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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
IningCosmicRayParticles,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�