本书第六章所叙述的热力学的基本原理引导汤姆生与焦耳对气体的自由

本书第六章所叙述的热力学的基本原理引导汤姆生与焦耳对气体的自由

膨胀进行实验，因而促成绝对温标与氢和氦的液化（234 页）。以后的年代

里，这些方法被应用到工艺上去，于是为工业提供大量的液态空气与其他液

态气体，并使物理学家、化学家、工程师得到极低的温度。在大气压力下，

氢的沸点为-252.5C，氦的沸点为-268.7C。这里可以有趣味地指出， 1931

—1933 年间，卡皮查（P.L.Kapitza）为液化氢与氦设计了一种新型的绝热

仪器。这是一种具有松弛活塞的往复机。气体在液态空气或氮里冷却，在机

器内受到25—30 个大气压，然后使其从活塞和圆筒之间的缝411 隙间逃逸出

去。这样气体就得到进一步的冷却，终于为汤姆生-焦耳的方法所液化。利用

现代仪器所造成的低温，离绝对零点还不到一度的几分之一。

泰勒（Geooffrey Taylor）爵士用数学方法与实验方法研究，而且接近

于提出一种完善的理论。他的研究结果在很多方面可以应用于湍性流体在管

道里的流动以及晶体的受范形变，在气象和航空上，用途尤广。

卡皮查于1924、1927 年和以后的年代中，先在剑桥、后在莫斯科提出了

一个测定金属的磁性和其他某些磁效应的新方法①。这个方法的基本特点是在

若干分之一秒的时间内，给绕在试件上的测试线圈通以强大电流，快速工作

的目的是为了避免过热；在通电时间内，实验是依靠自动装置来进行的。起

初，电源是用一组缓慢充电、快速放电的蓄电池；后来用一台2000 瓩的单相

交流发电机，当发电机通过测试线圈短接时，电能量的供给是依靠储藏在发

电机转子里的动能。当电动力等于零时，自动开关接通了电路；当电动力再

一次等于零时，自动开关就将电路断开。这样一来，仅仅半周波交变电流起

作用，作用时间大约为1/100 秒。发电机的绕组经过特殊的设计，可以产生

顶部平坦的电流脉冲波，因此在这很短的时间内，磁场几乎保持不变。磁场

可以达到几十万高斯的程度。实验装置的造价很高，需要大规模工艺设备制

造，需要建造特殊的实验室来安放它们。线圈和发电机相距20 米，在短路冲

击到来前，整个实验就结束了，而这种冲击以每秒2000—3000 米的速度，通

过地面传向实验装置。

卡皮查与斯金纳（H.w.B.Skinner）在第一个厂房用13 万高斯的磁场研

究了塞曼效应。卡皮查在第二个厂房测量了铋和黄金的晶体的电阻率。他们

发现磁场的变比弱的是按平方律，强的是照线性律；在室温到液态空气温度

之间的温度范围内测量了35 个金属元素。1931—1933 年间，利用卡皮查设

计的液化氢和氦的新仪器，在相当大的温度范围内，测定了许多物质的磁化

率。

本书376 页介绍过热离子学的初期研究工作。理查森爵士首先详细地研

究了电子在真空里从热体逃逸的现象，而且给以完整的说明。同时他在光致

发射方面的研究也有助于解释物质与辐射间的相互作用。他也研究了和化学

作用有关的电子发射，对于填补紫外光谱与X 射线光谱之间的缺隙也有相当

的贡献。最近理查森更应用新量子论去解决氢光谱和氢分子结构的问题。

人们为了研究现代物理学，发明了许多新仪器，这些新仪器也引出不少

新的问题与其解答。在这些新仪器之中，我们必须提到电子显微镜。上面讲

过，电子流在磁力作用下，离开其直线路径而偏折，正如光线为透镜所偏折

一样。而且正象透镜可以借光线而形成一个放大的像一样，磁力也可以用夹

①

Proc.Roy.Soc.A，1924, 1927.

在照片底版上形成一个图案。因为与电子有关的波的波长是光波波长的百万

分之一，所以这些波能够给微小的物体造成一个明晰的形象。例如病毒，已

被拍照下来，还有人尝试把分子那样大小的结构，拍照下来。

电磁波的理论应归功于麦克斯韦（1870），电磁波的第一次发现归功于

赫兹（1887）。电磁波在无线电报与电话上的使用靠了两种发明：（1）马可

尼（Marconi）将天线用于发播和收集信号，并使足够的能量发生作用；（2）

上述热离子管研究成果的应用。

赫兹和早期的实验者所用的电磁波是感应圈所发出的电振荡；这些电波

因阻尼大，很快便消失了。但无线电波的传递需要连续而无阻尼的列波。如

果将热的灯丝和电池的阴极联接，再使灯泡里的一个金属板和阳极联接，灯

丝所发出的电子便会形成连续的阴电流，从灯丝传到金属板。可是将电极互

易，使无显著的电流通过。可见热离子管可以用作整流器，使半波通过，半

波受阻。如果用铁丝网作成栅极，放在热灯丝与板极之间，而且使其带阳电，

它便加强电子的发射，因而增加了热离子流。但是，相反地，如使其带阴电，

则会使热电子减少。当电位发生逆转时，电流往返振荡，于是交流便重合在

直流上。将这些往返的振荡通过变压器的原电路，再从副电路回去，给栅极

以其固有的交流电位，这样便维持住仪器的作用。由此可见热离子管有两种

用途，即发射稳定的无阻尼的列波，并于接收时起整流的作用。使这些调整

后的电流产生每秒100 至10，000 次的断续，再使其经过电话机，便可发出

一个相当于音频的声音，因而形成了无线电话。

从天线发射出去的能量，可以分为沿地面传播的地波和在地平线上空传

播的天波。天波，保持其能量的距离比较其在空间自由传播时所可以预期的

要大得多。电波之所以能在长距离上传递，是由于日光使地球高空大气电离，

而成为了导体。这一部分大气叫做电离层，也叫做肯涅利-亥维赛层

（Kennelly-Heaviside layer）。这个名称是按照首先发现它的两个人的名

字命名的。电波进入这一导电区，受到反射与折射而回到地面，如果距离相

当长，电波又由地面反回电离层，如是往返数次，好象在甬道里传达一般。

靠了研究长距离无线电波的形态，获得许多关于电离层或多层电离层为知

识。从事这一工作的先有阿普顿（Appleton）爵士与巴尼特（Barnet），后

（1925）有美国的布赖特（Breit）与图夫（Tuve）。后两人使用的是短暂的

脉冲波。1926 年，阿普顿证明，高出地面150 英里还有一个反射或折射层，

比其他层的电性更强。这种反对使无线电波的行径发生弯曲，因而使环球传

递成为可能。同一原理也应用于无线电定位，即现今所谓的雷达技术。

固体反射电波，因而在发射处产生回波。这一原理在战争时期有极大的

价值，导至1939—1945 年间雷达在各方面的惊人发展①。

脉冲方法可用于大多数目的。一个电振荡器发出一个厘米波为猝发辐

射，有时历时不过百万分之一秒，由磁控电子管供给以足够的能量。这种磁

控电子管是伯明翰大学的一个工作组设计的一种装置。利用天线使能量集中

于一个十分确定的波束里。这束波在空间搜索，正如探照灯之照亮远物一般，

因而可以发现远处的船只、飞机、飞弹、地形，甚至即将来临的风暴中的雨

点。回波被他拍接收机所捕获，而在阴极示波器上表现出来。

1940 年，英国的雷达发现了敌人飞机的来袭，在不列颠战役中起了很大

①

Radar，GovernmentSoftheUnitedStates of America andGreatBrit-ain, 1945。

的作用，使少数人能够拯救很多人的生命，继后与美国合作，证明盟军的雷

达的优越性，大有助于赢得最后的胜利。

海战与航海也因此发生了革命性的变化。由于雷达可以定出远处的船

位，因而可以在敌舰还没有出现在视线内时便开始攻击。

雷达不受黑暗的妨碍，它可以导引船只穿过雾气，安全入港，且可以导

引飞机到达轰炸目标而又返回基地。

核型原子

上面说过，放射物质所发射出的带有阳电荷的质点在云室里的踪迹，通

常都是直线的，但是偶尔也可以观察到方向的骤然改变。1911 年，卢瑟福根

据比较间接的测量导出这些罕见的偏折，因而他想象原子的中心有一个微小

的阳电核，在碰撞时把α质点排斥出来①。

起初原子被看做是一个行星系的结构，阴电子环绕核心，在牛顿式的轨

道上运行。但是上面说过，量子论的创立与应用，在原子的概念上引起了一

场革命。新理论的主要特点在上述的那个时期里已经建立。但是在以后的年

代里又掀起另外一场观念上的革命，主要是由于发现了原子内新型粒子并且

发现了产生、计数和使用它们的方法。

在叙述这些新的粒子以前，我们必须追溯一下阿斯顿等人在元素及其同

位素的原子量的知识方面所取得的巨大进展①。阿斯顿的质谱仪（第一部质谱

仪现时陈列在南肯辛顿科学博物馆内），是根据J.J.汤姆生研究阳射线的仪

器的原理制成的。玻璃球B （图17）为水银唧筒维持在低压下，其中盛有要

研究的元素的挥发性化合物，或者是这种元素的卤盐所构成的阳极。阳极在

A，阴极在C，其中穿有一隙缝S1。从阳极来的经过阴极隙缝的阳射线，再经

过第二隙缝S2 形成一个狭窄的阳射线束。这一窄束又经过两绝缘板E1 和E2

之间，这两板同200—500 伏的电池组的两极联结，这样，这一射线束就展开

成为一个电波谱。再利用两个光栏将这波谱的一部分隔离，然后使它在电磁

铁M 的两极之间经过。两个接地的铜版F 保护这些射线，不受偶然的电场的

影响，于是射线形成隙缝的聚焦像，而落在照相底片上。电磁力所造成的偏

折，使速度不同而有相同的e/m（电荷-质量比）值的射线，聚集在底片的同

一点上。

如果取一条谱线作为已知，把它与未知电磁场里的其他谱线比较，便可

测定原子射弹的相对质量。或者将磁场维持不变，调整电场，使未知谱线占

据已知谱线先前所占的位置，也可以根据电场的强度算出相对质量。这两个

方法均可以将已知和未知粒子的质量加以比较。这个仪器所给出的测量值仅

仅取决于质量，所以叫做“质谱仪”是很恰当的。第一合仪器所测得的质量，

误差为1/1000，第二台改进到1/10，000。芝加哥的登普斯特（Dempster）

发明了另416 一种仪器，内有磁场使射线弯曲成半圆形。还有一种质谱仪是

①

N.Feather，Nuclear Physics,Cambridge， 1936;Lord Rutherford，The NewerAlchemy,Cambridge, 1937；

G.Gamow,Atomic Nuclei, Oxford，1937;E.N.da C.Andrade, The Atom，and its Energy, London，1947;Sir George

Thomson,The Atom, Oxford, 1947。

①

F.W.Aston，Mass Spectra andIsotopes, London，1933.

哈佛的班布里奇（Bainbridge）所设计的，可以用来进行很精密的测量。

1919 年，阿斯顿的第一台质谱仪使用之后，研究成果纷至沓来。两条确

定的谱线证实了汤姆生研究氖的结果，在某一时期里差不多每个星期都有新

的同位素发现。1933 年，阿斯顿在他的《质谱与同位素》（Mass Spectra and

Isotopes）一书中说：“在一切已知有相当数量存在的元素里，现在只有18

个还没有分析过”。到1935 年，人们已经知道有250 种稳定的同位素了。最

复杂的元素好象是锡，它有11 种同位素，其质量数自112 至124。根据这些

实验，普劳特首先提出的原子量是整数的规律，已经得到证实。210 这个数

字以下，差不多每一个数字都有一个稳定的基本原子。许多位置，两次或三

次被某些同位素占去，它们叫做“同量异位素”，换句话说，即是重量相同

而化学性质不同的原子①。

如上所述，α和β粒子的性质已为卢瑟福早期关于放射现象的研究所肯

定了。α粒子是氦原子核，根据阿斯顿的测量，它包含一个4.0029（氧取为

16）的核质量和一个阳电荷＋2e，即两倍于电子上的阴电荷一e。α粒子运

动的速度在每秒2×l09 厘米或10，000 英里左右。氢原子核或质子，包六

1.0076 的质量与一阳电荷+e。伯奇（Birge）指出，事实表明有氢的重同位

素存在，同时古奥克（Giauque）与约翰逊（Johnson），继后有梅克（Mecke），

根据观察带状光谱的结果，取得质量为17 与19 的重氧存在的证据。

1932 年尤雷（Urey）用分馏法发现氢的同位素，其质量为2，等于正常

氢的两倍，在一般氢元素里仅占1/4000①。这种重氢（2H）叫做“氘”（D）。

如果使电荷从其中通过，有些原子失掉一个电子，而成为止离子，被人叫做

“氘核”。它们好象是质子和中子联系在一起的结构。瓦什伯恩（Washburn）

把普通水电离，得到一种新物质：重水，其中氢为其同位素氘所代替。重水

为刘易斯所分出，密度比寻常水大11％，而其冰点与沸点也不相同。现在已

能制造重水，中性氢（1H）的质量可以更准确地测定，其值为1.00812。

还有另外一些时常穿过大气而来、贯穿力更强的射线，可以在威尔逊云

室内探测出来。它们的来源好象在宇宙空间里。这些年来有很多人去研究它

们，特别是米利根和他的同事们②。这问题可以说开始于1909 年，起初是格

克耳（Gockel），后来是海斯（Hess）与科赫斯特（Kolhorster），都发现

验电器放在升空气球上，比在地面放电更快。这说明位置愈高，造成电离的

射线愈多。1922 年，包温（Bowen）与米利根将这些实验拿到55，000 叽的

高空去做， 1925 年米利根与卡梅伦（Cameron）将验电器逐渐下沉到70 呎

深的没有镭的水里而发现放电率连续减少。在以后的年份里，有些观测者走

得更远。这些射线的贯穿力比地上任何射线都大。地磁对于这些射线的效应，

说明其来源不在高层大气里。而且，这些射线的强度昼夜都是一样，因而它

们不是从太阳而来的。当银河不在南半球的地平线上时，仍然有这些射线，

因而它们的来源也不在我们的星系里，所以它们当是从银河系以外的天体或

自由空间而来。

这些宇宙射线的能量可以根据其穿透力加以粗略估计。安德生（CarI

①

F.W.Aston，“Forty Yearsof Atomic Theory”，in Backoround to ModernScience，Cambridge，1938。

① Phys. Review, XL，1932，P.1。

②

R.A.Millikan, Cosmic Rays, Cambridge, 1939.R.A.Millikanand H.v.Neher，EnergyDistributionof

IncomingCosmicRayParticles，AmericanPhilo-sophicalSocicty, 1940.

Anderson）与米利根首先做了比较精确的测量。他们使宇宙线通过很强的磁

场，而观测其偏折。能量在60 亿（6×109）电子伏特左右相当确定的范围内

变化。安德生于1932 年利用这仪器发现具有阴电子质量的阳性粒子。这种阳

电子，早由狄拉克据理论预言其存在。这种粒子后来被命名为正电子。读者

当记得，以前已知的最小的阳性粒子是氢原子的核（质子），其质量约2000

倍于电子。正电子的发现又使我们对于物质的概念发生根本性的改变。

和其他带电粒子一样，正电子穿过物质时产生电磁波。宇宙线的频率比

X 和γ射线为高，其范围在每秒1022至1024周，而可见光的频率只有1014周。

这些频率不是直接测定的，而是将能量除以普兰克常数h 而算出的。

1923 年，康普顿根据量子论，提出可以和电子与质子相比拟的辐射单位

的概念，他将这个单位命名为光子。如果一个光子以足够的能量打击一个原

子核，特别是重原子核，一对正一负电子同时出现于云室里。这是1933 年布

莱克特（Blackett）与奥基亚利尼（Occhialini）首先提出，不久即为安德

生所证实的。这类成对的电子的动能约为160 万电子伏特，而入射光子的能

量为260 万电子伏待。这100 万电子伏特的差数可以量度电子对的“固有能

量”，是具有辐射能量的光子的物质化，这表现辐射转化为物质。反之，假

设正负电子互相湮灭，就有两个电磁辐射的光子，每个的能量为50 万电子伏

特，从相反的两个方向射出。这个设想于1933 年经提博（Thibaud）与约里

奥（Joliot）由实验加以证实。

在海平面处已经发现具有三、四十亿（109）电子伏特的宇宙线。它们常

以簇射（阵雨）的形式出现。在14，000 呎高的尖峰山（Pike’sPeak），这

现象尤其常见。根据贝特-海特勒（Bethe－Heitler）的簇射形成理论，一个

入射高能电子先将其能量转化为“冲击光子”，这光子产生电子对，每个电

子重演这一过程，直到所有的能量一律降低，成为低能的光子与电子。从地

球外面来的正射线可能不会达到海平面，至于在云室里所观测到的高能正负

射线，可能是在大气里形成的次级宇宙线。1934 年，安德生与尼特迈耶尔

（Neddermeyer）.. 假设具有高度贯穿力的踪迹是质量在电子与质子之间的粒子

的踪迹，这种粒子经安德生命名为“介子”。这两位物理学家于1938 年证实

了他们的假设，测量得这些粒子的质量为电子质量的220 倍，1939 年别的观

测者又量得为200 倍，而质子的质量约为2，000 倍。由此可见，要说明物质

的结构，需要一个多么复杂的图案！

在大多数的情形中，宇宙线里的粒子多是电子而很少质子。这表示宇宙

线在进入太阳系以前不可能穿过很多物质，这样它们的来源好象不可能在银

河系里的恒星上，而必须在银河系外的空间。

宇宙线的成因与来源仍然是一个只能猜度的谜。人们提出的假设有如下

几种：（1）电子经过某一天空静电场降落而形成说，（2）经过双星磁场形

成说，（3）按照爱因斯坦方程式，物质质量一部或全部转化为宇宙辐射说。

蕴藏量最丰富的元素可能释放的能量由110 至280 亿（1.1 至2.8×l010）电

子伏特，一半射向一方，另一半射向反对方向。所以一半所给出的能量在5

至14×109电子伏特之间，观测所得的数值大致也是这样。

上面讲过， 1919 年卢瑟福发现，用α粒子轰击某些元素，例如氮，引

起原子的变化，因而发射出运动迅速的氢原子核（质子）。这发现不久即为

布莱克特所证实。他在威尔逊云室里拍照了质子的踪迹。这发现是在受控原

子变化实验方面取得巨大进展的起点。这些受控原子变化实验取得了惊人的

成果。当波特（Bothe）使质量为9 的铍元素受到这样的轰击时，他得到一种

贯穿力比铀射出的最硬的γ射线还强的新辐射，1932 年，查德成克（JamesChadwick） 爵士证明这种辐射的主要部分不是γ型的射线，而是一些运

动急速不负电荷的粒子流，其质量大约与氢原子相等。取得这些粒子的方便

办法就是，将几毫克的铀盐与粉末铍混合，而封闭在一管内，这种粒子即从

管壁逸出，由于这些粒子不负有电荷，因而称为中子，在其行程里，它们可

以自由地通过原子，而不造成电离。

下表列举了1944 年已知的粒子，无疑以后还有更多的发现：

名称质量（单位：电子）电荷

电子（粒子）1 -e

正电子1 +e

介子200 ± e

质子1800 +e

中子1800 0

氘核3600 +e

a 粒子7200 +2e

除了这些算作物质的粒子之外，还有作为辐射单元的光子。宇宙真是复

杂而神秘。

费瑟、哈金斯（Harkins）与费米（Fermi）证明中子，特别是慢中子，

虽然不能引起电离化，但却可以十分有效地促进原子核变化。它们不象α粒

子那样受带正电荷的原子核的排斥，因而容易进入较密的原子核，而改变其

性质。例如使用渗透有锂盐的底片进行实验时，在显微镜里便可看见相反的

两个踪迹。使用硼，特别是用一种铀的轻的同位素，也可发现类似的变化。

居里－约里奥夫妇用α射线直接轰击这些轻粒子，得到一些新的放射物

质。例如硼受了α射线轰击一会之后，便发出正电子流。其放射性的衰变和

正常的放射性相似，是时间的几何级数，在11 分钟内衰减一半。这种嬗变可

以下列化学方程式表示：

10B+4He→14N→13N+中子。

氦核14N 因具有过多能量，是不稳定的，于是分裂为比较稳定的13N 与中

子。然后13N 更缓缓地转变为稳定的碳原子与正电子：

13N→13C+Σ+。

这种放射性的氦可以作为具有氦的化学性质的放射气体收集起来。

人们已经利用α射线、速质子，特别是慢中子使很多种物质变成放射物

质，其中慢中子就是对于最重的元素也是有效的。以上只叙述了用直接间接

由放射物质得来的各种粒子轰击元素而造成元素的受控嬗变的情况。这样直

接间接由放射物质得来的粒子为数不多，因此多年来物理学家希望发明人工

制造有效的强粒子流。后来这种希望是实现了。

在氢或其同位素氘里放电，可以得到大量的质子与氘核，但要使它们达

到造成嬗变所必需的高速度，必须在很强的磁场里把它们加速。要取得高达

百万伏特的高电压，便需要大型的工艺装置，并需用现代的高速唧筒，以维

持高度的真空。

科克拉夫特（Cockcroft）与瓦耳顿（Walton）在剑桥进行的实421 验是

这方面的开路先锋。他们利用一套电容器与整流器将变压器的电压增高，现

在所期望的是用大型装置取得具有200 万伏特电压的直流电，它能产生长20

呎的火花。还有一种静电装置是华盛顿的范?德?格拉夫（Van de Graaff）..

所设计制造的，这装置内有一传输器，不断地将电荷送入一个中空金属绝缘

球去，以致达到500 万伏特的高电位。

加利福尼亚的劳伦斯（E. Lawrence）教授发明一种加速器，名叫“回旋

加速器”，离子在这装置里经过一个交流电场，和与之正交的磁场。这个装

置使质子和氘核循半径递增的螺旋形的路径而运动，间续地进出于电场。为

了达到交流电位的某一特定频率，离子总是在电力处在可以把离子进一步加

速的运动方向上的时候进入电场。这样，劳伦斯得到了质子和氘核的强粒子

流，其能量高达1600 万伏特，而具有100 微安的电流。这样获得的效果等于

16 公斤的纯镭所射出的α粒子。

这一类的装置无异是将极强有力的武器放在实验者的手里。科克罗夫特

与瓦耳顿证明，可以用大约十万伏特的质子，使锂与硼产生人工的嬗变。从

这种电压以至回旋加速器的几百万伏特，现代的实验室现在有了一系列能量

范围很广的可以引起嬗变的射弹。

锂有质量为6 和7 的两种同位素。在质子的轰击下，有时一个质子进入

7Li 的核。这样产生的8Be 不稳定，立即分裂为两个快速的α粒子，即氦核，

循相反方向射出。如果用氘核代替质子去作射弹，6Li 捅获一个氘核之后，

又产生一个8Be 的核，但具有大量的剩余能量。这种8Be 的核也象前一个反

应一样，分为两个α粒子，但具有比质子进入7Li 而产生的α粒子有更大的

速度。7Li 捕获一个氘核之后形成9Be，.. 再立刻分裂为两个α粒子和一个中子。

这些不过是奥利芬特（Oliphant）和哈特克（Harteck）首先加以研究的

嬗变的几个例子。仅借两万伏特就可以引起这种嬗变，来加速氘核射弹。以

后还研究出许多复杂得多的变化。从实验获得许多新同位素，如质量为3 的

氢（3H），质量为3 的氦（3He）。根据其释放的能量，可以算出这两种同位

素的质量：

2H+2H=1H+3H+E

2.0147+2.0147=1.0081+3H+0.0042。

氢和氘的原子量就是阿斯顿用质谱仪算出的数值。至于上式中所释放的

能量E 值是根据观测质子在空气中的行程（14.70 厘米）而算出的这种行程

说明质子的能量为298 万伏特。释放出的能量的3/4 应归于质子的动能，因

而E 的总值为397 万伏特。根据爱因斯但的理论，质量与能量是等价的；质

量减少dm 相当于释放c2dm 的能量（这里C 表光速，以每秒厘米数计为3×1010），所以与397 万伏特相当的质量为0.0042，因而3H 的质量为3.0171。

劳伦斯和他的同事们利用在回旋加速器里形成的、能量为1600 万伏特的

高速氘核去轰击铋，把它转变为放射性同位素，同天然放射性产品镭E 相同。

这是一个很有兴趣的成果。同样质量为23 的钠或钠盐被高速氘核所轰击，产

生质量为24 的放射性同位素。这种放射性的钠分裂时，发出一个β粒子，而

形成质量为24 的镁的稳定核，其半衰期为15 小时。因此劳伦斯得到强的放

射钠的源，可以作为镭的代用品，用于医疗工作。

查德威克与戈德哈伯（Goldhaber）使用γ射线将氘核2D 分裂为质子与

中子。齐拉德（Szilard）将质量为9 的铍（9Be）分裂为8Be 与一个中子。

这一方法能否发展，取决于能否取得高能强γ射线。

在这一时期里得到250 多种新的放射性物质。这些不稳定的同位素可能

存在于太阳上，也可能存在于刚从太阳分出的地球上，但是随着地球变冷，

它们便消失了，只留下衰变期很长的铀和钍了。

这些人工变化里，有些能量变化甚至比天然放射性分裂中的能量变化还

要大。例如21，000 伏特的氘核可以使一个锂原子变化，而发出2250 万伏特

的能量。因此可以赢得大量的能量，初看起来好象可以在这里得到原子能的

无限源泉。可是在一亿（108）个氘核中大约只有一个可以发挥作用，所以出

入相抵，我们所要供给的能量超过所获得的能量。而且就中子而论，中子自

身只能用效率极低的方法获得。在1937 年，的确，看起来好象用人工改变的

方法从原子中获得有用能量，并没有多大希望。在这一点上，我们应当记得，

在应用科学的历史上，以前希望没有这样大的前景，都曾经使得宗教界的先

知们惊恐万状过。事实上，1939 年哈恩（Hahn）和迈特纳（Meitner）就发

现当铀原子被中子撞击时，它的核分裂为两个主要成分，各占其质量的一半

左右，而且出现二、三或四个中子。乍一看来，这好象就是我们要寻找的垒

集过程，但事实上只有一种铀的轻的同位素（其原子量为235 而不是238）

可以分解到有用的程度，可是只有微量的存在。首先发现质量为235 的铀的

是登普斯特，明尼苏达的尼尔（Nier）和纽约哥伦比亚的布思（Booth），邓

宁（Dunning）与格罗斯（Grosse）旋即研究了它的分解①。同样的过程也发

生于钍。那时许多实验室异常努力地从事这些同位素的分离。虽然困难很大，

但是由于战争的刺激，很快就把这个工作推向高潮。起初轻的铀235 须从戌

分很大的U238 分出，或用小孔弥散法，或用阿斯顿的质谱仪法。分量少时，

由于中子的逃逸，不能引起连锁反应，因而这物质是稳定而无害的。可是如

果将无害的两块物质放在一起，而超过一定的份量，分解就逐渐垒集起来，

并引起巨大的爆炸。

化学反应是由原子外围的电子的变化引起的，这种爆炸却是由于原子核

的破裂所致，自然是一件可怕得多的事情。一磅铀所发出的核能等于很多吨

煤燃烧时产生的热能量。

原子量为238 的铀可用以捕获中等能量的中子，而发射出电子。这个过

程形成一种以前未知的元素，被命名为钚（Pu）。

为了和平的目的，可能需要用“缓和剂”来吸收一些在核反应中释放出

来的中子，借以控制而且减缓核反应。有些轻的原子，如石墨形态的碳，及

前面说过的重水里氢的同位素，都可用作缓和剂。铀238 可以插入缓和剂的

“堆”中，所释放出来的热能可以用来发电。

在1939—45 的战争期间，美英两国的物理学家、化学家与工程师，群策

群力，共同合作，在制造原子弹方面和德国人展开了生死攸关的竞赛，并且

在这一竞赛中取得了胜利。庞大而复杂的原子工厂在美国一个空旷地区建立

起来，1945 年投在日本的两颗原子弹结束了战争。留给各国政治家的工作便

是控制核能的使用，以期使它为人类造福而不是造祸。我们面前摆着可怕的

危险，也许核能的成力会使各国恐惧，从而迫使各国走上和平的道路。战争

的消除当是科学的最大胜利。

同时原子研究的和平应用，已经为戴尔爵士等人所开始了。一个最显著

的例子便是所谓“示踪元素”的使用。靠观测这类元素的性质，可以查明它

①

Aston，MassSpectraandIsotopes，London，1942;TheAtomic Bomb,Stationary Office, 1945。

们存在与运动的踪迹，其中最好的也许是某些放射物质。现今已有数量多得

多的同位素作为原子堆的副产物，供人使用，因此在近年内示踪元素的应用

发展异常迅速。放射原子可以混合在有机物内，作为动物的饲料，这样食物

在体年的运动，可以用盖格一弥勒计数器①去追踪它。我们可以不夸大他说，

放射性示踪元素为生物物理学与生物化学打开了一个完全新颖的领域，且给

予医疗界一个新的诊断法。

还有，放射物质的大量生产已经使放射治疗变得更容易、更便宜了，例

如用以毁灭癌性组织。

还可以把示踪剂混在肥料里，靠估计农作物内的放射性，来测量肥料在

农业生产上的效果。总之，示踪元素用途之广，差不多可以说是无限的。

物理理论的新发展，通常总是使人们要找到描述现象的数学方程式，比

从物理学上加以解释，要容易。例如海森堡与薛定谔的量子力学，通过解决

简单的例子建立起普遍的数学公式，后来才提出一些物理学的解释，例如状

态的叠加和测不准原理，也导致了425 一种满意的非相对论的量子论。

要使量子论成为相对论性的，狄拉克也觉得解决数学方面的问题很容

易，可是在解释上却有困难。他的解释最好用初始的与过渡的机遇来表示②。

这样，物理学如往常一样，仍然停留在概率演算的领域。

爱丁顿在我们所期待的物理学的新综合方面，取得一些进展。由于他把

物理常数，如质子与电子的质量以及它们的电荷等等的理论数值与观测的数

值加以比较，而得到很显著的符合，他成功地把万有引力、电力和量子论联

系起来①。关于现代物理学这方面的问题，可参看弗伦克尔（J.Frenkel）的

一篇综合叙述②。

化学

化学变化的动力学，在现代是一个不断研究的主题。阿累利乌斯首先提

出：在一定量的物质里，只有一定数目的分子参与化学变化，而且这数目是

随温度而增加的。这一理论现在看来是可疑的。现在人们以为这些分子，是

由于“碰撞”④，才变得运动迅速，从而起活化作用⑤，就是在单分子的反应

中也是如此。

氨与硝酸盐是农业肥料所需要的，硝酸盐也是制造开矿用的炸药和军用

炸药所必需的。有一个时期，大家害怕（特别是克鲁克斯）智利的硝酸盐矿

用完后，化学肥料会变得不足，世界小麦的供应也会变得不足。我们看见只

有在战争时期才发生过这个现象。在正常和平时期是没有这个现象的。植物

育种者已经培养出小麦的变种，可以适应北方的寒冷区域，因而扩大了种植

① 在盖格-弥勒计数器里，有一细丝沿一圆柱导体伸出。在丝与柱之间有1000 伏特的电位差，使观测者得

探查出一个电子的进入器内。

②

RoyalSociety，BakerianLecture,1941。

①

Proc. Physical Sociefy,LIV， 1942，p.491。

②

Nature， Sept.30 andOct.7，1944。

③ Alexander Findlay, AHundred Years of Chemistry,London，1937.A.J.Berry，ModernChemistry，Cambridge,

1946.

④

C.N.Hinshelwood，The Kinetics of ChemicalChangeinGaseous Systems.

⑤

F.A. Lindemann（LordCherwell），FaradaySoc.l922。

面积，化学家也用合成方法制出了氨与硝酸盐。

卡文迪什曾将电火花在空气里通过，而得到酸。一百年后挪威的伯克兰

（Birkeland）与艾德（Eyde）把这一方法加以大规模的发展。奈恩斯特