核,分裂成两块的话,也会放出大量的能量。   1克23592U分裂成差不多相等的两块时,放出的能量如果都能转化成电能,就相当于23000度电。   这是核裂变能。   但是,怎样才能使铀原子核分裂成两块,放出这样多的能量来呢?   从预言到成为现实,只用了不到十年的时间。     用中子当炮弹   小居里夫妇的发现为研究原子核的科学家打开了新路。大家都在研究用人工方法制造新的放射性元素。才几年,他们就制造出400多种人造放射性元素。   意大利的科学家费米认为,用α粒子轰击原子核并不是理想的办法,因为α粒子带两个阳电荷,在射到别的原子核里去的时候,同性电荷相斥,就很难射中。他决定换用中子作炮弹。   将镭射气——氧和铍粉封在小玻璃管中,氧放射出来的α粒子打在铍上就产生中子。这就是一个不断发射中子的中子源。   费米用中子去轰击各种元素。他按照周期表的次序去试验。结果,前8个元素——从氢到氧,用中子轰击以后都没有什么反应。但是用中子轰击氟的时候,盖革计数器响了。   用中子轰击氟,生成了人工放射性元素。这种人工放射性元素放出β射线,也就是带阴电荷的电子流。   中子不带电,氟原子核里多了一个中子,所带的阳电荷数并不改变,只是质量增加了一个原子质量单位,所以生成的是氟的同位素:   10n+199F→209F   这种氛同位素是放射性的,它放出β射线——电子流。当然,核的阳电荷数目就要增加,变成原子序数比氟大1的氖:   20F→2010Ne+e-   费米继续做的试验很顺利,在氟以后的元素大都可以被中子击中,变成放射性元素,而且花样很多。   铝原子核被中子击中后放出α粒子,变成放射性钠:   10n+2713Al→2411Na+42He   放射性钠放出β射线后变成稳定的镁:   2411Na→2412Mg+e-   磷原子核被中子击中后放出质子,变成放射性硅:   10n+3115P→3114Si+11H   放射性硅放出β射线后变回成稳定的磷:   3114Si→3115P+e-   碘原子核被中子击中以后什么粒子也不放出,变成放射性碘:   10n+12753I→12853I   放射性碘放出β射线后变成稳定的氙:   12853I→12854Xe+e-   费米用中子做炮弹,一下子就制成许多种放射性同位素。同时,他还发现周期表中的重元素(原子序数大的元素)的核在被中子击中以后,都不放出α粒子或质子,而是生成原来元素的放射性同位素。这些放射性同位素都是放射β射线的。   放射β射线,也就是放射电子,放射的结果是原子核减少一个单位阴电荷(也就是增加一个单位阳电荷),变成原子序数增加1的另一种元素。   铀是周期表上当时已经发现的最后一个元素,它的原子序数是92。人们早就想找到铀后面的元素,但是一直没有找到。   费米想:可不可以用人工来合成铀后面的元素呢?   他用中子轰击铀,果然得到了放射β射线的同位素。在放射β射线以后,它就应该成为原子序数是93的元素了。用中子再轰击93号元素,就会生成94号元素;再轰击94号元素,又会生成95号元素。   费米做过实验以后,在1934年宣布他用人工方法制造出来了超铀(原子序数比铀大的)元素。它们的原子序数是93、94、95。   费米还仿照门捷列夫的办法,把自己发现的93、94、95号三个元素分别起名叫做“类铼”、“类锇”和“类铱”。     费米犯了一个错误   人工制造出了超铀元素!   这又是一个重大的发现。几乎各国有名的原子科学家都相信费米的实验结果,相信真的制造出了93、94和95号元素,但是有一位科学家持不同的意见。   就在费米宣布制出超铀元素的那一年,《应用化学杂志》上刊登了一封来信。信中指出:“用中子轰击重核,可能使这核分裂成几个大块的碎片。当然,这些碎片必然是已知元素的同位素,而不是这重元素相邻的元素。”   这封信是德国女科学家诺达克写来的。她曾经发现了元素铼,后来一直在寻找着超铀元素。她认为费米没有制出来超铀元素,因为费米提出的新元素的化学性质,更像已知的元素。   诺达克的意见没有受到重视。当时世界有名的德国放射学专家哈恩也认为,诺达克的看法纯粹是谬论。   但是,少数人的意见并不一定是错误的。4年以后,才证明费米错了,诺达克是正确的。作出证明的恰恰是哈恩自己。   在费米宣布他的发现以后,许多支持费米的科学家都在重复费米的实验,想研究一下93、94和95号元素的性质。他们大多得到和费米同样的结果。   1938年,小居里夫妇用中子轰击纯铀,然后进行分析。他们有了新发现,在轰击过的铀中发现了元素镧。镧是57号元素,它在中子轰击以前的铀中是没有的。换句话说,镧是在中子轰击铀以后产生的。   哈恩听到这个消息以后,再也坐不住了,立刻跑到实验室里做起实验来。   哈恩和他的助手几个星期不分昼夜地做实验。他们在用中子轰击过的纯铀中又找到了钡。钡的原子序数是56,是铀原子序数92的一半多一点。   哈恩改变了自己的看法,他的实验证实了诺达克的意见:铀在中子轰击后真的分裂成为大约相等的两块。   1938年12月22日,在德国《自然科学》杂志上,哈恩发表了他的发现。   这一次,原子核真的打开了!以前的实验仅仅打下原子核的一些小碎片。这次原子核被打成两块。   人类从此开始进人利用原子能的新世纪。     原子能的解放   一个中子能够打碎一个铀原子核。这个新的发现又震动了科学界,许多人都在进一步研究这个问题。他们发现铀核被打碎的碎片有大有小,可以生成各种元素。1946年,当时在法国的我国科学家钱三强和何泽慧夫妇发现,在中子轰击下,铀原子核还可以分裂成三块或四块。   然而最可能发生的情况是分裂成为大小差不多相等的两块。例如,一个中子打到铀的同位素23592U的核里去,这个核就会分裂成为一个钡原子核14156BA和一个氪原子核9136Kr。在这同时,还会放出3个中子。   这可是合算的事!一个中子打碎了一个23592U的核,同时又放出了3个中子。这3个中子又可以打碎另外3个23592U的核,同时各放出3个中子,一共9个中子。9个中子又能打破9个23592U的核,放出27个中子……也就是说,一个中子可以打破无数个23592U的核。前面已经说过,铀原子核破裂就会放出大量的能量——原子核能来。如此说来,23592U好比是火药,中子好比是小火星,一个小火星就会使一块火药着火爆炸,一块23592U碰到一个中子也会爆炸。   可是,科学家们过去用大量中子轰击铀片,并没发生爆炸。这又怎样解释呢?   原来天然的铀有三种同位素——23592U、23592U和23592U。其中23592U的量非常少,只占十万分之五;99%以上是23592U;23592U也很少,只占0.7%。受到中子撞击立刻发生裂变的只是23592U的核。中子可以打到23592U的核中去,但不会立刻发生裂变。所以,中子轰击天然铀的时候,打中23592U的核的机会很少;23592U的核裂变时产生的中子,也不会都击中别的23592U的核。   如果全都是23592U,情况怎样呢?会不会爆炸呢?会!但是有个条件,那就是23592U裂变之后放出来的更多的中子,也要能击中别的23592U的核才行。这就需要有足够多的23592U的核。   这好比我们闲着眼用枪去射击树干。如果只有稀稀落落的几棵树,子弹大半穿过树和树间的空隙,射中树干的机会一定很小。如果在密林里,那就会弹无虚发,所有的子弹都射在树干上。   铀的裂变也是一样。23592U的量要是不够多,不论是中子源发射出来的中子,还是23592U核裂变产生的中子,大部分没有等到击中铀核,就已经逃离了这块铀,因为铀原子核间还是有很大空隙的。在这种情况下,就不能引起越来越多的铀核裂变。如果23592U的量足够多,中子就跑不掉了。这时候就会出现一种可怕的场面:全部铀原子转眼间都分裂,放出极大量的能量,以致引起爆炸。大家都知道,这就是原子弹爆炸,更确切地说,这是核爆炸。   能达到核爆炸的最低限度的23592U的量,大约是1千克左右,这叫做临界质量。   原子核打开了。人们得到的不仅仅是关于原子核是怎样构造的知识,更重要的是解放出来极为巨大的能量——核能。   世界名著《一千零一夜》中有一个故事:一位渔夫在海里捞到一个钢瓶,他打开瓶塞想看看里边有什么;结果出来一个魔鬼,差一点把渔夫害死;最后,渔夫靠他的智慧终于驯服了魔鬼。   人类打开原子的故事有点相似。开始的时候大家只想打开原子看看它到底是怎样组成的,结果,打开了原子的大门以后,却放出来了一个魔鬼——原子弹。   当然,我们不能让这样的魔鬼杀害人类自己,而是要驯服它,让它为我们服务——利用原子能发电、开动机器等等。   关于人类怎样驯服了这个魔鬼,这魔鬼又怎样为人类服务的故事,就不是我们这本书所要讲的了。     没有结束   上面我们讲了老一代的科学家们如何通过科学实验,逐步打开原子大门的故事。当然,故事没有讲全,也不可能讲完。   虽然原子的大门被打开还只有几十年,它引起的变化却胜过了人类历史的几千年。它标志着科学技术的发展进入了新的时代。   由原子中头一个分出来的是电子。自从掌握了电子运动规律,人类生活起了多大的变化啊!没有电子管就不会有无线电广播,更不用说电视了。当然还有电子计算机、自动控制、宇宙导航……这都是1897年发现电子以后的丰硕果实。因此,人们常说,20世纪是电子时代。   原子核被打开了,在原子的心脏里取得了更为宝贵的财富——原子核能。这将是取用不竭的新能源。所以人们又说,20世纪是原子能时代。   过去认为原子是组成宇宙万物的基本粒子。后来原子被打开了,人们又认为组成原子的质子、中子和电子是基本粒子。现在,科学家们发现基本粒子的种类远不止这几种。除了已经提到的正电子以外,还发现有μ介子、π介子、K介子、J粒子……到目前为止,已经发现有几百种。它们的质量、电荷等性质各不相同。它们的发现故事还可以再写几本书。   其中最有趣的是发现了反粒子,例如正电子就是电子的反粒子。后来又发现了反质子,它与质子的质量一样,但带的电荷正好相反——带阴电荷。可以想象,一个反质子和一个正电子也可以构成一种氢原子——反氢原子。反质子和中子还可以构成各种各样的反元素的核,形成各种各样的反物质。当然,在我们现在生活的世界——正物质世界中,反物质是难以存在的,因为实验证明,反物质与正物质相遇就会爆炸而转化成巨大的能量。但是谁能断定,在无穷的宇宙中不会有反物质的世界存在呢?   现在谁也不敢说,这些“基本粒子”我们都认识清楚了;谁也不敢说,这些“基本粒子”是不可再分割的了。世界各国的科学家建造了各种复杂的仪器去寻找新的粒子,他们使这些“基本粒子”以极高的速度相互碰撞,企图打开“基本粒子”的大门。这是一场新的科学会战。   物质世界是无穷的,人类的认识是无穷的,科学的发展也是无穷的。     附 核子台球戏   为了说明原子核反应,让我们来看几场核子台球戏。在这种台球游戏中,台球桌面不是平坦的,上面有一座一座的小火山,火山顶上的火山口就是我们要把台球打进去的地方。火山口里面就是原子核。台球有三种,一种是红的——质子,一种是白的——中子,还有一种大球,是由2个红球和2个白球组成的,这是α粒子。   这个台球桌上的小火山的高度随元素的不同而不同:原子序数越大,火山就越高;火山的高度和原子核的电荷的斥力成正比。   第一个玩这游戏的是卢瑟福,他打的是大台球,他选的目标是一个比较高的火山口——金的原子核。   卢瑟福和他的学生盖革轮流打台球。大多数的球都从火山的旁边笔直地滚过去了,有少数台球爬上山坡的一侧,转一个方向又溜下去了。只有极少数正对着火山口滚去,可惜球的速度不够快,火山又比较高,所以爬到半山腰就倒退了回来。   他们一个球也没有打到火山口里去。但正是他们首先发现火山口的存在,并且探知,要把台球打进火山口是很不容易的:不仅要对准,而且要使足了劲打,不然的话,台球滚不上去。   这是第一次游戏。你们当然知道,这就是卢瑟福的α粒子散射实验。他发现了原子有一个带阳电荷的很小的核。   后来,卢瑟福又带他的学生马斯登和查德威克来玩台球或。他们打的还是大球,但比上一次用劲了;选择的目标是那些最低的火山口。这一次他们成功了。   马斯登第一个把大球打到氮的火山口里去了。大球笔直地冲上山坡,越爬越高,最后爬上山顶,掉进火山口里。这时候,奇怪的事发生了:从火山口里跳出来一个红球,沿着山坡滚下去了。   卢瑟福对这次成功极感兴趣,他和查德威克也把大球打向选定的目标。他们往氖、镁、硅、硫、氯、氩、钾的火山口里都打进去了球,接着火山口里也都跳出来一个红球。他们还想往更高的火山口里打球,但是力气不足,球始终没有爬上山去。   这次游戏结束了,他们相信在火山口里一定有红球——原子核中有质子。   大家都知道,这次游戏就是卢瑟福等人发现人工核反应的实验。   后来,这种游戏越来越普遍了。许多科学家都在玩这种台球戏。30年代初,在这种游戏中出现了德、英、法三国对抗的局面。   德国贝特在这种游戏中把大球打到锂、铍和硼的火山口里去,他看到似乎有什么东西由火山口里跳出来,滚走了。法国的小居里夫妇来玩台球,结果也一样,但是他们也没看清楚跳出来的是什么东西。最后,打台球的老手英国查德威克来了,他一下子就把大球打到铍的火山口里,接着他就抓住了由火山口中跳出来的球。原来是个白球,大小和红球几乎一样。这可是新发现,在火山口中除了红球以外还有白球——中子。   这次比赛,英国的查德威克胜利了。他抓住了白球——发现了中子。   小居里夫妇对这种游戏着了迷,他们不断地向铝的火山口里打进去大球。结果发现,大球落进了火山口,立即跳出来的可能是红球,也可能是白球。   休息的时候,他们还在看着这些火山口。突然,在跳出过白球的火山口里又跳出来一个小红球,飞快地滚走了。快捉住它!他们捉住小红球仔细一看,原来是正电子。   大家都清楚,这次游戏就是小居里夫妇发现人工放射性的实验。   接着,费米来玩台球戏了。他打的台球是白球——中子。台球桌也不一样了,火山不见了,进球口就在台面上。这样的台球桌适用于白球——中子,因为中子不带电,不需要克服原子核的电荷对它的斥力,不需要爬坡。   费米的游戏比过去的玩法简单得多了,只要对准台面上的进球洞口,把白球打过去就行了,球的速度快慢没有关系。费米向各个洞里都打了白球。   他发现,头几个洞中打进去白球就像石沉大海,没有什么东西跳出来。以后的洞情况就不同了。有时候,白球进去红球出来。有时候,白球进去大球出来。而大多数情况下是白球进去以后,过一段时间跳出来一个小蓝球。这小蓝球不是别的,原来就是电子。   人们不禁要去张望一下火山口里的情况了。原来,火山口里像一只光滑的杯子,里面有若干个红球和白球。这些球在杯子里面悠哉游哉地荡来荡去,你碰我一下,我撞他一下,但是速度都不大,哪个球也爬不出火山口。   忽然,从火山口上掉下来一个大球,这大球掉进火山口就散开成两个白球和两个红球。这不速之客的到来,打乱了火山口里的正常秩序。各个球纷乱起来,乱跑乱撞,最后有一个红球或白球被几个球同时一撞,就爬上了火山口的边缘滚了出来。在这以后,剩下的球又平静下来。   人们原来以为火山口内一定会有小红球和小蓝球(正电子和电子)。看了以后才发现,火山口内只有红球和白球而没有什么小球。   人们发现,在周期表前面几个元素的火山口里,红球和白球的数目差不多一样多,白球也可以略多一点。譬如氧的火山口里就有8个红球和8个白球,这时候火山口里显得很稳定。如果再增加一个或两个白球,火山口里还是比较平静,不会发生问题。如果白球再增加一个,火山口里达到8个红球和11个白球。这时候,火山口里就动乱起来,突然,一个白球变成了红球,同时产生一个小蓝球;小蓝球的速度非常大,立刻爬上火山口滚了出去。以后,火山口里又平静下去,不过这时的火山口已经变成了氟的火山口。   如果火山口里红球多了怎么样?这时也会发生动乱,动乱的结果不是把多余的红球赶出火山口,就是这红球突然一下子变成了白球,同时产生一个小红球,飞快地滚出火山口。   在后面的火山口里,球的数目越来越多。白球的数目大约要比红球数目大半倍才能稳定下来。例如汞的火山口里就需要有80个红球和120个左右的白球。   在最后的几个大火山口里有200多个球碰来碰去,即使外边没有球打进来,由于内部的相互碰撞,也可能忽然把两个红球和两个白球一起挤出火山口,形成一个大球滚了出去。这就是天然放射的α粒子。   在挤出去两个红球和两个白球以后,火山口里的红球和白球比例又不太合适了,白球似乎稍微嫌多了一点。这时候,过多的白球就会突然变成红球,同时,放出去一个小蓝球。这就是天然放射的β射线。   好了,对核子台球戏我们暂时就介绍到这里为止。   当然,这只是一种极为简单的模型。大家不要认为原子核构造和原子核反应真像这个游戏中介绍的那样简单。例如,火山的半山腰就会有条隧道直通火山口里,有时候,外面的球不需要爬上火山口,在半山腰钻过隧道就可以进去。同样,火山口里的球也可以穿过隧道跑出来。当然出现这种情况的机会是很少的。   原子核物理学家们曾经提出来过各种各样的原子核构造模型。有的认为在原子核内,质子和中子是一层一层的,并且绕着共同的重心旋转;也有的认为原子核像一个液体油滴,等等。到底什么样的模型更符合实际,现在还在研究,还没有最后解决。 下编 元素的诞生(一)    开头的话   在上编《太阳元素的发现》中我们讲了科学家们是如何发明了光谱分析方法,可以不离开地球就能够研究太阳的化学组成,并且先在太阳上发现了元素氦,后来又在地球上也找到了氦。在中编《打开原子的大门》中是从19世纪末的科学三大发现——X射线、电子和放射性的发现说起,讲到了20世纪科学家们是如何打开了原子的大门,并从中解放出巨大的能量——原子能。在本篇中我们将要沿着科学家走过的足迹,看看他们还研究了什么,发现了什么?而这次将把我们的眼光从地球、太阳、恒星一直延伸到宇宙的深处,也就是说要研究大宇宙的奥秘,然后再转回到小宇宙,进一步探究生命的奥秘。     最古老的科学   如果说,比原子、分子更小的微观世界的大门是从上一世纪末开始到本世纪中期才打开的。那对于地球和地球以外的日、月、星辰的研究和探索,则是与人类文明的发展同时起步的。所以,天文学是一门最古老的科学。   在远古,人类为了生活和生产的需要就要观察天象。从日月星辰运行的规律,辨认方位,确定历法,了解季节变化……一些古代神话也大都和天文有关,例如中国就有,盘古氏开天辟地,女娲氏炼石补天,夸父追日,后界射日,嫦娥奔月……世界各民族也都有不同的创世纪的幻丽神话。   关于宇宙的构造,在中国古代就有浑天、盖天和宣夜三种学说,这都是根据当时积累的各种天文现象观测后提出的假说。其中浑天学说与欧洲古代的宇宙观类似。大意是“天如鸡子,地如卵中黄。孤居于天内。天大而地小,半覆地上,半绕地下,故二十八宿半见半隐”。后汉时期张衡根据浑天说制作了一个浑天仪,是在一个大球内刻画着日月星辰,用水轮机转动,人可以钻到里面去看,与实际的天象相合。当时的大学者蔡邕就说过他愿意终生躺在浑天仪内,由此可见这仪器之精巧,这可以说是世界上最早的天象馆。   在欧洲,一直流行着多重天的地心学说,地球在中心,外面有一层层的天球套起来,月亮、太阳和各个行星的天球,最外层是恒星的天幕,而天幕外面则是神居住的地方。张衡的浑天仪是用水轮机运转的,欧洲则设想天球外面有神的机械在运转各重天。这就是托勒攻的地心体系,为神保留了至高无上的地位。在欧洲中世纪传下来一幅画,画的是一个僧侣长途跋涉到了天边,钻出恒星天幕去窥探,看到了神的机械。   到了中世纪末,欧洲文艺复兴的浪潮冲击着各种旧思想。旧观念。哥白尼于1541年发表了“天体运行论”,提出了太阳中心说,从而把神在宇宙中的位置用科学推出去,让他们无容身之地。此后,天文家们观测行星的运动有了正确的坐标(地球和行星绕着太阳转),而后德国的刻布勒根据长期精密的观测确立了行星运动的三大定律,而牛顿正是在这基础上创立了他的万有引力定律(有不少人说牛顿是看到苹果落地从而发现了万有引力,这故事是骗小孩子的胡说)。所以牛顿说“我是站在巨人的肩上,才能比他们看得远些”。   天文学的进一步发展是由于望远镜的发现,这使人们的视野拓宽和延伸了。意大利的伽利略听说荷兰眼镜制造师发明了望远镜,于是在1809年自己设计制作了望远镜。他第一次观测就发现了月球上面的环形山,木星有4个月亮(卫星),土星似乎是3块(后来发现这是光环),金星有盈亏变化,银河是由无数密密麻麻的恒星组成的。   望远镜的发现使天文学发展到一个新时代。当时,各国的天文学家都在制作天文望远镜。天文望远镜越大,看到的恒星数目就越多,而当时人们再也不认为恒星仅仅是一块天幕了。宇宙是有限的还是无限的问题就摆在人们的面前。     《列子》中的对话   什么是宇宙?我国汉代高诱注释《淮南子》一书时说:“四方上下曰宇,古往今来曰宙。”换句话说,宇宙就是空间和时间的连续体。至于宇宙有多大,汉代天文学家张衡说得好:“宇之表无极,富之端无穷。”也就是说时间和空间是无限的。   关于宇宙有没有尽头的问题,我们不禁想起我国古代《列子》一书中记录的一段对话。殷汤(王)问于夏革(大夫):古初有物吗?夏革说:古初没有物的话,今天哪能有物。殷汤问:然而上下四方有极尽吗?夏革说:在无极之外复无无极,无尽之中复无无尽。无极复无无极,无尽复无无尽。所以我只知道是无极无尽,而不知道是有极有尽。所以天地大小相含,无穷无尽。你怎么能知道在天地之外不会有更大的天地呢?   在《列子》中讲的是一段哲学推理,但清楚地说明了宇宙的无穷尽原理。这个思想远远地超过欧洲中世纪的宇宙模型。   望远镜的发明,成为天文学家的有力工具,望远镜的口径越大,观测到空间深处的天体越多,宇宙真是无边无际的。     夜间的天空为什么是黑的?   在研究宇宙是否有穷尽的时候,有一位德国医生、业余天文爱好者奥伯斯(1758-1840,以发现小行星和彗星而出名),他在1826年提出一个十分有趣的问题:“夜间天空为什么是黑的?”   夜空是黑的,这当然是谁都看到的,但奥伯斯问:如果宇宙是无限的,那么天空将均匀地布满恒星,无论从哪个方向看天空都会看到星星,所以整个天空将显得很明亮,亮得像太阳一样。而实际不是这样,所以宇宙空间可能是不透明的,遥远空间的星光被不透明的星际物质吸收了。   奥伯斯的解释并不正确,被称之为“奥伯斯佯谬”。但他提出的问题标志着科学宇宙学的萌芽,围绕着这个问题的解决,使人们进一步加深了对宇宙的认识。   人们有了望远镜,就看到了宇宙深处,不仅看到越来越多的恒星,还看到了在宇宙间有众星簇成的星团,有弥漫的星云,有成为旋涡状的星云。这时就产生了一种想法,恒星难道是同时产生的吗?就像我们走到森林中去,看到的树木有的年老,有的年轻,星星是不是也有生老病死呢?我们看到的星星肯定有不同的年龄。在这时有人假设,观测到的星云应该是刚刚形成的恒星。然而,那时的人们错了,错在当时还没有弄清楚各个天体离我们有多远,当然也不可能知道这些天体有多大了。   当时,我们能够研究的天体就是我们的地球,还有一些从天外飞来的不速之客——陨石。在分析它们的化学组成后,就发现天外来客与地球本身相比,并没有什么特殊之处。显然地球外面的天体的物质组成应该是与地球没有太大区别的。但是飞到地球之外去研究别的天体,在上一世纪只能是幻想。     光谱透露了星光的秘密   对于地球我们可以研究它的成分,但是对于地球以外的天体呢?我们离不开地球,所以也就无从去研究它们的化学组成。   1825年,一位法国哲学家孔德在他的实证哲学讲义中说:“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识。”后来,1860年,法国天文学家弗拉马里翁也说:“要想解决恒星世界上的温度高低,我们是永远得不到有关的数据的。”然而他们的结论都下得太早了,这些不能解决的问题不但解决了,而且解决得很好。这归功于光学的成就,那就是光谱分析,这在本书的上篇《太阳元素的发现》中已经讲过了。   光谱透露了太阳的秘密,同样也透露了星光的秘密,此后不仅望远镜,还有分光仪也成了天文学家手中有力的武器。1868年法国的詹森和英国的罗克耶几乎同时发现在太阳上有一条新的谱线,那就是氦(太阳的意思),这是在地球以外发现的新元素(后来在地球上也找到了氦)。当然科学家们利用分光仪在地球上到处搜索,又找寻到了更多的新元素。   于是,孔德的预言破产了。利用光谱人们可以在地球上研究恒星的组成。不仅如此,在打开了原子的大门以后,科学家们发现了光谱线形成的奥秘,并且还可以由光谱来测出恒星表面的温度等物理状态。于是就兴起了一个研究恒星光谱的高潮,并且把恒星按光谱分了类。     恒星的颜色   我们在夜空中可以看到无数的繁星,但是仔细观察就会发现,恒星有不同的颜色,有的红,有的黄,有的白,有的蓝。显然,这是由于恒星表面温度不同,红色的温度低,而蓝色的温度最高。在掌握了光谱分析这一武器后,就可用来研究所有能观测到的恒星。   天文学家们拍摄下来各个恒星的光谱图,这实际是恒星的物理和化学性质的档案。他们把恒星按光谱分了类,并分为O、B、A、F、G、K、M七大类。另外对有特殊情况的恒星还有R、N、S三个副类。大略地说恒星的表面温度按O~M次序减小,也就是说单位面积上发光的亮度减小。例如,参宿七是B型星,表面温度12000K;天狼星是A型星,表面温度约为10000K;织女星也是A型星,表面温度为9700K;心宿二是M型星,表面温度为3650K;参宿四是M型星,表面温度约3500K。我们的太阳表面温度为6000K,是一颗G型星。     恒星离我们多远?   过去我们把天上的大多数星星叫做恒星,这个“恒”字意味着永恒不变的意思。那只是人们夜观天象时发现它们在天空上的位置等似乎是永不改变。但长期观测后,就发现恒星也在运动,也在“自己行走”,这叫做恒星的“自行”。   有了望远镜,人们就能观测到越来越多的星,也发现了恒星的许多细节。除了颜色不同恒星的亮度也彼此不同,过去人们用肉眼去观测,根据恒星的亮度把它们分了等级,叫做星等,分为1~6等。6等星是人们肉眼能观测到的最暗的星,1等星则比6等星亮100倍。还有少数星比1等星还要亮,那可以推上去,定为O等、-1等、-2等、-3等……有了望远镜以后,人们观测到了更暗的星,那就推下去,定为7等、8等、9等、10等……也就是说星等的数值越大,星就越暗。反过来,星等的数值越小,星就越亮。如果我们假定所有的恒星的亮度都一样,那么亮星就离我们近,暗星就应该离我们远。但是当人们设法测量出某些恒星离我们的距离(以光年为单位,即光线走一年的距离,约等于946051亿公里)后,就发现亮星虽然离我们较近,但在距离上也有很大差异,而离我们最近的星并不是我们看到的最亮的星。例如,我们看到最亮的恒星是天狼星,距离我们8.65光年,而夏季在南部天空看到的红色亮星心宿二则离我们约410光年,织女星离我们26.3光年,冬季看到的猎户座中最亮的星参宿七则离我们约有850光年,参宿四则离我们约有600光年。而离我们最近的星则是半人马座α星(南门二),只有4.2光年远。   所以,必须推翻那种亮星就近的假定,要研究恒星就要求把所有的恒星都放在同样距离来比较亮度,这样才公平合理。天文学家们把这个距离规定为32.6光年,而这时恒星的亮度叫做绝对星等。把几颗我们看到的亮星摆到同样的标准距离后,离我们最近的南门二变得几乎刚能肉眼看出来(绝对星等为4.38);天空中最亮的天狼星也降为一般的亮星(绝对星等为1.43);而参宿四(绝对星等为-6)、参宿七(绝对星等为-7.1)和心宿二(绝对星等为-5.3)的亮度则增大到比最亮的行星——金星还要亮得多(金星最亮时日视星等为-4.4)。看来,恒星的形态大小确实有很大的差别。     给星星排排队   本世纪初,天文学家们用恒星光谱类型(相当于表面温度)作横坐标,用恒星的光度(绝对星等)作纵坐标,把各个恒星标在图上,制成恒星的光谱-光度图。于是就发现恒星在图上主要分布在中间一条反7字形的叫做主星序的带上(在主星序上的星叫做主序星),此外在右上角有一些恒星,在左下角还有一些恒星。经过这样排比,发现在右上角的星表面温度低而光度却大,所以恒星的体积一定很大,就名之为巨星。例如参宿四和心宿二就是有名的巨星,与太阳系相比,参宿四的半径可以超过太阳系中火星的轨道半径。而左下角则是炽热的、密度极大而体积很小的恒星,这类恒星名叫白矮星。例如,我们看到天空中最亮的恒星——天狼星就有一颗肉眼看不到的伴星,两颗恒星靠引力作用相互绕转。天狼星的这颗伴星的质量大约和太阳相等,但半径仅仅是太阳的0.73%,即比地球还要小,但表面温度竟高达26000K。白矮星的密度可以高达105~107克/厘米3。   为了了解恒星,天文学家们做了大量的工作,测定它们的亮度、距离、光谱、表面温度……然后进行分类,终于在恒星的光谱-光度图上找出了头绪,从而奠定了恒星演化研究的基础。   恒星肯定会像其他运动着的物质一样,也有生老病死。在恒星的光谱-光度图上,倒底哪些是年轻的星?哪些是年老的星?它们之间有什么关系?又是怎样演化的?这就有许多推测,也提出了不少假说。而真正解决这一重要的演化问题则是在爱因斯坦建立了广义相对论原理以后。     光谱还告诉了我们什么?   天文学家在拍摄恒星和天体的光谱时常常要和一个标准的光谱相比较,于是就发现了一些新的现象,那就是有的天体的光谱中的光谱线,例如氦的光谱线不在原来的位置,光谱线的波长似乎变长了,也就是向红的那边移动了(在可见光的光谱中红光的光波最长,紫光的光波最短),这叫作光谱红移现象。   1842年奥地利的物理学家多普勒曾经指出,光源和观测者之间如果有相对运动,光的频率会被压缩(相互趋近时光的频率向紫端移动)或被展宽(相互远离时光的频率向红端移动),相对运动的速度可以由光谱紫移或红移的量推算出来。这就是有名的多普勒效应。   我们可以在火车道边证明一下多普勒效应,当一列火车从远方向你开近时,你会听到声音频率很高的尖啸声向你走来,当火车离你远去时,声音频率就会降低,这是音频的多普勒效应。对光波的情况也是一样,这样一来,天文学家们就可以根据天体的光谱线的红移程度,来推算天体远离我们的速度。   研究和分析的结果是很令人吃惊的。原来越是离我们远的天体,光谱的红移越大,也就是说远离我们的速度越大。于是天文学家们得出了一个看法,那就是说今天我们观测到的宇宙正在膨胀着(请注意,不是以地球为中心在膨胀,而是整个宇宙在膨胀)。   著名的美国天文学家哈勃(1889-1953),认真地研究了光谱的红移规律,确定了根据红移的量来确定天体离我们的距离。是他首先确定过去观测到的旋涡状星云不是我们银河系内的天体,而是银河系外和我们银河系可以等量齐观的巨大的恒星体系。例如在仙女座肉眼可见的仙女大星云M31,就是一个离我们最近的恒星系,哈勃在1923年最早测定了仙女座大星云的距离(现在测定仙女座大星云距我们约220万光年)。它比我们的银河系还要大(我们的银河系内约有千亿颗恒星和大约等于百亿个太阳质量的星际物质。是个扁平的圆盘,圆盘的直径约为10万光年)。   哈勃还根据恒星特别是遥远星系的光谱,观察并测定出它们的视向速度,即它们都在远离我们,而且离我们越远的天体远离我们的速度就越大,并几乎成正比关系。这被称为哈勃定律。正是根据哈勃的观测,建立起大爆炸的宇宙起源模型。   所以,人们认为哈勃是现代宇宙学的奠基人。     来自宇宙空间的电波   随着科学的进步,人们进一步认识了光。原来光是电磁波,但我们肉眼能见到的光只是电磁波的一段,比光波更长的还有红外线、无线电波(通俗地说),比光波更短的有紫外线、X射线、γ射线等。为了收集来自宇宙空间的信息,补充眼睛的不足,人们开始用照相底片收集记录宇宙间的信息,进一步扩大了视野。   1931~1932年,美国新泽西州贝尔电话实验室的无线电工程师央斯基,在进行长期无线电通讯的过程中发现常有“嘶嘶”的噪音出现,他在天空中寻找噪音的来源,终于找到了!美国《纽约时报》在1933年5月5日头版发表了“来自银河中心的无线电波”的消息。可是在当时这只是一条新闻,并未引起科学家们的广泛注意。他们不知道观察宇宙的另一个窗口已经打开了。地球的大气层只能放一小部分波段的电磁波过来,而其余部分或是被吸收,或是被反射掉了。所以我们隔着大气层并不能观察到宇宙的全貌。   二次世界大战后,由于雷达技术的发展,可以精密地定向地收集无线电波,这很快就被用于天文学,就形成了一个新的天文学重要分支——射电天文学。   射电天文学的发展使人们看到宇宙中更多的奥妙。不仅仅发现了射电星,还完成了60年代被称为天文学的四个重大发现,那就是:星际分子、类星体、脉冲星、微波背景辐射。   在这些发现的基础上,人类对大宇宙的认识又迈进了一大步。     混沌初开   几乎各民族都有古老的关于宇宙万物起源和产生的神话。在我国就有盘古氏开天辟地的神话,封建社会的蒙学读本《幼学琼林》一开始就说:“混沌初开,乾坤始奠,气之轻清上升者为天,气之重浊下凝者为地。”这些都是关于宇宙起源的朴素观点。   正如上面所介绍的,人类对宇宙的认识不断拓宽,从肉眼到光学望远镜,从光学望远镜到射电望远镜,由于地球大气的阻碍,我们在地球上还是不可能收到全方位的信息。到了宇航已成为现实的时代,人们理所当然的把望远镜搬到地球之外,这就是世界上最新的望远镜——哈勃望远镜。这是1990年4月24日送到离地球613公里轨道上的最先进的望远镜。从而摘掉了地球大气层这个遮眼罩。   根据现在的观测和理论,认为我们所在的宇宙起源于约150亿年前的一次大爆炸。在那时也可以说是混沌初开。而这大爆炸的起点的状态是当今天文学、物理学研究的热点。现代科学家认为在最原始状态下电磁作用、弱相互作用、重力作用都是统一的,在大爆炸的一瞬间开始,重力场、电磁场相继独立出来,此后才由原物质形成质子和中子,随着宇宙物质的进一步演变生成现有的原子核和原子。我们的银河系大约在100亿年前形成。关于以后宇宙物质的演化,下面我们将较详细地介绍。   现在我们已经知道我们的宇宙是一个阶梯式的宇宙,恒星组成星系,一些星系组成星系团,各星系团又组成我们观测到的宇宙——总星系。这种阶梯式的宇宙曾经解决了前面提出的奥伯斯的光度佯谬。而如今膨胀的大爆炸宇宙模型更好地解释了天空为什么是黑的。而奥伯斯问题的提出是建立在均匀的恒稳态的宇宙模型上的,这与实际观测的结果不符。   现在的问题是在大爆炸前宇宙是什么形态,如果在大爆炸的那一瞬间把时间作为0的话,那负时间宇宙会处于什么状态?再就是我们所处的宇宙膨胀有没有尽头。这就有两种模型,一是无限膨胀,终于完全散开了去;一是膨胀到了极限又会收缩,也许会又缩回到原始的致密状态。这一切还有待天文学家们进一步观察研究。   宇宙是有限还是无限的呢?是无限的。我们目前用哈勃望远镜已经观测到120亿光年远的天体!但这只是我们目前认识的前缘,并不是宇宙的极限。在我们的宇宙体系外肯定还有别的宇宙体系。正像古代哲学家说的:宇宙是大小相含,无穷无尽,宇宙之外还会有更大的体系。只是目前我们的认识暂时还难以达到而已。 下编 元素的诞生(二) 地球为什么有这么多种元素?   打开元素周期表,可以看到,我们居住的地球上现已发现有110种化学元素;而且科学家们还在研制人造重元素。可是,大家也都知道,太阳主要是由氢这种元素组成的。为什么地球有这么多的元素呢?   原来,万物都在运动、变化,都有自己的起源和演化规律,构成宇宙万物的各种元素也不例外。的确,在地球现今的条件下,我们还没有看到铁演化成金的过程。但是,一些放射性元素如铀、钍等,确实正在不断蜕变为铅。人们不禁要问:再经过一段长时间,铀、钍等放射性元素既然都会变成铅而消失,那在此以前,这些重元素又是如何产生的呢?这就是元素的起源和演化问题。这个问题和天体的起源和演化密切相关,同样是科学家们探索的重大问题。   早在1886年,英国著名科学家克鲁克斯曾发表了一篇论文《元素的产生》,提出:所有的元素都是由一种原始物质逐渐凝聚成的,这种在元素产生以前就存在的物质名叫“Protyl”。此后,人们关于放射性、核反应、核能的发现,使得人们对元素的认识更深了一步。但真要解决问题,只有跳出地球,到大宇宙去研究才有可能。也就是说,先要解答宇宙间的元素是从哪里来的。     尤里先生和宇宙化学   尤里先生是美国人,谈到他总是把他和重氢的发现联系在一起。   前面我们已经讲过,老汤姆逊是怎么样称量原子核的,并且和他的学生阿斯顿一起发现空气中的氖有两种不同质量的原子,也就是说氖有两种同位素——20Ne和22Ne。后来阿斯顿又制成了质谱仪——称量原子和分子质量的仪器,发现大多数元素都有几种同位素。   但是,最轻的元素——氢有没有同位素呢?许多科学家都在找,但是一直没有找到。玻尔的学生尤里1931年底在蒸发了大量液体氢之后,把残留的液体氢用光谱检测,终于发现了原子核质量数为2的氢的同位素。因为这个同位素太重要了,所以得到单独的命名和符号,那就是氖(符号为D,音刀)。1934年,卢瑟福又人工制造了氢的质量数为3的放射性同位素,它也得到单独的命名和符号,那就是氛(符号为T,音川)。人们通常把氛叫做重氢,而把氚叫做超重氢,相应的氖和氧化合生成的水就名叫重水(分子式为D[[[2O)。   由于发现了重氢,尤里在1934年获得诺贝尔化学奖,当时他仅仅41岁。他所以能发现重氢,是利用了在波尔那里学来的知识,首先计算出原子核质量数为2的氢的同位素的原子光谱谱线的位置(谱线的波长),又参考了老汤姆逊和他的学生阿斯顿一起验证空气中的氖有两种同位素的实验方法,终于获得了成功。   重氢和重水是发展原子能事业的重要材料,1933年尤里在美国的老师路易斯利用电解水的方法得到了第一小滴纯重水,并且测定重水的密度是1.108,沸点是101.42℃。1934年挪威利用廉价的电力建成世界第一座重水工厂。二次世界大战期间,美国研制原子弹,尤里是重要的科学顾问,负责铀-235的分离和重水的工业生产。   第二次世界大战后,尤里转而研究宇宙化学。他对半个多世纪以来科学家们积累的关于地球、陨石、太阳、恒星、星云等各种宇宙体的元素和同位素分布的资料,进行了统计分析并于1951年第一次发表了元素在宇宙间的分布数据,1956年进一步修订后,作了一张元素在宇宙间的分布曲线图。这张图是以宇宙间元素的同位素的相对含量为纵坐标,以核的质量数为横坐标画出来的。概括地说,氢最多,氦次之,再次为碳、氮、氧,并且随相对原子质量的增加而迅速减少,但到了铁时有一个突然增多,而比铁更重的元素则又是逐渐减少。   这样,就进一步发展了元素起源和宇宙学理论。     宇宙间的元素是从哪里来的?   尤里的宇宙元素相对含量分布图,和前面讲的恒星的光谱-光度图一样,对宇宙学的研究工作十分重要。科学家们必须对我们观测到的现在宇宙的元素分布作出科学的解释,还要说明其演化过程。   宇宙间元素的分布规律又与天体的演化态有关。一般说来,在早期形成的星中,金属/氢的比值很小,而年老的星这个比值则增大,在超新星爆发时,会生成放射性元素,甚至还发现有超铀元素。于是,元素的演化又成了宇宙学家研究的课题,他们先后提出了平衡过程假说,中子俘获假说,聚中子裂变假说等,但都难以圆满解释现有宇宙中元素分布的规律。成功的是1957年提出的恒星中生成元素的假说(这个假说由Burbidge夫妇、Fowler和Hoyle共同提出,所以简称B2FH学说),这个假说也是建立在大爆炸宇宙学的基础上的。   这个假说认为随着恒星的形成、演化和衰亡的过程,在恒星的核心分阶段地生成了由轻到重的各种元素。B2FH理论基本解释了尤里的宇宙间元素的分布曲线。     大爆炸   现代宇宙学认为:原始宇宙是完全由中子组成的非常炽热、非常稠密的大火球。后来,宇宙开始膨胀并变冷,这时中子蜕变为质子和电子。这种由中子、质子和电子组成的原始物质名叫“太素”(Yelm)。   当原始宇宙温度下降到109~1010K时,原始物质开始结合成氖和氦(当然绝大部分还是氢),这是原始的星际物质。根据B2FH理论,原始的星际物质靠引力收缩形成一些团块——原始恒星,同时内部温度逐渐升高,当恒星内部温度升到7×106K以上时,氢的核聚变开始,核反应的辐射膨胀与恒星的引力收缩相抵制,恒星发光并进人相对稳定状态,这时恒星内部的核聚变有质子-质子循环和碳-氮循环两种。这是恒星氢燃烧阶段,一般可稳定进行100万~100亿年。我们的太阳已进行了约46亿年,估计还将继续50亿年。这一阶段在恒星核心生成氦,同时还有一些碳、氮、氧等元素的形成。   当恒星核心的氢全部转为氦(约占恒星总质量10%~15%)时核反应停止,引力收缩占优势,结果使核心温度上升,恒星外壳膨胀,变成红巨星。当核心温度升高到108K,密度也骤增,开始了新的核反应——氦燃烧。这时恒星变成脉动变星(这类恒星有规律的膨胀和收缩像脉搏一样)。氦燃烧主要是三个氦原子核结合成碳核的聚变反应,然后再生成氧。   如果恒星足够大,那么还将继续收缩升温,发生碳和氧燃烧(聚变)过程,生成硅、钙等元素。更进一步则是硅燃烧(又名α过程),其核反应机理是硅核光解生成高能α粒子,α粒子又与别的核结合生成铁族元素。当恒星演化到这个阶段,核心的温度可以增高到4×109K,这就使核达到统计平均状态,生成元素周期表上铁附近的多种元素。这个过程是e过程(平衡过程),结果是生成铁质核心。到这时,恒星就进人风烛残年了。   据B2FH理论,比镍更重的元素不能靠聚变反应生成,而是由一些重元素核在恒星中连续俘获中子形成的。在大质量恒星(质量达到8~20个太阳质量)演化的末期,核心温度可以高达4×109K,铁会转为氦和中子,大量吸热,使核心处于爆缩状态,随之是超新星爆发。这时强密度中子流会陆续击人元素核中生成铀、钍,甚至超铀元素和超重元素。     恒星的生与死   根据爱因斯坦在20年代初提出的质能转化关系,贝特等在30年代末提出氢聚变为氦的热核反应是太阳发光发热的能源。通过对太阳内部结构的研究和分析,天文学家们进一步研究了恒星的能源和演化的关系。于是就产生了核天体物理学这样的一个天文学分支。由于恒星形成时的质量不同,发的光(能量)也不同。恒星越大发光越强烈(表面温度也高),在主星序内停留阶段也短,反而是质量小的恒星,能量消耗少,稳定发光的时间要更长。一般说来,高光度、大质量的O和B型星在主星序上停留只有几百万年、几千万年,而低光度、小质量的K和M型星则可以稳定发光长达几千亿年、几万亿年之久。太阳是G型星,据计算在主星序阶段可以停留100亿年左右,如今已过了50亿年,即已达到中年,估计还能维持50亿年或更长的寿命才进入晚年。   当恒星核心中氢的含量消耗到只剩1%~2%时,能量供应不足抵住引力,恒星开始收缩。收缩使核心温度进一步增高,这时恒星核心边层开始发生氢转变为氦的核反应,使得恒星外层温度增高而膨胀变成红巨星。而内部核心的温度升得更高,引发了氦的聚变,这时恒星会发生周期性的膨胀和收缩。   更进一步的情况是,小质量的恒星,因能源耗尽而收缩成红矮星。大质量的恒星,因引力收缩,使热核反应不断升级直到生成铁的核心。这时恒星的核心再进一步坍缩,外层就会爆发成为“新星”或“超新星”(“新”只是我们似乎观察测到一个新的星,而实际上是个快要老死的星),而其核心则变成为密度极大的白矮星或中子星。也有的爆发后就完全散开到宇宙空间去了。   例如,公元1054年在金牛座的超新星爆发,在我国的史书中有详细的记载。在今天我们还可以看到爆发时抛出的蟹状星云,和一颗中心遗留的中子星。新星和超新星爆发可以说是恒星晚年的回光返照。但这决不是一般的回光,一颗超新星爆发时光度可以达到107~1010个太阳的光度(相当于整个星系的光度),即光度突然增大千万倍甚至上亿倍,同时放出极大的能量。这是恒星世界中已知最为激烈的爆炸,而爆炸得到的产物是比铁更重的元素,直到超铀元素。   根据爱因斯坦广义相对论还预言了一种特殊的天体——黑洞。1939年奥本海默等作过计算,认为星球有可能坍缩到它的引力半径之内(引力半径r[[[g=2GM/c2,式中G为万有引力常数,c为光速,M为恒星质量人对于晚期高密度的恒星来说,当恒星质量超过引力半径公式给定的M值时,就会形成黑洞。也就是说连光线也不能从黑洞中逃逸出来,这样外界就无法再观察到它了。黑洞也是恒星终极的产物,天文学家们极力设法找寻黑洞,首先在双星体系内寻找黑洞。天文学家们描绘了这样的图景,黑洞天体不断地把它的伴星的物质像长虹吸水一样的吞噬着,它们也许最终会合并成一个黑洞。   一般说来,恒星是由低密度的星际物质凝缩而成,这是形成恒星的原料——原始星云,质量大约是几十个乃至一万多个太阳的质量。在凝缩过程的同时,不仅密度不断增加,而且核心温度也不断增加,辐射压力和引力相互较量之后,终于平稳地收缩成原恒星。在这过程中,原恒星的核心温度继续增大,增大到700万度以上时,氢聚变为氦的热核反应开始,恒星发光发热,而核心产生的能量足以抵住引力收缩的压力和向外辐射掉的能量,于是变成一颗稳定的正常发光的恒星,进入了主星序成为一颗主序星,这是恒星的壮年时代。   恒星经历了生老病死的过程,在这个过程中把物质转化为能量,把氢和氦转化为更重的元素直到超铀元素,从而为宇宙向更深层次的演化奠定了基础。恒星死亡的残骸将混人星际物质中,准备生成更新一代的恒星。     元素的年龄   以上概略叙述了元素在恒星中的演化。根据B2FH理论,放射性元素是在恒星演化后期形成的。如果我们选两个半衰期不同的放射性同位素例如铀-235和铀-238,假定它们同时形成,形成的比例可由理论推算,可以简单认为是1比1。那么,由地球或其他宇宙天体中这两种放射性物质的现今比例,就不难推算出经过了多少年了。   例如,在地球上铀-235对铀-238现今的比例已经是0.00725。而且科学家们已经测定:铀-235的蜕变常数是9.72×1010/年;铀-238的蜕变常数是1.54×1010/年,所以不难推算出铀元素生成到现在已经过了6.5×109年了(65亿年)。当然,这是元素的年龄下限,也就是说这是老一代恒星爆发为超新星到现在的年龄,再往前推算原始恒星的生成和演化的年龄,由之可以估算出银河系的年龄约为150亿年。或者说,这就是原始大爆炸到现在的年龄。   如果我们银河系的初始状态全部是氢,那么第一代恒星应当全部由氢组成;第一代恒星死亡后,生成的各类元素弥散开来,使银河系的组成发生变化,于是再凝聚成的第二代、第三代恒星的原始组成就复杂了。我们的太阳现处于氢燃烧阶段,但已有铁等重元素,可以肯定它不是第一代恒星。而地球也只能是由第一或第二代恒星的残骸形成,地球的铁核、地球上的各种元素和放射性物质,都说明了这一点。这就是地球上为什么有这么多种元素的原因。   在恒星中后期形成的重元素,实际上储存了恒星的能量,又以放射蜕变形式逐步释放,所以我们地球不仅享受着本代恒星——太阳供应的能,而且还在享受着前几代恒星留下来的“祖先遗产”。可以这样认为,地球是银河系物质演化高级阶段的产物。   关于元素的起源和演化的学说,实际上还处于假说阶段,还有不少重要环节不很清楚。在这方面,天文学上的新发现还在不断丰富其内容。     行星系演化的学说   人类在对宇宙漫长的研究过程中不断地摆正了自己的位置。哥白尼以后,地球不再是宇宙的中心了,至于太阳则不过是我们太阳系的中心,太阳作为一颗恒星仅仅是我们所在的银河系——本星系中的一颗普通的恒星,而且也不在本星系的中央。   能够最先研究得较为详细的应当是太阳系本身——太阳和各行星的大小、距离、公转周期、自转周期……行星又各有几个卫星。当然,还有的行星有光环,还有一大群小行星,还有彗星……总的说来,它们都基本上处在同一平面上,按同样的方向旋转。在天文学中最先提出的一个问题就是太阳系是怎样形成的,太阳系在宇宙间是不是唯一的(如果是唯一的,那地球上的人类也将是唯一的宇宙精灵)。作为真正的天文学家来说,他们从来不相信太阳是宇宙间的唯一的行星系,当然像人一样的智慧生物,也会在宇宙间别的星球上存在。问题就在于要解决太阳系是怎样起源的。   在早期,太阳系的起源和当时的天文观察水平相适应,也和当时科学认识的水平相适应。最早人们用望远镜看到了不少星云,有的是烟雾一样弥漫的,也有的是呈各种各样的旋涡形的。当时还没有认识到这些旋涡状星云是庞大的离我们极远的恒星系,与我们的太阳系不是一个尺度。但由这些观测还是产生了较早的太阳系形成理论,康德于1755年、拉普拉斯于1796年分别根据刚刚建立的万有引力定律提出了星云说——即太阳系是由一团气体星云形成的,因引力收缩而旋转,由于离心力的作用形成扁平的螺旋状,最后中心形成太阳,周围凝聚成行星。   以后就又有各种灾变学说。布封于1745年提出是一颗大彗星碰撞原始太阳,于是就飞溅出一些物质块形成行星系。1916年英国天文学家金斯提出十分流行的潮汐学说:当两颗恒星匆匆行近时,由于引力作用,由两颗恒星上各拉出一条雪茄烟状的物质长条,而当那恒星又匆匆离去时,这雪茄烟状物质就再也没有落回到太阳去,而是分段形成了各个行星。   实际上,只是后来对恒星的演化过程有了较深刻了解,在拉普拉斯星云说的基础上不断补充修正后,才有可能在恒星形成的过程中研究行星系的形成过程。如果说过去天文学家着重的是力学问题(特别是角动量的分布问题,即占太阳系总质量99.865%的太阳只占太阳系的总角动量的0.6%不到,而占太阳系总质量0.135%的行星、卫星等却占太阳系的总角动量的99.4%以上),如今就不仅要考虑一个物理的(只从力学角度考虑)行星系,而且还要从化学的角度(化学组成、能源的产生)来考虑行星系。1952年尤里等不仅考虑了物理的因素,更进一步提出以化学为基础的行星本身演化的假说,从而为行星上进一步的生命起源和演化的研究打下了基础。     恒星和行星系的形成   关于太阳系(行星系)的起源和演化是与恒星的形成和演化过程同步进行的,200多年前康德-拉普拉斯的星云说所提出的模型和现代的理论基本是符合的,只是随着科学的发展而不断修正和补充,而且今后还将进一步修正。   在前面讲到恒星由原始星云形成的过程,在初始阶段还有些细节未能讲到。主要分为快收缩和慢收缩两个阶段,一开始引力占绝对优势,原始星云很快向内部收缩,中心的密度增加很快,大约要几万年到上百万年就可以形成原恒星(质量越大,形成越快)。这时核心开始变得不透明,而温度也逐渐升高。当温度升高到2000K时,氢分子开始分解成原子,吸收了大量的热量,又使得中心压力骤降,于是就塌陷成密度更大的内核。同时外部形成强烈的星风,阻止外围物质进一步落向核心。接下来就是慢收缩阶段,这阶段所经历的时间是几万年到十几亿年,直到核心温度升高到上万度,引发了核反应,这时恒星就形成了。而在星云坍缩成恒星的过程中,盘旋于星核外围的物质碎块平展成太阳星云,接下来太阳星云中的物质聚集形成行星体,这就是行星的前身,根据对地球和陨石的研究,这几个过程大约需要1.7×108年,而地球和陨石的年龄是4.7×109年。   天文学家应用电子计算机模拟计算了太阳星云中行星的吸积过程,曾经计算出许多不同的“太阳系”模型,结果都是太阳内侧的行星较小,而太阳外侧的行星较大,与我们太阳系的行星的实际分布情况基本符合。   我们看到,随着科学的进步和观测资料的日益精密,行星系的起源和演化的假说也就更加与实际相符合。在上述理论的基础上人们将会认识到有行星系的恒星决不是偶然现象,因为只要条件具备,恒星在生成的过程中就同时生成了行星系。我们的银河系中具有中等质量的恒星大约有1010颗,保守的估计在它们当中1%有行星系,假如每个行星系有10个行星,则在银河系中约有109颗行星。那么将会有多少颗行星上会有生命存在?其中又有多少颗行星上会有高级的智慧生命?这就要研究更高层次的起源和演化问题——生命的起源和演化问题了。而在探讨这个问题之前,我们还应该研究行星的演化和它们上面的物理和化学条件,实际上在这中间还有一个重要的进化问题要探索,那就是化学进化。   对行星大小和距离的理论计算。在这些计算机实验中,模拟了太阳星云中行星的吸积过程。过程是随机的但服从有关的物理定律。计算机中的许多实验算出了许多不同的“太阳系”。它们都是在太阳系外侧有较大行星,在内侧有较小行星。计算出的资料可以和下面一行的实际太阳系相比较。     在行星的原始气氛中   上面我们已经讲述了从恒星到行星系的演化问题。根据演化的观点来看,生命应该是物质演化的高级阶段,同时也应该是普遍的现象。问题是生命是怎样产生的,这又是一个最重要的演化问题。   我们居住的地球上已经有由低级到高级的多种生物生存。这些生物是怎样产生的?显然这是在地球发展到一定阶段才产生的,并且是不断进化的。在这过程中,生命经历了从低级到高级的演化,一些新的物种产生了,另一些老的物种消失了。   要了解生命的起源,还应该从地球本身的起源和演化说起。而要考虑这演化过程,正如上面所说的不能仅仅考虑力学,更重要的是化学的演化。一般说来,原始太阳星云物质分为三大类:“气”、“冰”和“岩石”。“气”主要是氢和氨,约占原始太阳星云重量的98%;所谓“冰”,包括碳、氮、氧、氖、硫、氩、氯等(大部分以氢化物形式存在,如甲烷、氨、水、硫化氢、氯化氢等),约占总重量的1.5%;所谓“岩石”包括钠、镁、铝、硅、钙、铁、镍等(大多以硅酸盐和氧化物形式存在),约占总重量的0.5%。   在太阳系形成的过程中,核心因引力坍缩,基本保持了原始太阳星云的成分。内行星(水、金、地、火)因质量小,温度高,丢失掉了绝大多数的“气”,外行星(木、土、天王、海王、冥王)质量大,温度低,但也丢失了一部分的“气”。     尤里和他学生的实验   根据上面所说的观点认为:地球由太阳星云中俘获了氢、氨、甲烷和水而组成了还原性大气。尤里和他的学生米勒在1953年做了一个很有名的实验,即在烧瓶中充装了“原始的还原性大气”(氢、甲烷、氨、水),在加热循环的情况下进行了几天到一星期的放电,结果生成了甘氨酸、丙氨酸、谷氨酸等8种氨基酸,此外还有各种有机酸类、尿素等等。在这个实验之后有更多的科学家进行同类实验。他们改变着“原始大气”的成分,并且除了放电外还换用了紫外线或辐射射线来进行照射,结果都生成氨基酸,而且种类更多。另外还有人在高温下使“原始大气”通过二氧化硅(作为催化剂)从而合成出氨基酸。米勒等人的实验是在还原性气氛中进行的从而得到了各种氨基酸。后来又有一个著名的实验,是把氨与氰化物在烧瓶中进行回流反应竟然生成了含量较高的腺嘌呤,这是当代生物化学的中心分子。这许多科学家投入大力进行的科学实验,目的是企图证明在地球的原始气氛中和地球的原始条件下会合成生命的基础——氨基酸以及更复杂的有机分子。   到了60年代,人们对早期地球的认识又有了发展。天文学家们研究后认为原始地球形成后因引力收缩和放射能的积累而升温,地球处于熔融状态,这时原始的星云大气被驱散了,地球不会有含甲烷和氨很多的还原性大气。现在地球的大气是所谓次生大气,是在地球的地幔在漫长时间内形成的过程中排出来的气体,主要是水、氮和二氧化碳。一个行星要能支持生命就要由地慢中排放出水,生成水圈,而我们地球也正符合这个条件。水形成后,变成浓厚的水蒸气在上空冷却成为雨,暴雨下在刚刚形成的热的地面上又蒸发到上空,就这样水的循环开始了,水侵蚀着地表溶出了各种可溶的物质,形成了原始的海洋。空中的二氧化碳也溶解到水中,与水中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀,沉积下来成为水成岩。但是要形成当前的地球的大气则是在生命产生以后,特别是发生植物的光合作用以后,二氧化碳才被转化成为氧,使大气层变为氧化型的大气,这时高等动物才有了生存的气氛。   在地球演化的模型进一步发展时,同时就出现了一些新的问题,即在原始的还原气氛中形成的有机分子,在热熔的地幔上能否继续存在。     生命分子来自宇宙空间?   这时,认识又有了突破。50年代开始打开地球大气的另一个窗口,开始了对宇宙空间的射电天文学观测。60年代天文学的三大发现之一就是观察到星际分子。而最早发现的星际分子是氨,后来是甲醛,接下来有氰化氢、丙炔腈等等,当然还有水、碳氢化合物的自由基等。   另一项研究是对碳质球粒陨石的研究,这是一种含有碳化物的陨石。早期的研究发现其中含有泥炭、铵盐,甚至碳氢化合物,后来对陨石的分析又发现有多种有机化合物。于是就提出生命物质是由陨石带到地球上来的。但是对这些有机化合物是陨石本来就带来的,还是落到地球上以后被“污染”上了的,说法不一,引起了不停的科学争论。所谓“污染”既包括与地球环境接触后吸附上的有机物,也包括陨石中碳化物与水等反应生成的碳氢化合物。而我们由月球上,和由火星上多次取样(严格防止“污染”)分析的结果目前都没有发现生命痕迹。但是,陨石会带来外空间的有机分子已成为地球上生命起源的假设之一。研究陨石、彗星的化学成分也是探索生命起源的重要途径之一。   根据对地球上的岩石以及化石研究,地球的年龄约为46亿年,大约在40亿年前出现最早的生命——原核类生物,又过了约20亿年,才发展为真核生物,以后进一步演化为无脊椎动物、维管束植物、脊椎动物,直到灵长动物。   至于初始的几亿年,如何由无生命的有机分子形成能自我复制的复杂的有机体——生命。这至今还不是十分清楚,一直是科学家们研究的重要课题。   总之,在地球的形成过程中产生了有机分子,可能是在原始气氛中自动形成的,也可能是地球在吸积陨石物质时,由陨石带来的,也可能是碳质球粒陨石投人到地球的原始海洋中,通过化学反应生成的。而这些有机分子在地球的原始气氛中相互组合,终于发展成生命。     生命的元素   上面我们已经提到前生命的各种有机分子,包括氨基酸都可以在地球演化的早期自然合成,这就奠定了生命起源的化学基础。虽然最关键的问题目前我们还若明若暗,但不管怎样说,生命在地球上形成并发展了。在这里不可能详尽地研究生物的进化过程,以及先有鸡还是先有蛋,恐龙为什么会灭绝,今天的猴子为什么不变成人,等等。在这里还是要从宏观和微观世界的规律来看生命的过程。   正如上面所说,生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。这首先就提出了构成生命的基本元素。生命的元素的分布情况:C、O、N、H、S占生物体的95%以上,再加上Ca、P、Na、K、Cl、Mg、Fe共占99.9%以上。此外生物体中还有一些微量元素,主要有B、F、Si、Mn、Cu、I、Zn、Co、Mo等。   如果我们回到宇宙间元素分布的情况看,那就是H最多,He次之,然后是C、N、O、S、P、Fe,这也正是形成生命最重要的元素,也是宇宙间丰度最高的元素。   从微观世界来看,H是最基本的元素也是最原始的元素。He是最稳定的元素核(α粒子)。以下的最丰富的元素大多是He的倍数。C是3个He形成的,O是4个氦形成的,S是8个氦形成的,Ca是10个氦形成的……这些稳定的元素核名叫α粒子核。实际上,最稳定的(从核能的角度来看)铁也是α粒子核,它相当于14个氦核组成的。   所以从微观来看,组成生命的基本元素,其核特征也是相对最稳定和最丰富的。     太阳不是第一伶恒星   前面我们一再提出生命是宇宙物质演化高级阶段的产物。如果我们的太阳仅仅是第一代恒星,也就是说基本上完全是氢组成的,那它周围是否能形成行星都要成问题。因为这时的行星没有高级元素作原料,如果能形成也不过是小的氢的团块,很难凝聚,并会被太阳风所驱散,所以第一代恒星是不可能同时形成行星系的。我们现在的太阳是第二代甚至第三代恒星,所以它具有丰富的元素内容。而我们太阳系的行星,则完全是上一代或上几代太阳(恒星)残骸组成的。上一代老死的恒星破碎散漫在宇宙空间,就形成铁质以及其他元素的粒子,上一代爆炸的“超新星”形成比铁更重的元素以及放射性元素。它们结聚起来形成我们太阳系的行星。我们的行星有一个致密的铁的核心,我们的行星有丰富的矿藏(各种元素组成的),我们的行星有自己的能源,主要是天然放射性元素蜕变供给的能量。这一切说明我们正在享用着上一代太阳的遗产。是在上一代太阳的残骸上建立了行星系,包括我们的地球。我们的能源主要依靠于今天的太阳,但我们在地球上开发出来的核能则是上一代超新星爆发时积累的能源。没有这众多的元素,没有必需的能源,生命就不可能产生。     展望未来   生命由海洋中产生。动物的血液(包括人的血液)就其元素组成来说与海水的盐类组成很接近。下面是人血与大洋水的溶解的总盐的成分对比。   成分 血的含量% 大洋水的含量%   氯 49.3 55.0   钠 30.0 30.6   氧 9.9 5.6   钾 1.8 1.1   钙 0.8 1.2   由此我们似乎可以认为动物的血液维持了古海洋的成分,生命源于海洋由此得到例证。但是又出现了新的矛盾,那就是植物,植物的体液照理也应该与海水的盐含量相当,但是即使是海洋里的植物,其体液的成分也与海水相去甚远。   总之,生命起源之谜并没有最后解开,而目前我们正从两端向中心趋近。一方面我们早已了解到生命起源后从低级到高级的演化链条,另一方面通过对宇宙物质演化的研究,了解到生命元素的起源和生命前分子产生的机制。问题就在于如何从两方面合拢。   应该说本世纪科学的最重大发现就是发现了DNA的双螺旋结构,而与之相关的是另一条长链RNA,现在的看法是最原始的生命由RNA产生。问题在于生命前分子是如何组成有生命的RNA的。有的假说认为是警星投人到原始的海洋中带来了生命,但是彗星上的生命分子又是如何产生的呢?没有明确的答案。   现在正类似上世纪末发现电子时的情况,电子以及放射性的发现为本世纪初打开原子的大门提供了钥匙。而DNA和RNA结构的发现将为下一世纪彻底打开生命的大门提供了钥匙。可以预料下一世纪将是生命科学的世纪,生命之谜一定会被解开。 附录 敢不兢兢业业①   ①原载《科普创作》1987年第1期。   给少年朋友编写了两本小册子——《太阳元素的发现》和《打开原子的大门》,都是以科学史为线索,既介绍科学知识,又介绍科学方法和科学家品格的。其中《太阳元素的发现》是以前苏联勃朗什坦《太阳物质》一书为基础改写的。《打开原子的大门》则完全是自己的创作。   我总认为,少年儿童正处在长身体、长知识、长智力的重要阶段,虽然他们的主要任务是在学校学好基础知识,这好比是饭。但是光有饭还不行,还应该有促进食欲、增加营养的菜来配合,这就是课外的科普读物。少年科普读物应该是色香味俱全的、营养丰富的好菜,而不是可有可无的零食,更不能是“三精水”。菜和饭是不同的,科普读物也不能是课本的重复。给少年看的课外读物就不能强迫他看,而要引人入胜,有趣味,有道理,能看了还想看。不仅如此,还应该能引起课堂学习的兴趣,这就是好菜与饭的关系。但是,我们还应该注意到,不能只追求色香味——趣味性而破坏掉菜的营养——科学性。   这就碰到了难题。科普作品讲求三性——科学性、思想性和趣味性。如何把三性统一并不容易。讲一大堆科学道理,读者难以理解,成了拦路虎;讲一大堆政治说教,看不下去;搞了一堆花架子,空洞无物。难!有的同志认为科普作品是初级的,科学性未尝不可马虎一些。我不同意这论点。正因为他是初级的,启蒙的,就更应该谨慎从事。尤其是少年科普读物,一个错误的内容常会给读者带来难以纠正的错误偏见,就像一张白纸上任意涂一道黑一样,擦抹不净。当过教师的同志都有这种经验,纠正一个错误的成见要比教一个完全不懂的学生难得多。如果不能保证科学性,其他的“性”也都是空话,科学性是首位的。   如何做到三性的统一,在编写这两本小册子时作了一些尝试。   常说:“你要给人一杯水,就先要自己有一桶水。”在编写这两本小册子时,我刚刚为科学出版社编写完《化学发展简史》,正好掌握了一批原始资料,也就是说桶中还不算空,这算是有利条件。第一本是改写《太阳物质》,审读之后,当然构思很好,但史料上错误还是不少,有些还是较严重的,另外缺乏最近几十年的新资料。于是重新核实材料,增补新材料,重新写过一遍。增补纠正的内容在三分之一以上。   在改写过程中,我理解到,即使对少年读者来说,只要下功夫,科学性是能够保证的。当然,对不同对象讲科学道理要考虑其基础,要就讲清楚,使读者经过思索能懂,脱离读者的基础去讲科学道理,读者不能理解的就宁可不讲。例如《太阳物质》中只讲了发射光谱,而不敢讲吸收光谱,结果使读者莫名其妙。实际上吸收光谱线还是可以讲的。所以在《太阳元素的发现》中增加了这段历史,把来龙去脉讲清楚了。但是,如果想再进一步,去讲原子结构和电子轨道能级,再讲光谱线和电子在轨道上的跃迁就会脱离读者已有的水平,就会出现“知识硬块”。   我体会到,做到“三性”结合,采用史话体裁是一种很好的形式。史话的知识容量较大,也容易从人类认识的过程来讲,使读者由浅人深。采用史话体裁可以通过科学家的活动结合认识过程,自然地阐述科学家的品质,认识的辩证过程,以及科学的思想和方法。思想性完全融化在整个作品之中,无需穿靴戴帽。科学本身就是引人入胜的,抓住人类认识过程的关节点就可以把读者吸引住。在改写《太阳元素的发现》时,在认识论方面,在如何选定认识飞跃的关节点,以及如何把这些内容表达得清楚生动等方面,我作了一些努力,也收到了一定的效果。   在编写史话体的科普作品时,由错综复杂的认识过程和与学科互相渗透的史料中,清理出一条清楚的线索,是创作成功的关键。在写《打开原子的大门》时,虽然有了改写《太阳元素的发现》的经验,但《太阳元素的发现》主要是修补别人现成的框架,还比较容易。等到写《打开原子的大门》时,完全由自己来立框架,就难多了。从拟纲目到完稿,经过四次推翻重来的过程,才勉强完成,今天看来也还有许多不足之处。   书出版了,社会效果有的是可以预料到的,也有些则是意想不到的。1984年全国化学夏令营,各省竞赛的优胜者及辅导教师来京共聚一堂。座谈中,他们提到了这两本书对他们喜爱化学起了作用,这对自己当然是一个鼓励和安慰,但他们也提出了新的要求:不能老讲历史,应该多写一些介绍现代科学成就和进展的科普书籍。这是摆在我们面前的新课题。   另外,一些读者来信和来访也是十分感人的。一位初中同学来信说他看了《太阳元素的发现》弄懂了空气液化的原理,他决心要自己设计制作空气液化机。更感人的是最近一位湖北的青年工人自费来京,通过出版社找到我家。原来他看了《打开原子的大门》后,根据第一页上高频感应线圈的文字介绍和简图,又自学了物理中的电磁学,就和几个青年朋友照此图示制作起感应线圈来。中途遇到了困难,竟风尘仆仆地来京请教,使我惶恐万分。因为这些问题本来不是那两本小册子的主要内容,而这些可爱的青少年学起来却十分认真。   回想起这幅插图的诞生过程,还有一段小故事。当《打开原子的大门》文稿脱稿后,由画家配了插图,责任编辑杨永源同志看了那幅感应线圈的插图后,认为表现得不科学,找了我去,重新改画过,避免了科学的差错。哪曾料想到这几位青年工人正是根据这个十分简略的图,自己去试作感应线圈!看来,一篇科普作品,即使是一个细节,即使是一张插图,决不能马虎对待,否则就会贻误读者。重担在肩,敢不兢兢业业地创作吗? 我怎样改写《太阳元素的发现》①   ①本文系作者1981年3月在“新长征优秀科普作品奖”发奖大会上的发言。   1978年,刚刚苏生不久的中国少年儿童出版社要我为《少年百科丛书》推荐一些选题或者编几本书。虽然自己脱离科普战线已近20年,但面对当时少年科普园地的荒芜景象,也就决心再作冯妇,认真考虑这个问题了。   到底一本少年儿童的科普读物应该编写成什么样子呢?既然少年儿童的主要任务是在学校学好基础知识,那么为少年写的科普读物就应该是配合学校的学习的,但又不等于是课本的重述。打个比喻来说,如果在学校学的课本是饭的话,那么在课外看的科普读物就应该是菜,而不是可有可无的零食,更不能是加了点香精的糖精水。一盘色香味俱全的好菜,既能增加营养,又能促进食欲。一本好的少年儿童科普读物也应该是这样,既要给小读者以科学的营养,又要能促进他们主动地学好课本上的知识。这里所说的科学的营养包括的不仅是具体的科学知识,更重要的应该包括科学的思维方法、实验方法、科学家的品质等在课堂上不易学到的内容。科学的思想方法和作风也同样需要从小培养。科普读物与课本应该是相辅相成的。   只强调营养而难吃的东西小孩是不愿吃的,当然也达不到下饭的目的,这就不能算菜而只能是一碗补药。药是要强迫才能吃下去的,靠补药补起来的孩子是虚胖的,总不如正经吃饭菜成长起来的孩子强壮有力。少年科普读物既然不是补药,就不能强迫少年去看,所以色香味也是十分必要的。也就是说要语言生动,要有趣味性,要能引人人胜。一盘好菜的色香味是通过烹调由蔬菜本身发出来的,而科普作品的趣味性也应该从科学本身发掘出来。   为了尽快地给少年儿童选一盘合适的菜,我向出版社推荐了M.勃朗什坦著、徐永才译的《太阳物质》(1956年科学普及出版社出版)一书。虽然这本书出版年代较早(初版是1936年)。但因为是讲科学史的,所以现在看来也不算过时。我认为它还是符合上述要求的一盘传统菜。   出版社的同志们看过这本书以后,认为它不论从内容上还是从结构上看都比较理想,但是还应该再加上一些新鲜的蔬菜,回锅重炒一下,使其更适合我国少年儿童的口味。这任务又推还给我,于是在1978年的暑假中我将这本书改编成为现在的《太阳元素的发现》。   下面简要地介绍一下自己在改编过程中的想法和做法。   一本书的主题确定之后,写好写坏就在于作者的思路是否清楚明确。书的结构和材料的取舍是由思路决定的,如果作者本人的思路混乱,那读者也必将被引人迷宫。原书的思路是比较清楚的,所以加工时保留了原书的基本结构,删去了一些繁琐的枝节内容,增补了若干新的内容,使得思路更清楚,延伸得更长。   这本书是讲氦的发现历史的,同时也是讲辩证唯物主义认识论的。原书对认识论问题点得不够突出,结尾只落在氦的确实被发现上。在改编时进行了提高,首先在书的开始时采用了一个哲学命题作引子,引用了实证主义哲学家孔德的一句话,“恒星的化学组成是人类绝对不能得到的知识”作为全书的第一个问题。而以“到现在为止,谁也不敢这样说:氦,我们已经完全认识清楚了”,作为收尾。对于书中各节的衔接处也尽量改得更为自然,以使思路不致跳跃中断。这并不是人为地制造一些“关子”,而是尽量选了一些科学发展的关节点(旧问题解决了,又出现新矛盾,提出新问题)。这样不仅可以使读者能一环套一环地一口气把书读完,还可以使读者在认识论上有所提高。   科普作品首先要保证科学性,讲科学史的科普作品,还要尊重基本历史事实。原书在科学性和史实上也还是有若干疏漏和错误的,改编时尽量作了纠正和补充。其中有:   1.原书未讲方和斐黑线和基尔霍夫对光谱吸收线的研究。这也可能是怕读者接受不了而略去的。实际上,在没有弄清楚吸收光谱的道理之前,是不可能用光谱研究太阳的化学组成的。   2.原书在介绍卡文迪许的实验过程中有重要的疏漏(其他同类的科普读物也一样),那就是不能保证最后的小气泡不是过剩的氧气。细心的读者是会提出这个疑问的。实际上卡文迪许是用“硫酐”(多硫化钾溶液)把剩余的氧除掉了。   3.发现氩是第三位小数的胜利,在各种科普书刊上作这个文章的很多,但采用的数据却不统一。原书中两种氨的密度是1.2565克每升和1.2507克每升,而尼查叶夫《元素的故事》中又是1.2572克每升和1.2560克每升。经查对瑞利的原始实验数据才知道都不对,应为1.2572克每升和1.2508克每升。这并不是烦琐考证,因为我们一方面要教给读者以严肃认真的科学态度,不要忽视第三位小数上的差别,一方面自己又在第三位小数上出差错,这是不应该的。   4.原书对于拉姆赛和他的学生特莱凡斯发现空气中的各种惰性气体的过程讲得很含混,甚至有原理上的错误。改编时查阅了特莱凡斯写的《拉姆赛传》等资料,才把这个过程弄清楚。   其他一些史实上的讹漏之处就不再列举了。   原书是在1936年初版的,当时飞艇还在天上飞,低温物理的研究刚刚开展,太阳上的热核反应是在1938年才发现的。一些新内容当然不会包括进去。虽然1956年重版时增加了介绍液氦的题为“20年后”的附录,但也不能与全书合成为有机的整体。为此在改编时增添了情气化合物,太阳的年龄和热核反应,飞艇的未来,低温世界等新的内容。   就知识性来说,书中所介绍的惰性气体的性质就已经超过中学课本的内容。而为了更体现饭和菜的关系,改编时在书中采用了一些严肃的科学实验装置图,都是科学家当时做实验的原图,但没有在书中详细说明实验过程。我想少量的这种图并不见得比趣味性的插图坏。此外,在原书中只提到瑞利由几种含氮化合物制氮,而未讲如何制的。改写时根据瑞利的原始实验,指出了各种制氮的简略方法。增添了这些内容以后,对于低年级学生和一般读者来说,完全可以看得过去,不会成为拦路虎而影响对全书主要内容的理解;对于高年级学生和化学爱好者来说,会对这些图和化学反应感兴趣,这时他们就可以去查化学课本,去钻研,去请教老师,从而得到更多的知识。   这本书是讲科学发现史的,而科学的发展又是与科学家的科学活动分不开的。在改编时对科学家的生活细节等描述尽量节略,而刻意描述他们是怎样发现问题,怎样进行科学实验和怎样分析问题及解决问题的过程。这样可以使读者仿佛来到科学家身旁,在他们的实验室里看到科学家们是怎样工作的,从而学到科学的思想方法,也学到严肃认真的科学态度。另一个重点描述的是只有科学家间不分专业,不分国籍,通力协作才能发展科学,一个人是干不成大事的。这些都是对少年的重要思想教育内容。   老的教师都有这样的经验:要给学生讲懂三四分,自己先应该搞懂七八分。在进行科普创作时也是这样,只有对要普及的内容有深刻的了解,才能做到深人浅出。这次虽然是改编一本较成熟的小册子,也还是遵循老一代科普作家传授的经验去做的。   最后,特别应该感谢叶至善同志,在百忙之中几次仔细审阅书稿,提出了许多宝贵而又中肯的意见。杨永源同志从制定改写提纲到定稿的全过程中,一直是处处审核、字字推敲,进行了严格把关,付出了辛勤的劳动。这次自己能回到科普战线上做一点有益的工作,首先是和出版社的同志们的督促、鼓励和帮助分不开的。 后序   湖南教育出版社要我自己编选科普作品收入《中国科普佳作精选》丛书中,几位老朋友都建议选我为少年儿童写的那两本书,即《太阳元素的发现》和《打开原子的大门》。这两本书是20年前的作品,曾多次在全国评奖,还出版了蒙文、藏文和维吾尔文的版本,后来台湾也买了版权,出版发行了繁体文本。看来应该算得上佳作,而且内容是介绍科学的发现史的作品,虽然已过20年,内容并不过时,并且在创作时就刻意写出科学家们是如何一代接一代地刻苦钻研,用科学的方法去认识自然改造社会。这对于今天开展素质教育是有帮助的,就在1998年,一位老同事找我,说她的外孙在英国,看了《太阳元素的发现》后非常着迷,几乎可以背出书中的故事以及各种数据和年代,所以问我还有没有同类的作品可以给他,于是就又把《打开原子的大门》送给了那位在英国的中国小朋友。   但是,在编选时又出现了新的困惑,那就是两本书的字数达不到出版社的字数要求,选一些其他的科普作品凑数,又不是个办法。最后只好下决心,来一个“急就篇”,写一本《元素的诞生》作为前两本书的补篇。实际上,这也是完成了自已多年来未完成的夙愿。那也是在20年前,北京大学80年校庆举行五四科学报告会,自己当时作了题为“元素的起源和演化”的报告,是面向大学生的,后来一直想把这个报告的内容写成给少年看的科普读物,但拖拖拉拉一直没有动笔,如今总算写出来了。   写是写出来了,但是比来比去,总是不满意,可能是自己老了20年,加之又是急就的作品,而且交稿期限已到,只得这样了。顺便说一句,《元素的诞生》是假定读者已经有了天文学的常识,所以对于一些恒星的名称、星座等都未作过多的说明。   最后,要特别感谢湖南教育出版社的同志们,把我的作品收入《中国科普佳作精选》中,并为之付出了辛勤劳动。 作者简介   郭正谊 1933年5月生,北京市人。1951年北京第三中学毕业,考入清华大学化学系,1952年院系调整转入北大化学系,1959年北大化学系研究生毕业,留北大化学系任讲师、副教授。从事稳定同位素化学的教学和研究工作。曾研制威功重水生产用的催化剂,用于我国第一座重水厂,生产出我国的第一批重水;参与了我国重水质量标准的制定。并为重水使用单位配制了标准样品。著有专著《稳定同位素化学》(科学出版社出版)。其他研究领域有中国古代科技文化史,发表有关火药、炼丹术、胆铜生产方面的学术论文多篇;任《中国大百科全书·化学卷》总论部分副主编,《中国古代科技典籍通汇·化学化工卷》主编。   1951年起即从事科普创作及社会科普活动,曾组织北京大众天文社并任秘书。由于举办展览、作科普报告、写科普文章等话动,被评为1956年科普积极分子。1981年调中国科普研究所,任研究员、副所长,从事科普创作及研究工作。编著有《大阳元素的发现》、《打开原子的大门》、《科海求真》、《科普读本》等,其中《太阳元素的发观》、《打开原子的大门》等曾多次在全国获奖。主编有《科普创作概论》,撰写科普及评论文章数百篇。被评为建国以来,特别是科普作协成立以来成绩突出的科普作家。   现为中国科普作家协会常务理事,中国科技史学会常务理事,全国政协第七届、第八届委员。