化学史第十一章核化学和无机化学的发展.doc

第十一章 核化学和无机化学的发展 第一节 放射性、电子的发现及原子的核模型 一 放射性和电子的发现 十九世纪末，在欧洲资本主义已向垄断阶段发展，更为集中的大工业要求提供新的动力基础。自从可作动力的铜锌电池（1836年）、铅蓄电池（1859年）发明以后不久，电报（1837年）和电话（1860年）就制造成功了。以后又出现了大型发电机和电动机的制造业，电车（1879年）和电灯（1882年）也开始使用。尔后由于有了廉价的水力发电，各国又纷纷建立起以电力和电化学为基础的冶金和化工企业，如电炉炼钢（1853年）、电解精炼铜（1865年）、电解制镁（1883年）、电解制铝（1886年）、汞电极电解食盐水（1892年）、电石生产（1895年）等等。但是，尽管电已在生产中得到日益广泛的应用，而人们对于电的本质的认识，却不清楚。生产的发展要求科学正确地阐明这个问题，而这一时期的生产实践也为解决这个问题，准备了丰富的感性材料。为了研究电的本质，就需要研究物质的微观结构。这样一来，就把人类认识物质的历史进程，又推向一个新的阶段。 十九世纪以来，由于原子学说和法拉第电解定律的确立（1834年），人们便设想，象物质由原子组成的一样，电也是由最小的电颗粒组成的，每个颗粒所带的电荷是最小的电荷单位——元电荷。这就是1874年英国人斯托内（G．J．Stoney，1826—1911）提出的电原子说。当时他还利用电化当量值除以亚佛加德罗数，而估计出元电荷的值。后来他把这种元电荷命名为电子。而电于的发现，则是在低压气体放电管的研究之后才得到的成果。 关干低压气体中的电现象，早在电的大规模应用前就有人观察到了。1675年有人将装满水银的长玻璃管倒立在水银槽中振荡，发现在上方的托里西里真空部分闪闪发光（这种现象被称作“托里西里发光”）。到了1709年，经实验证明，这种光是水银与玻璃壁摩擦生电的结果。当时并未认为这现象有什么深远的科学意义。只是在电力工业发展以后，为了寻找新的电光源，为了解决高压输电过程向空气中的漏电问题，才促使人们对气体中的电现象进行深入研究。1836年法拉第观察研究了低压气体中的放电现象。1858年德国的玻璃吹制工人盖斯勒（Heinrich Geissler，1814—1879）利用托里西里真空原理制造了水银真空泵，并制出了低压气体放电管。他发现，当管内气压降到5毫米汞柱左右时，加上高电压，在气体导电的同时，发出辉光，而且不同气体发出的辉光颜色不同。利用这种现象，后来就发展成为绚丽的彩色霓虹灯。这一阶段，研究气体放电管成了时髦的事情。到了1865年，德国人斯普伦格（H．J．P．SPrengel，1834——1906）制成了水银流注高真空泵，这又为进一步开展这项研究提供了技术条件。 1879年英国人克鲁克斯（W．Crookes，1832——1919）又使放电管中的气体压力进一步降低，观察到当降至0.5毫米汞柱时，在阴极附近出现一段不发光的暗区；若再降低压力，则暗区扩大；到0.01毫米汞柱压力以下时，则全管被暗区充满，不再发辉光。而正对阴极的玻璃壁却发出荧光。后经许多人研究证明，荧光是因阴极发出的一股射线激发引起的。而且这股射线还能使管内安设的障碍物在玻璃壁上投下阴影，能被磁场或电场偏转其行进方向，能推动管内的云母风车转动。这些现象说明这股射线是一种带电的粒子流，人们把它命名为“阴极射线”；而这种高真空放电管就被称为“阴极射线管”。 对于阴极射线的本质，曾有各种解释。克鲁克斯在1879年提出，这是“物质的第四态”或“超气态物质”。而J．J．汤姆生（Joseph John Thomson，1856——1940，英）在 1881年则提出“在真空管中的阴极射线是带负电的微粒子，玻璃发光的原因是由于这种微粒子以极大的动能冲击管壁而引起的”。 汤姆生等人从阴极射线能被电场、磁场偏转这一特性出发去研究其本质，1897年他利用电场和磁场的联合偏转作用测定了这种带负电的微粒子的速度、荷质比（e／m）、电荷值（e）和质量（m）。实验证明，不论管中是什么气体或电极是什么材料，生成的带阴电的微粒子其e/m值都是一样的。这说明它是各种原子的一个共同组成部分。汤姆生后来采纳了斯托内的建议，把这种带负电的微粒子定名为“电子”。 1886年德国人戈德施坦（Eugen Goldstein，1850——1931）等人在阴极射线管中使用了带细孔的阴极，发现穿过细孔在阴极背后，产生另一种射线。经过研究以后发现，这种射线可以被磁场偏转，但偏转方向与阴极射线相反，而偏转的量与气体成分有关，说明它是带正电的粒子流。这种射线被命名为“阳极射线”或“极隧射线”。他们的实验证明，阳极射线的产生，是由于高压电流使管内的气体分子释出电子而形成了带正电的离子。