原子物理发展史

原子物理发展史X射线的发现一、伦琴的发现（1895年11月8日）伦琴发现X射线的过程，多少有些神秘，传说也难免有些臆测的色彩。这段传说是这样的:伦琴为探索阴极射线的性质，曾经用列纳德管重复H．赫兹和列纳德所做的实验，据说列纳德曾经为他提供了一支优质列纳德管。实验时，伦琴为保证实验的精确性，就设法使放电管不受外界的影响，因而他用锡箔和硬纸板包住放电管。当他接通电流并把涂有亚铂氰化钡的荧光屏移近列纳德管的铝膜窗口时，他发现荧光屏上出现荧光。于是，他仔细调节焚光屏和铝窗的距离，结果确证阴极射线可穿透空气几厘米远。然后，他改用克鲁克斯管做实验，也发现荧光，不过荧光显得模糊不清，于是他继续实验。1895年11月8日星期五晚上，为了仔细观察荧光屏上模糊的荧光，也为了排除外界的一切光线干扰，他关闭实验室不使漏光，并且检查克鲁克斯管是否用黑纸板包封严密。当他要着手实验而接通高压电源时，突然发现在实验台上放在克鲁克斯管附近的小荧光晶体闪炼着荧光，涂有亚铂氰化钡的纸屏也闪烁着浅绿色的光。他惊讶极了，这种奇异现象可是从未见到也从未听说过！于是他急切地重复实验。他把荧光屏移开，直到2米多远还隐约可以见到这种荧光。他似乎意识到这不可能是阴极射线，因为列纳德管引出的射线只不过有几厘米射程！对于这种奇异现象，伦琴是不会放过的，用他的话说，他开始探索这看不见的射线。从此，他废寝忘食地在实验室里连续干了6个星期，全神贯注探索这种奇异射线的性质。他不声张他的发现，除非彻底查清可能得到的一切结果，否则他是不向外界宣布的。最后，直到他确认这是一种闻所未闻的新射线时，才于1895年12月288在维尔茨堡物理医学协会上第一次报告自己的发现。他报告的论文题为《一种新的射线--初步报告》。在这个报告中，他介绍了实验装置和实验方法。由于当时对这种新射线的本质尚不清楚，故称为X射线，在这篇文章中还指出了X射线的某些性质。因为伦琴是德国人，所以德国科学家常把它称为伦琴射线。二、X射线的性质伦琴发现：1、X射线在空气中的射程有2米多而且是直线传播的，不反射也不会折射；2、外界磁场不会使X射线发生偏转；3、X射线来自克鲁克斯管的对阴极，即接受阴极射线轰击的那个电极；4、X射线具有非常强的穿透性X光能穿透上千页的厚书、2-3厘米厚木板、15毫米的铝板。他拿铅板来挡X光，发现效果很好，仅1-2毫来就可以挡住X光。在置换这些挡光助东西时，拉琴惊讶地看到了自己手的骨头和轮廓。11月22日，伦琴把夫人带进实验室，用X射线拍了一张夫人的左手照片，照片骨肉分明，连结婚戒指也清晰可见，这张照片的复印件一直保留下来，印在许多书中。此外，伦琴还用X拍摄了许多物体的照片；例如：木盒、罗盘仪、绕在木轴上的纱包(金属)线、金属块、甚至房门等等。关于X射线的发现和研究，除第一篇论文外，伦琴的第二篇论文《一种新的射线--续篇》，发表于1896年3月9日，主要报告X射线使气体具有导电能力。第三篇论文《关于X射线性质的进一步观察》，发表于1897年3月，主要报告他对X射线在空气中散射所作的观察．三、X射线的本质1912年，德国著名物理学家M．von劳厄(MaxVon，1879-1960)预言X射线是一种波长根短的以太波（电磁波)，并由A．索末菲的助教W．弗里德里希(WalterFriedrich，1883--1968)和博士生P．尼平(PaltlKnipping．1883-1935)通过X射线的晶体衍射实验获得劳厄图样，才确证X射线是一种波长很短的光，后来就简称为X光。伦琴放弃作诺贝尔报告的事议论纷纷。其中，以列纳德最为起劲；他说X射线是维尔茨堡大学研究所机械师最先发现的，．而且还宣称他早就发现X射线等等。其实，X射线的确早就存在于克鲁克斯管和列纳德管的实验中，但他们都不曾意识到这是一种新射线，而是忽略了这种莫名其妙的次要现象，伦琴独自进行实验，全面测试，这些都未曾受到列纳德等人的直接启发和帮助，，因此，．伦琴对列纳德的中伤和歪曲不予理睬，外界自然作出公正的评判。四、深远的影响X射线的发现，对物理学的进展和科学技术的进步产生了深远的影响。法国实验物理学家H，贝克勒尔(1852-1908)于1896年初了解到伦琴的发现，这引起他的极大的兴趣并立即做X射线实验，在实验过程中，他发现了一种与X射线多少有些相似的现象，即由铀盐放射出的一种奇异的铀射线，这就是1896年3月贝克勒尔首次发现物质的放射性。他的这一发发现为居里夫妇发现放射性元素镭和钋开辟了道路。由于放射性的发现，他们分享了1903年诺贝尔物理奖金。借助X射线作为工具，1897年汤姆生发现了电子。英国物理学家布拉格父子利用X射线作晶体结构分析，提出了著名的布拉格公式，荣获1915年诺贝尔物理学奖。英国物理学家C.巴克拉（1877-1944）由于发现标识元素的次级X射线而获1917年诺贝尔物理奖。美国著名物理学家A.H康普顿于1923年前后发现康普顿效应而获1927年诺贝尔物理奖。X射线在医学上应用是人尽皆知的，尤以X射线层析图像技术为最著名。Lunqin伦琴，W.K.WilhelmKonradRontgen(1845～1923)德国实验物理学家。1845年3月27日生于伦内普(现属联邦德国)。3岁时全家迁居荷兰并入荷兰籍。1865年迁居瑞士苏黎世，伦琴进入苏黎世联邦工业大学机械工程系，1868年毕业。1869年获苏黎世大学博士学位，并担任了物理学教授A.孔脱的助手；1870年随同孔脱返回德国，1871年随他到维尔茨堡大学和1872年又随他到斯特拉斯堡大学工作。1894年任维尔茨堡大学校长，1900年任慕尼黑大学物理学教授和物理研究所主任。1923年2月10日在慕尼黑逝世。伦琴一生在物理学许多领域中进行过实验研究工作，如对电介质在充电的电容器中运动时的磁效应、气体的比热容、晶体的导热性、热释电和压电现象、光的偏振面在气体中的旋转、光与电的关系、物质的弹性、毛细现象等方面的研究都作出了一定的贡献,由于他对X射线的发现赢得了巨大的荣誉，以致这些贡献大多不为人所注意。1895年11月8日,伦琴在进行阴极射线的实验时第一次注意到放在射线管附近的氰亚铂酸钡小屏上发出微光。经过几天废寝忘食的研究，他确定了荧光屏的发光是由于射线管中发出的某种射线所致。因为当时对于这种射线的本质和属性还了解得很少，所以他称它为X射线,表示未知的意思。同年12月28日，《维尔茨堡物理学医学学会会刊》发表了他关于这一发现的第一篇报告。他对这种射线继续进行研究，先后于1896年和1897年又发表了新的论文。1896年1月23日,伦琴在自己的研究所中作了第一次报告；报告结束时，用X射线拍摄了维尔茨堡大学著名解剖学教授克利克尔一只手的照片；克利克尔带头向伦琴欢呼三次，并建议将这种射线命名为伦琴射线。伦琴射线是人类发现的第一种所谓“穿透性射线”，它能穿透普通光线所不能穿透的某些材料。在初次发现时，伦琴就用这种射线拍摄了他夫人的手的照片（见图伦琴拍摄的他夫人手的X射线照片）,显示出手的骨结构。这种发现实现了某些神话中的幻想(中国也有“秦王照胆镜”的传说),因而在社会上立即引起很大的轰动，为伦琴带来了十分巨的荣誉。1901年诺贝尔奖第一次颁发，伦琴就由于这一发现而获得了这一年的物理学奖。放射性的发现一、贝克勒尔的灵感放射性是由法国科学家贝克勒尔在1896年发现的。这一发观与前-年伦琴发现X射线密切有关。贝克勒尔出身于一个物理学世家，他的祖父、父亲，包括他自己的儿子，四代人都是物理学家。贝克勒尔的祖父是法国自然史博物馆设置物经学教授职位时的第一任教授，他的父亲从作为他祖父的一名助手到后来也成为博物馆中一名教授。对荧光的研究，是这个家族的传统。贝克勒尔自幼受到科学熏网，聪明好学。后来，他继承父亲也在自然史博物馆任教授。在X射线发现不久，贝克勒尔很快想到，如果把荧光的物质放在强光下照射、是否在发出荧光的同时，能放出X射线。于是，他把荧光物质(一块铀化合物--钾铀酰硫酸盐晶体)放在用黑纸包住的照相底片上，然后放在太阳光下曝晒。如果此铀化合物在阳光激发下，发射荧光同时也有X射线发出的话，由于X射线的强的穿透性，定能使底片感光。结果，在底片上果然发现丁与荧光物质形状相同的像。1896年2月24，他向法国科学院报告了此实验结果。但是，事隔一周，在3月2日，他向科学院又作丁一个报告，宣布了一个惊人的发现：在上次报告后，他想继续实验，但天不作美，连续两天不见太阳。他把铀化合物和底片一起放在抽屉里。可是，丰富的实践经验，使他富有灵感，他想到要看一下此铀化合物未经太阳曝晒，底片是否感光。原以为最多能看到非常微弱的影像，但恰恰相反，底片冲出后．在上面出现丁很深的感光黑影，使他大为惊奇。他进一步用不发荧光的铀化物进行实验，结果发现也能使底片感光。这说明了铀化物本身也会放出一种肉眼看不见的射线，它与荧光是完全无关的。以上就是放射性发现的简单经过。应该说放射性的发现。是这个家族几代人努力的结果。另外，正如杨振宁在讲述贝克勒尔发现放射性的故事时讲到，科学家的灵感对科学家的发现非常重要，这种灵感必定来源于他的丰富的实践和经验。二、居里夫妇的努力----镭和钋的发现放射性的发现也引起了居里夫人(M．Curie，1367一1934)的极大兴趣。居里夫人，1867年11月7日生于波兰华沙一个家境贫寒的物理教师家庭中，她16岁时．以优异成绩中学毕业。但当时华沙的波兰大学不收女大学生，父母又天钱送她去国外学习，为此地只好先参加工作，做一名家庭教师。白天教书，晚上自学。几年后于1891年．她利用平时积下来的钱，买了一张四等车票，离开了祖国来到巴黎，考入了当时著名的法国大学理学院学习自然科学。她喜欢物理，有强烈的求知欲。有理想，能吃苦，意志坚强，出色完成了学业，得到了物理学硕士和数学硕士两个学位。1897年．在放射性发现不久，她就开始致力于放射性研究工作。首先她想到，铀不一定是唯一能放出射线的元素，并且很快，在当时己知的一些元素中，发现了钍也可发射类似于铀放射的射线，强度也相近。放射性这个词，正是当时由居里夫人所提出的。放射性元素钍发现后，居里夫人的丈夫皮埃尔·居里(P．Curie,1859-1906)，也开始参与放射性的研究工作。通过对各种矿石的大量测试结果，他们发现了有一些矿石(如沥青铀矿)的放射性远强于铀和钍的放射性。通过分离和浓缩，于1898年他们先后发现了在沥青铀矿物中还有两种放射性元素。居里夫人称第一种元素为钋(Polorium)，以纪念她的祖国波兰；第二种元素被称为镭，意思是放出射线，镭的放射性强度是铀的一百万倍以上。他们的研究，使放射性研究有了一个大的飞跃。1903年，居里夫妇与贝克勒尔，共享了诺贝尔物理学奖。当时他们的实验是在一个简陋的棚屋中进行的。由于缺少经费他们利用自己的积蓄．购矿石、做实验。居里夫人有一句名言是：人要有毅力，否则将一事无成。从1897年开始直到逝世的36年科学生涯中，她以惊人的毅力、顽强的意志、高度的智能，全身心投入了放射性研究，成果累累。1911年，居里夫人又因此荣获丁诺贝尔化学奖。三、三种射线--α射线、β射线、γ射线放射性发现后不久，英国剑桥大学卡文迪许实验室的卢瑟福(当时还是电子发现者J·J汤姆生教授的研究生)也投入了对放射性的研究工作。在科学家们的共同努力下，发现了各种放射性元素所放出的射线中包括α、β和γ三种射线。其中α射线是带两个正电荷的氦核(又称α粒子)；β射线是带负电荷的电子流；γ射线是电中性的电磁辐射，与可见光和X射线一样，只是波长比X射线还要短。对这三种射线的区分可以用它们在磁场中的不同轨迹判定。磁场方向垂直纸面向内，则带正电的氦核向左偏，由于质量大偏转小，带负电的电子质量小向石偏转大；电中性的γ射线方向不变。放射性元素放出这三种射线的过程，又分别称为α衰变、β衰变和γ衰变。实验事实告诉我们，有的元素有放射性，有的没有。有的可放α射线，有的只能放β射线，而γ射线一般是伴随α和β射线的发射而放出。放射性的发现不仅进一步揭开了微观世界的奥秘、而且与X射线一样，放射性已在工农业生产、医学、