世界现代后期科技史- 第3部分

的应用。X射线的发现在现代科学发展史中占重要的地位。　

　　　　　　（3）放射性的发现　

　　　　X射线是伦琴在进行阴极射线研究时发现的。而产生X射线时，放电装　

置的玻璃管壁同时发出荧光，因此，人们曾一度误以为荧光是X射线的来源。　


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　　　　　1896年初，彭加勒（1854—1912）在法国科学院会议上展示了伦琴寄给　

他的关于X射线的论文和照片，并提出，被日光照射而能发荧光的物质也应　

发出一种不可见的、有穿透能力的、类似X射线的辐射。　

　　　　　法国科学家贝克勒尔（1852—1908）的父辈在荧光物质研究方面颇有成　

就，他对彭加勒的观点产生很大兴趣，并很快就着手进行有关的实验。他用　

一种能发出荧光的铀盐——硫酸钾铀酰作实验材料，把它放在用黑纸包严的　

照相底片上面，然后一起放到阳光下照射数小时。之后，黑纸包中的底片果　

然感光了，贝克勒尔认为，太阳照射使铀盐发出荧光，伴随着荧光现象确实　

发出了射线使底片感光，而且这种射线可能就是X射线。　

　　　　　但不久以后，贝克勒尔准备用铀盐再进行一次实验时，意外的结果却推　

翻了他的设想。这次实验恰好遇上连日阴雨，他只好把用黑纸包好的铀盐和　

照相底片放在一起，搁于室内。数天以后，他却发现照相底片已强烈地感光　

了，上面留下铀盐包的像。贝克勒尔一开始认为，这一现象是因为荧光物质　

发出射线的期限比这种物质发出荧光的期限长的缘故。又经过反复的实验，　

贝克勒尔发现，他实验研究用的所有铀盐，不论是否发荧光，都能自发地产　

生一种射线，而且，这种射线不仅能使底片感光，还能使气体电离。贝克勒　

尔这才悟出：铀盐发出的神秘射线与荧光现象并没有关系。后来，他用纯铀　

粉作实验，也得到同样的结果。在1896年5月18日提交的报告中，他指出，　

所有研究过的铀盐，不论是发荧光的还是部分荧光的，结晶的、熔融的或是　

在溶液中的，都具有相同的性质，因此可以得出以下的结论：在这些盐类中，　

铀的存在是比其他成分更重要的因素。　

　　　　　铀盐发出的射线曾被称作贝克勒尔射线，后来被命名为α射线，它向人　

们揭示了一种天然的放射现象。　

　　　　　贝克勒尔对铀射线的性质又作了一些研究之后，认为对这种射线已了解　

得比较透彻了，便离开了这一课题。他没有再研究其他物质是否也具有这种　

自发放出射线的性质，也没有对铀射线的本质再作深入的探讨。　

　　　　　然而，贝克勒尔的研究工作却引起另外两位科学家的兴趣。他们是居里　

夫妇——波兰物理学家玛丽·居里（1867—1934）和法国实验物理学家皮埃　

尔·居里（1859—1906）。正是他们把物质的这种自动发射出射线的性质称　

为“放射性”。　

　　　　　居里夫人原名玛丽·斯科罗朵夫斯卡，1867年11月7日出生于波兰一　

个中学教师的家庭，1891年到法国巴黎，在艰苦的生活条件中勤奋求学。她　

曾两次荣获诺贝尔奖，是科技史上最杰出的女科学家之一。　

　　　　　1898年，居里夫人首先研究了贝克勒尔关于铀射线的报告，并重复了铀　

的放射性实验。经过努力的探索，她认识到铀盐的这种放射本领是铀原子的　

特性。她决定探索别的元素是否也有这种天然的放射性质。于是，她检查了　

所有的化合物，不久便发现，钍的化合物也能自动发出与铀射线相似的射　

线，而且强度也差不多。之后，她的检查范围由盐类和氧化物等简单化合物，　


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扩大到对矿石特别是沥青铀矿和辉铜矿等。她发现，这些矿石中的放射性，　

比根据铀或钍的含量计算出来的要强得多，经过反复验证后，她确信，矿石　

中一定含有一种比铀的放射性还要强的元素。　

　　　　　居里夫人的研究太重要了。皮埃尔·居里决定暂时停止他在晶体方面的　

研究，和妻子共同探索这种元素的存在。他知道，要从成吨成吨的沥青铀矿　

中，浓缩分离出放射性元素，需要付出非常艰苦繁重的劳动。夫妇俩废寝忘　

食，昼夜不停地开始寻找新元素的工作。他们原以为，新的放射性元素在矿　

石中的含量约百分之一，后来才知道，这种矿石的最富矿含新元素也不到百　

万分之一，也就是说，成吨的沥青铀矿中仅含有一克这种新物质。　

　　　　　1898年7月，他们终于克服种种困难，分析出了这种类似铋的物质，其　

放射性比铀强400倍。7月18日，居里夫妇把新的发现报告给法国科学院。　

他们命名这种新的放射性元素为钋　（Polonium），以纪念居里夫人的祖国波　

兰。居里夫人自幼热爱祖国，到法国求学并与皮埃尔·居里结婚后便定居法　

国，但她时时刻刻怀念着被沙皇俄国侵占的祖国。她用自己的科学成就为祖　

国赢得了荣誉。　

　　　　　接着，居里夫妇经过几个月的不懈努力，从沥青铀矿所含的各种元素中　

又分析出一种新的放射性元素——镭（Radium），其拉丁语原意就是“放射”。　

1898年12月，他们宣布发现镭的消息，再次轰动物理学界。镭、钋等新的　

放射性元素的发现动摇了当时流行的物理学、化学的经典概念，有的人便对　

新元素持怀疑态度，而且当时尚未测出镭的原子量。为了证实镭的客观存　

在，他们决心提炼出纯的含镭物质，并测定出镭的原子量。为此，居里夫妇　

用了三年时间，进行了极其艰苦劳累的工作，终于从沥青铀矿中提炼出了0。1　

克纯氯化镭，并初步测得镭的原子量为225。他们分析了镭的光谱，确定了　

镭的放射性强度是铀的200多万倍，发现这种物质烧灼皮肤，可摧毁带病的　

人体细胞。镭、钋等放射性元素的相继发现是对科学的重大贡献。1903年，　

居里夫妇和贝克勒尔同获诺贝尔奖。　

　　　　　继镭之后，又陆续发现了一些新的放射性元素，促使人们对放射性的本　

质作更深入的研究。当时在加拿大工作的英国物理学家卢瑟福　（1871—　

1937），从1899年起就开始研究这一方面的问题。卢瑟福出生于新西兰一　

个手工业工人家庭。1895年，大学毕业后，在英国剑桥著名的卡文迪许实验　

室实习。当时领导这个实验室的是卓越的物理学家J．J．汤姆逊，后由他推　

荐，卢瑟福于1898年到加拿大麦基尔大学任物理学教授。1907年，被聘为　

英国曼彻斯特大学教授，1918年，接任了卡文迪许实验室负责人的工作。卢　

瑟福是实验大师，同时又非常注重科学理论，是理论与实践结合并卓有成效　

的科学家。　

　　　　　卢瑟福在研究新的放射性元素发出的射线时发现，射线由两种不同的部　

分构成，一种贯穿本领小，另一种贯穿本领大而且能被磁场偏转。这两部分　

射线后来被命名为α射线和β射线，构成射线的粒子分别被称为α粒子和β　


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粒子。　

　　　　　1899年至1900年，有三个重要实验分别证明了β射线是高速运动的电　

子，其荷质比与阴极射线粒子的荷质比有相同的数量级。　

　　　　　关于α射线的本性，人们探索了多年，直到1909年，根据光谱分析才　

确认其为带正电的二价氦离子。　

　　　　　1900年4月30日，法国化学家维拉德（1860—1934）宣布，他在放射　

性元素发出的射线中发现了另外一种贯穿本领极强但不被磁场偏转的射线　

——γ射线。1914年，卢瑟福根据晶体对γ射线的衍射实验，证明了γ射线　

是一种电磁波辐射。　

　　　　　卢瑟福根据大量放射性现象，大胆提出了“放射性衰变”的理论，在总　

结镭和铀的放射性衰变规律的基础上，提出了放射性物质衰变过程所遵守的　

指数定律。他的研究工作得到了英国青年化学家索迪（1877—1956）的合作。　

他们认为，放射性现象是原子自行衰变的过程，在这种过程中，一种元素的　

原子可以转变为另一种元素的原子，同时释放出α射线、β射线及γ射线。　

1913至1914年间，索迪的研究证明，一切放射性元素都要变成稳定的元素　

铅，进一步为放射性理论提供了可靠的证据。　

　　　　　人们还发现，镭不仅能自发地产生辐射，而且还自发地释放出热量。卢　

瑟福和索迪的研究指出，这些能量是来自原子内部的，其之巨大，是化学能　

所无法比拟的。　

　　　　　放射性现象的发现和放射性理论的产生对传统观念和经典物理学的某　

些定律产生了巨大的冲击。放射性元素自发放出热量冲击着经典热力学定　

律；放射性元素可以自发辐射并转变成另一种元素，冲击着元素永恒不变、　

一种元素不可能变成另一种元素的传统观念。　

　　　　　电子的发现告诉人们，原子中还包含着更小的物质微粒；X射线虽然是　

电磁波，但它似乎也只能发自原子内部，这些已经向旧的原子观发出挑战，　

而放射性现象的发现及放射性理论的建立，更是严重动摇了“原子是物质的　

不可分的基石”的观念。劳厄在其著作《物理学史》中指出，几乎没有任何　

东西象放射性那样对原子概念的变化有那么大的贡献。物理学的这些重大发　

现打开了微观世界的大门，揭开了经典物理学向微观领域的现代物理学迈进　

的序幕。　

　　　　　　（4）光电效应现象的发现　

　　　　　法拉第　（1791—1867）在他的《关于光线振动的思想》一文中，指出了　

电磁波存在的可能性；而麦克斯韦（1831—1879）则通过他的数学，光辉地　

预言了电磁波的存在。　

　　　　　1886年，赫兹开始利用实验验证麦克斯韦电磁波的存在。他的实验利用　

了一个与感应线圈连接的未闭合电路（初级电路）产生电振荡，再用另一个　

简单的未闭合线圈作为探测器。于是，在黑暗中观察到了探测器气隙中微弱　

的电火花，从而证实了电磁波的存在。　


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　　　　　实验中，赫兹偶然发现，当把探测器线圈暴露在初级电路气隙的电火花　

中时，探测器气隙中的次级电火花将会增强。　

　　　　　为了解释这种现象，他在初级和次级电火花之间，更换了几十种物质进　

行实验。经过一年多的反复工作，最后作出结论，认为这是紫外光效应，即　

初级电路的电火花发出的紫外光，照射到探测器装置所引起的一种现象。这　

种现象就是后来的所谓“光电效应”现象。　

　　　　　约10年后，科学家发现了电子，人们认识到，赫兹在验证电磁波的实　

验中发现的光电效应现象，实际上是紫外光照射到探测器的金属表面，使电　

子大量逸出，从而增强了次级的电火花。在光电效应中逸出物体表面的电　

子，则被称为“光电子”。　

　　　　　赫兹之后，物理学家们对光电效应现象又进行了许多研究，例如，俄国　

物理学家斯托列托夫从1888年到1900年，用精确的实验方法研究了光电效　

应；德国物理学家勒纳德于1902年，也进行了这一方面的研究。　

　　　　　人们发现，在光的辐照下，金属或其化合物中的电子若获得足够能量，　

便能越过表面，从物体内逸出，并总结出了这种光电效应现象的一系列实验　

规律：　

　　　　　①对每一种金属材料，都存在一个确定的临界频率v，若入射光的频率　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0　



v低于这一频率，则光强度再大，也不可能有光电子逸出。频率v是金属的　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　0　



特性。　

　　　　　②光电子的动能有一定的分布，其最大值为：　

　　　　　E=h（v…）　

　　　　　　m　　　　　　　0　



　　　　　式中的h，是普朗克（1858—1947）常数。　

　　　　　③单位时间单位面积上逸出的光电子数，与入射光的强度成正比。　

　　　　　④光电效应是瞬时发生的，光辐照与发射出光电子之间的时间延迟在毫　

微秒数量级，即使光的强度很弱，也是如此。　

　　　　　光电效应现象的这些实验规律，是无法用经典物理理论来解释的。因　

为，按照麦克斯韦经典电磁理论，光波的能量分散在波阵面上，金属中的电　

子要积累能量需要一定的时间，即不可能在毫微秒的瞬间产生光电效应；另　

外，光波的能量只与光的强度（振幅）有关，一定强度的光照射一定时间后，　

电子应该总能获得足够的能量，逸出物体表面；而且，按照光的波动理论，　

光电子的能量应该随着光的强度的增加而增加，而与光的频率无关。　

　　　　　总之，光电效应给经典物理带来了又一道难题。直到1905年，爱因斯　

坦　（1879—1955）提出光量子假说后，这一现象才得到令人信服的解释。　

　　　　　世纪之交科学上的这些重大发现，是许多眼光敏锐、善于观察的科学家　

勤奋、严谨工作的成果，当然，也包含着不少失之交臂者的深深遗憾。新的　

实验事实、新的物理发现与已有理论的矛盾，呼唤着新的理论、新的思想的　

诞生。虽然新的理论的突破口，产生于一个似乎与这些发现不相干的问题—　

—“黑体辐射”问题的研究，但是，这些重大发现在新理论诞生、发展的征　


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途上起到了十分重要的作用。　



　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2．早期量子论　



　　　　　从普朗克因克服“紫外灾难”，提出“能量子”假说，到玻尔（1885—　

1962）修改卢瑟福的原子结构太阳系模型，提出关于原子结构的量子化轨道　

理