通识物理：四个重要进展

19 世纪，人类对原子的认识逐渐进入小尺度的微观世界，并先后取得四个重要进展，人们这才意识到原子其实并不是最小的微粒，而且原子不仅有丰富的种类，还具有复杂的微观结构。其实，原子所包含的是一个真正美妙而又神奇的迷你世界。

在这些进展里，最为重要的首当“元素周期表”的发现，这是科学史上一个重要的里程碑。1865 年，英国化学家纽兰兹把元素按相对原子质量以8 个为一列进行排列，显示出元素化学性质随相对原子质量的递增而表现出一定的周期性。钮兰兹把这一规律称为“八音律”，但遗憾的是，“八音律”在排了两个周期后便失灵了。甚至在英国皇家化学学会的会议上，有人还讽刺他：“你为什么把元素按照相对原子质量排列，而不是按照元素名称的首字母顺序排列呢？”以此嘲笑“八音律”是异想天开。但是仅仅在4 年后，俄国化学家门捷列夫仍然根据相对原子质量的大小排列元素，但他先占性地为一些未知元素留下了空位，并由此得到了具有极好物理化学周期性的新“元素周期表”。今天中学课本中的元素周期表，基本上就是当年门捷列夫给出的结果。当周期表中空位所预言的元素一个个被发现后，任何人都不再怀疑元素周期表是一条真理了。同时，元素周期表的发现还使人们恍然大悟：原子并不是单一的，原子内部一定具有不同的微观结构，所以才会产生性质变化的周期性。

接下来的重大进展则是阿伦尼乌斯的“电离学说”。自从牛顿提出万有引力定律以来，人们一直认为原子之所以能结合成分子，是由于原子间存在万有引力的作用；或者是由于原子上带有刚好匹配的“钩”和“环”。然而在1884年，如图9.2所示，瑞典青年学生阿伦尼乌斯对此提出了不同的看法。阿伦尼乌斯根据“盐能在水中溶解为带电的离子”的现象认为：原子结合成分子应该是电磁力的结果，而这个观点则被称为“电离学说”。但是在当时，阿伦尼乌斯的观点遭到导师的否定，1884年他以《电解质的导电性研究》的论文申请博士学位，答辩后被评为“有保留通过”的四等，这几乎使他失去担任乌普萨拉大学讲师资格，幸好德国著名物理化学家奥斯特瓦尔德慧眼独识，他不仅大力支持阿伦尼乌斯的观点，还亲自到乌普萨拉请他到德国里加大学任副教授，这迫使乌普萨拉大学的专家们认可了电离学说的观点，并同意聘阿伦尼乌斯为该校讲师。“电离学说”使人们首次意识到：原子不仅有丰富的微观结构，而且还带有电荷。

图9.2　阿伦尼乌斯提出“电离学说”

第三个有影响的进展则是“原子光谱”的发现。19世纪初，科学家们首先发现了太阳光中的谱线，然后认识到不同元素的原子具有不同的光谱，也就是“原子光谱”。后来，人们利用不同原子的光谱特性，又陆续发现了一些新的元素。但是，为什么不同的原子会有不同的光谱线？这些光谱线又为什么会有特殊的排布规律呢？这些问题，人们却始终找不到答案。1885 年，如图9.3 所示，瑞士数学教师巴尔末否定了传统研究中将谱线类比声音的思路，首次从寻找氢原子在可见光波段的4 条谱线波长的公共因子和比例系数入手，利用几何图形分析和计算为这些谱线的波长确定了一个公共因子，最终写出了用于表示氢原子谱线波长的经验公式，也就是“巴尔末公式”。由于原子光谱与电子跃迁有关，巴尔末的这个发现使人们意识到：原子内部不仅含有电子，而且一定还包含有丰富的能级结构，可供电子跃迁并发出不同的特征光谱线。

图9.3　巴尔末发现“原子光谱”的秘密(www.xing528.com)

最后一个重要进展则是“放射性”的发现。1895 年，德国人伦琴首次发现：用高速电子轰击金属靶时，会产生一种穿透力很强、看不见的射线。当他把手放在射线源和屏幕之间时，竟然会留下骨骼的影子；由于当时并不了解这种神秘的射线是什么，所以人们干脆用通常表示未知量的数学符号“X”来命名这种射线，也就是“X 射线”。X 射线的发现不仅为开创医疗影像技术铺平了道路，还直接影响了20 世纪许多重大科学发现，伦琴也因此在1901 年被授予人类历史上第一个诺贝尔物理学奖。后来，为了纪念伦琴的伟大成就，X射线在许多国家都被称为伦琴射线，另外，第111 号化学元素Rg 也是以伦琴的名字命名的。

图9.4　贝克勒尔发现了铀元素的放射性

1896 年，法国著名物理学家贝克勒尔也发现了铀元素的放射性，如图9.4所示，他偶然把一块铀矿石放在一张感光胶片上，恰巧矿石和胶片之间放着一把钥匙。不久，贝克勒尔发现胶片已经感光，并留下了钥匙的影子。如图9.5所示，贝克勒尔在临终前把揭开这一现象背后之谜的重要工作交给了他最聪明的两位学生——玛丽·居里和皮埃尔·居里，也就是居里夫妇。后来，经过艰苦而又细致的实验研究，居里夫妇终于揭示了钥匙影子的谜底，原来，钥匙的影子是铀原子的辐射粒子在胶片上感光的结果，这说明铀也具有放射性；为了纪念贝克勒尔对发现放射性现象的贡献，人们后来将“贝克勒尔（Becquerel，Bq）”作为放射性活度的国际单位。为了帮助读者定量理解这个国际单位，我们可以来看这样一个例子：2011年的日本福岛核电站事故后，日本一直声称相关地区的旅游及农产品是绝对安全的，但根据国际原子能机构披露，仅福岛第一核电站北侧的排水口每天就向环境中排放约600 亿贝克勒尔的放射性物质。作为对照的另一个事实则是：2004年蹊跷去世的巴勒斯坦前领导人阿拉法特的内衣中被瑞士一家机构检测出了0.18 贝克勒尔的放射性钋-210，而这比人类的最低放射性致死量已经高出了20 多倍。1903 年，贝克勒尔和居里夫妇因为“放射性”现象的发现而共享了诺贝尔物理学奖。后来，居里夫妇还从沥青中发现了另一种放射性比铀更强的放射性元素——“镭”。同一年，他们又发现了一种新的放射性元素，并再次获得诺贝尔奖。为了纪念已被俄国吞并的祖国波兰，居里夫人把这种新元素命名为“钋”。

图9.5　贝克勒尔对居里夫人的临终嘱托

“元素周期表”“电离学说”“原子光谱”以及“放射性”的发现就是近代原子学发展初期中的四个重要进展。正是这些重要的进展，使人们真正意识到原子的复杂性，并激发人们开始尝试建立原子模型，而这项工作也成了近代物理学的重要主题。