1. 放射线是什么？
1896 年， 贝克勒尔发现了天然放射性现象： 铀在不断地自动发出一种新的看不见的射线。1898 年， 居里夫妇又发现了两种新的元素钋和镭也能发出放射线。那么， 这种由元素放出的放射线本身是什么呢？ 显然， 这是令物理学家着谜的一件事。
有“原子物理学之父”美誉的英国物理学家卢瑟福的物理学研究生涯就是从研究放射线起步的。卢瑟福所做的第一个实验就是研究铀射线的穿透能力。他把铀装在一个铅罐里， 铅罐上只留一个小孔。这样， 铀射线就只能从这个小孔射出来， 成为放射线束。然后， 卢瑟福用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板等不同材料放在放射线的前方， 检验它的穿透情况。在实验中， 一个非常重要的现象被他捕捉到了。卢瑟福发现， 铀的放射线束并不是由同一类射线组成的。因为， 他观察到铀放射线在碰到它前方的遮挡材料时， 其中有一类射线的穿透能力很强， 几厘米厚的铝板也挡不住它， 卢瑟福称之为“硬射线”； 另一类射线则连一张纸也穿透不过去， 很容易地被遮挡物所吸收， 卢瑟福称之为“软射线”。
对物理现象的认识， 是随着物理实验的进步而逐步深入的。卢瑟福的新实验是受居里夫妇的启发而做的。居里夫妇在发现了放射性元素镭以后， 用磁场来研究镭发出的射线的性质。结果发现镭发出的射线在磁场的作用下， 分成了两束。其中一束在磁场作用下， 像阴极射线那样弯曲了； 另一束在磁场作用下， 则仍然沿直线进三种射线行， 它类似于X 射线。这一消息传到英国， 卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀发出的放射线。卢瑟福当时在英国剑桥大学的卡文迪许实验室工作。卡文迪许实验室创建于1871 年， 它建立之后取得了相当多的研究成果， 成为举世闻名的物理学圣地。而用磁场作为实验手段来研究射线， 更是卡文迪许实验室的拿手好戏。当时的实验室主任汤姆逊就是利用磁场和电场研究阴极射线而发现了电子的。卢瑟福用强磁场研究铀发出的放射线也有了新的发现。当铀发出的放射线经过磁场时， 它被分成了三束。这三束放射线中， 有两种就是先前发现的硬射线和软射线， 而第3 种射线则是新发现的。
卢瑟福把这种射线分别命名为α射线、β射线和γ射线。卢瑟福把在磁场作用下， 略有弯曲的那束射线叫做α射线； 把弯曲得厉害的那束射线称为β射线； 把不弯曲的那束射线称为γ射线。卢瑟福还分别检验了这三种射线的穿透能力， 发现它们的穿透本领是不同的。穿透能力最强的是γ射线， 几厘米厚的铝板也无法挡住它； 穿透能力稍差的是β射线， 它能穿过几毫米厚的铝片； 穿透能力最差的是α射线， 它能被纸片阻挡， 而且它在空气中只能走7 厘米。
历史的经验是可以借鉴的， 科学研究也同样如此。一些有效的实验方法( 或实验技术) 常常在研究不同的对象时反复地使用。在研究α、β、γ射线是什么物质时， 就采用了与认识阴极射线相同的方法。这个实验是法国物理学家约里奥・居里做的。他通过实验测得β射线与阴极射线一样， 都是带负电荷的粒子流， 即电子流； γ射线则与X 射线一样， 都是一种波长非常短的电磁波。可是， α射线是什么？ 他还没有搞清楚。
这个问题还是由卢瑟福解决的。19 世纪末， 卢瑟福指导一名叫欧文斯的年轻物理学家研究钍的放射性。很快， 欧文斯在实验中发现钍的放射性强度与铀的情况有所不同。铀的放射性强度比较稳定， 而钍的放射性强度则是一会强一会弱。欧文斯是一个非常细心的人， 他还发现实验室的门和窗在打开时与关闭时， 对钍的放射性强度有不同的影响。于是， 他把他的老师卢瑟福请到实验室， 一同深入研究。为了防止气流对实验的影响， 他们把实验室的门窗都关闭起来， 师徒二人还都带上大口罩。在这样的条件下， 他们发现钍的放射性是稳定的。可是， 当把实验室的门打开时， 卢瑟福立刻就看到仪器的显示有了变化； 当把门重新关好以后， 仪器的显示又恢复了原先的状态。更有意思的现象接着发生了， 当卢瑟福把实验中的钍从仪器里拿走以后， 仪器的显示表明仍然有放射性存在。这就好像钍的放射性有传染性一样， 它把周围的空气传染上了放射性。同样的实验表明， 铀没有这种现象。
为什么同是放射性元素， 竟有如此不同的性质？ 特别是钍的传染性是怎么回事呢？ 这些问题引起了物理学家的思考。新现象所产生的疑问常常是产生新认识的前导。卢瑟福与欧文斯深入研究， 发现钍放出了一种气体。这种气体本身也有放射性， 它放射出α射线。恰好， 不久居里夫妇发现镭也具有这个性质。卢瑟福又和另一位英国科学家索迪密切合作， 运用光谱分析的方法， 去研究镭放出的这种放射性气体。实验结果发现镭放射出的这种放射性气体是一种新的气体元素， 这种新元素被命名为氡。
物理学家不仅需要具有高超的实验技巧， 还要具有比较强的理论思维能力。卢瑟福正是具备这样两方面能力的典型。但联想到凡是有放射线的地方都有氦产生； 并且放出放射性气体氡的镭原子量是226. 05 ， 这个数值恰好等于氡的原子量222. 05 与氦原子量4. 00 之和； 实验也也证实氡又是放射出α射线的。于是， 卢瑟福在1903 年推测： α射线可能就是氦。
理论上的推断正确与否， 还必须通过实验来检验。卢瑟福知道α射线可以穿过特别薄的玻璃， 但厚一些的玻璃它就穿不过去了。他就做了这样一个实验， 把氡装在一个薄壁的玻璃管里， 然后再把装有氡的薄玻璃管放入一个管壁比较厚的大玻璃管里； 再把厚玻璃管抽成真空。这样， 氡放射出的α射线可以穿过薄玻璃管壁进入厚玻璃管。但α射线无法穿过厚玻璃管壁而只能积聚在厚玻璃管中。就用这种方法， 卢瑟福截获了α射线。这时， 再用事先封在厚玻璃管两端的电极通上高压电。通电之后， 从厚玻璃管中发出了黄色的辉光， 用光谱仪进行检验， 确认为氦。这意味着， α射线就是氦， 但它又不是普通的氦原子。因为卢瑟福曾用自制的简易仪器， 判定α射线在磁场作用下产生偏转， 而且从偏转的方向上判断α射线是带正电荷的。最终， 确定α射线是带正电荷的氦离子流。由于氦离子流是一粒一粒地从放射性元素内部射出来的， 速度非常高。因此， α射线又常常被称做α粒子。
至此， α射线、β射线和γ射线的构成都搞清了。同时， 在这一研究过程时， 还发现了元素的转变现象， 也就是放射性元素的衰变现象。道尔顿原子论认为， 元素是永恒不变的。可是， 现在通过实验发现镭放出了氡， 氡又变成了氦， 这就是说， 放射性现象就是一种元素变为另一种元素的过程。元素永恒不变的现象被打破了。
有“原子物理学之父”美誉的英国物理学家卢瑟福的物理学研究生涯就是从研究放射线起步的。卢瑟福所做的第一个实验就是研究铀射线的穿透能力。他把铀装在一个铅罐里， 铅罐上只留一个小孔。这样， 铀射线就只能从这个小孔射出来， 成为放射线束。然后， 卢瑟福用纸张、云母、玻璃、铝箔以及各种厚度的金属板等不同材料放在放射线的前方， 检验它的穿透情况。在实验中， 一个非常重要的现象被他捕捉到了。卢瑟福发现， 铀的放射线束并不是由同一类射线组成的。因为， 他观察到铀放射线在碰到它前方的遮挡材料时， 其中有一类射线的穿透能力很强， 几厘米厚的铝板也挡不住它， 卢瑟福称之为“硬射线”； 另一类射线则连一张纸也穿透不过去， 很容易地被遮挡物所吸收， 卢瑟福称之为“软射线”。
对物理现象的认识， 是随着物理实验的进步而逐步深入的。卢瑟福的新实验是受居里夫妇的启发而做的。居里夫妇在发现了放射性元素镭以后， 用磁场来研究镭发出的射线的性质。结果发现镭发出的射线在磁场的作用下， 分成了两束。其中一束在磁场作用下， 像阴极射线那样弯曲了； 另一束在磁场作用下， 则仍然沿直线进三种射线行， 它类似于X 射线。这一消息传到英国， 卢瑟福立刻用更强的磁场来研究铀发出的放射线。卢瑟福当时在英国剑桥大学的卡文迪许实验室工作。卡文迪许实验室创建于1871 年， 它建立之后取得了相当多的研究成果， 成为举世闻名的物理学圣地。而用磁场作为实验手段来研究射线， 更是卡文迪许实验室的拿手好戏。当时的实验室主任汤姆逊就是利用磁场和电场研究阴极射线而发现了电子的。卢瑟福用强磁场研究铀发出的放射线也有了新的发现。当铀发出的放射线经过磁场时， 它被分成了三束。这三束放射线中， 有两种就是先前发现的硬射线和软射线， 而第3 种射线则是新发现的。
卢瑟福把这种射线分别命名为α射线、β射线和γ射线。卢瑟福把在磁场作用下， 略有弯曲的那束射线叫做α射线； 把弯曲得厉害的那束射线称为β射线； 把不弯曲的那束射线称为γ射线。卢瑟福还分别检验了这三种射线的穿透能力， 发现它们的穿透本领是不同的。穿透能力最强的是γ射线， 几厘米厚的铝板也无法挡住它； 穿透能力稍差的是β射线， 它能穿过几毫米厚的铝片； 穿透能力最差的是α射线， 它能被纸片阻挡， 而且它在空气中只能走7 厘米。
历史的经验是可以借鉴的， 科学研究也同样如此。一些有效的实验方法( 或实验技术) 常常在研究不同的对象时反复地使用。在研究α、β、γ射线是什么物质时， 就采用了与认识阴极射线相同的方法。这个实验是法国物理学家约里奥・居里做的。他通过实验测得β射线与阴极射线一样， 都是带负电荷的粒子流， 即电子流； γ射线则与X 射线一样， 都是一种波长非常短的电磁波。可是， α射线是什么？ 他还没有搞清楚。
这个问题还是由卢瑟福解决的。19 世纪末， 卢瑟福指导一名叫欧文斯的年轻物理学家研究钍的放射性。很快， 欧文斯在实验中发现钍的放射性强度与铀的情况有所不同。铀的放射性强度比较稳定， 而钍的放射性强度则是一会强一会弱。欧文斯是一个非常细心的人， 他还发现实验室的门和窗在打开时与关闭时， 对钍的放射性强度有不同的影响。于是， 他把他的老师卢瑟福请到实验室， 一同深入研究。为了防止气流对实验的影响， 他们把实验室的门窗都关闭起来， 师徒二人还都带上大口罩。在这样的条件下， 他们发现钍的放射性是稳定的。可是， 当把实验室的门打开时， 卢瑟福立刻就看到仪器的显示有了变化； 当把门重新关好以后， 仪器的显示又恢复了原先的状态。更有意思的现象接着发生了， 当卢瑟福把实验中的钍从仪器里拿走以后， 仪器的显示表明仍然有放射性存在。这就好像钍的放射性有传染性一样， 它把周围的空气传染上了放射性。同样的实验表明， 铀没有这种现象。
为什么同是放射性元素， 竟有如此不同的性质？ 特别是钍的传染性是怎么回事呢？ 这些问题引起了物理学家的思考。新现象所产生的疑问常常是产生新认识的前导。卢瑟福与欧文斯深入研究， 发现钍放出了一种气体。这种气体本身也有放射性， 它放射出α射线。恰好， 不久居里夫妇发现镭也具有这个性质。卢瑟福又和另一位英国科学家索迪密切合作， 运用光谱分析的方法， 去研究镭放出的这种放射性气体。实验结果发现镭放射出的这种放射性气体是一种新的气体元素， 这种新元素被命名为氡。
物理学家不仅需要具有高超的实验技巧， 还要具有比较强的理论思维能力。卢瑟福正是具备这样两方面能力的典型。但联想到凡是有放射线的地方都有氦产生； 并且放出放射性气体氡的镭原子量是226. 05 ， 这个数值恰好等于氡的原子量222. 05 与氦原子量4. 00 之和； 实验也也证实氡又是放射出α射线的。于是， 卢瑟福在1903 年推测： α射线可能就是氦。
理论上的推断正确与否， 还必须通过实验来检验。卢瑟福知道α射线可以穿过特别薄的玻璃， 但厚一些的玻璃它就穿不过去了。他就做了这样一个实验， 把氡装在一个薄壁的玻璃管里， 然后再把装有氡的薄玻璃管放入一个管壁比较厚的大玻璃管里； 再把厚玻璃管抽成真空。这样， 氡放射出的α射线可以穿过薄玻璃管壁进入厚玻璃管。但α射线无法穿过厚玻璃管壁而只能积聚在厚玻璃管中。就用这种方法， 卢瑟福截获了α射线。这时， 再用事先封在厚玻璃管两端的电极通上高压电。通电之后， 从厚玻璃管中发出了黄色的辉光， 用光谱仪进行检验， 确认为氦。这意味着， α射线就是氦， 但它又不是普通的氦原子。因为卢瑟福曾用自制的简易仪器， 判定α射线在磁场作用下产生偏转， 而且从偏转的方向上判断α射线是带正电荷的。最终， 确定α射线是带正电荷的氦离子流。由于氦离子流是一粒一粒地从放射性元素内部射出来的， 速度非常高。因此， α射线又常常被称做α粒子。
至此， α射线、β射线和γ射线的构成都搞清了。同时， 在这一研究过程时， 还发现了元素的转变现象， 也就是放射性元素的衰变现象。道尔顿原子论认为， 元素是永恒不变的。可是， 现在通过实验发现镭放出了氡， 氡又变成了氦， 这就是说， 放射性现象就是一种元素变为另一种元素的过程。元素永恒不变的现象被打破了。
