1. 放射線是什麽？
1896 年， 貝克勒爾發現了天然放射性現象： 鈾在不斷地自動發出一種新的看不見的射線。1898 年， 居裏夫婦又發現了兩種新的元素釙和鐳也能發出放射線。那麽， 這種由元素放出的放射線本身是什麽呢？ 顯然， 這是令物理學家著謎的一件事。
有“原子物理學之父”美譽的英國物理學家盧瑟福的物理學研究生涯就是從研究放射線起步的。盧瑟福所做的第一個實驗就是研究鈾射線的穿透能力。他把鈾裝在一個鉛罐裏， 鉛罐上隻留一個小孔。這樣， 鈾射線就隻能從這個小孔射出來， 成為放射線束。然後， 盧瑟福用紙張、雲母、玻璃、鋁箔以及各種厚度的金屬板等不同材料放在放射線的前方， 檢驗它的穿透情況。在實驗中， 一個非常重要的現象被他捕捉到了。盧瑟福發現， 鈾的放射線束並不是由同一類射線組成的。因為， 他觀察到鈾放射線在碰到它前方的遮擋材料時， 其中有一類射線的穿透能力很強， 幾厘米厚的鋁板也擋不住它， 盧瑟福稱之為“硬射線”； 另一類射線則連一張紙也穿透不過去， 很容易地被遮擋物所吸收， 盧瑟福稱之為“軟射線”。
對物理現象的認識， 是隨著物理實驗的進步而逐步深入的。盧瑟福的新實驗是受居裏夫婦的啟發而做的。居裏夫婦在發現了放射性元素鐳以後， 用磁場來研究鐳發出的射線的性質。結果發現鐳發出的射線在磁場的作用下， 分成了兩束。其中一束在磁場作用下， 像陰極射線那樣彎曲了； 另一束在磁場作用下， 則仍然沿直線進三種射線行， 它類似於X 射線。這一消息傳到英國， 盧瑟福立刻用更強的磁場來研究鈾發出的放射線。盧瑟福當時在英國劍橋大學的卡文迪許實驗室工作。卡文迪許實驗室創建於1871 年， 它建立之後取得了相當多的研究成果， 成為舉世聞名的物理學聖地。而用磁場作為實驗手段來研究射線， 更是卡文迪許實驗室的拿手好戲。當時的實驗室主任湯姆遜就是利用磁場和電場研究陰極射線而發現了電子的。盧瑟福用強磁場研究鈾發出的放射線也有了新的發現。當鈾發出的放射線經過磁場時， 它被分成了三束。這三束放射線中， 有兩種就是先前發現的硬射線和軟射線， 而第3 種射線則是新發現的。
盧瑟福把這種射線分別命名為α射線、β射線和γ射線。盧瑟福把在磁場作用下， 略有彎曲的那束射線叫做α射線； 把彎曲得厲害的那束射線稱為β射線； 把不彎曲的那束射線稱為γ射線。盧瑟福還分別檢驗了這三種射線的穿透能力， 發現它們的穿透本領是不同的。穿透能力最強的是γ射線， 幾厘米厚的鋁板也無法擋住它； 穿透能力稍差的是β射線， 它能穿過幾毫米厚的鋁片； 穿透能力最差的是α射線， 它能被紙片阻擋， 而且它在空氣中隻能走7 厘米。
曆史的經驗是可以借鑒的， 科學研究也同樣如此。一些有效的實驗方法( 或實驗技術) 常常在研究不同的對象時反複地使用。在研究α、β、γ射線是什麽物質時， 就采用了與認識陰極射線相同的方法。這個實驗是法國物理學家約裏奧・居裏做的。他通過實驗測得β射線與陰極射線一樣， 都是帶負電荷的粒子流， 即電子流； γ射線則與X 射線一樣， 都是一種波長非常短的電磁波。可是， α射線是什麽？ 他還沒有搞清楚。
這個問題還是由盧瑟福解決的。19 世紀末， 盧瑟福指導一名叫歐文斯的年輕物理學家研究釷的放射性。很快， 歐文斯在實驗中發現釷的放射性強度與鈾的情況有所不同。鈾的放射性強度比較穩定， 而釷的放射性強度則是一會強一會弱。歐文斯是一個非常細心的人， 他還發現實驗室的門和窗在打開時與關閉時， 對釷的放射性強度有不同的影響。於是， 他把他的老師盧瑟福請到實驗室， 一同深入研究。為了防止氣流對實驗的影響， 他們把實驗室的門窗都關閉起來， 師徒二人還都帶上大口罩。在這樣的條件下， 他們發現釷的放射性是穩定的。可是， 當把實驗室的門打開時， 盧瑟福立刻就看到儀器的顯示有了變化； 當把門重新關好以後， 儀器的顯示又恢複了原先的狀態。更有意思的現象接著發生了， 當盧瑟福把實驗中的釷從儀器裏拿走以後， 儀器的顯示表明仍然有放射性存在。這就好像釷的放射性有傳染性一樣， 它把周圍的空氣傳染上了放射性。同樣的實驗表明， 鈾沒有這種現象。
為什麽同是放射性元素， 竟有如此不同的性質？ 特別是釷的傳染性是怎麽回事呢？ 這些問題引起了物理學家的思考。新現象所產生的疑問常常是產生新認識的前導。盧瑟福與歐文斯深入研究， 發現釷放出了一種氣體。這種氣體本身也有放射性， 它放射出α射線。恰好， 不久居裏夫婦發現鐳也具有這個性質。盧瑟福又和另一位英國科學家索迪密切合作， 運用光譜分析的方法， 去研究鐳放出的這種放射性氣體。實驗結果發現鐳放射出的這種放射性氣體是一種新的氣體元素， 這種新元素被命名為氡。
物理學家不僅需要具有高超的實驗技巧， 還要具有比較強的理論思維能力。盧瑟福正是具備這樣兩方麵能力的典型。但聯想到凡是有放射線的地方都有氦產生； 並且放出放射性氣體氡的鐳原子量是226. 05 ， 這個數值恰好等於氡的原子量222. 05 與氦原子量4. 00 之和； 實驗也也證實氡又是放射出α射線的。於是， 盧瑟福在1903 年推測： α射線可能就是氦。
理論上的推斷正確與否， 還必須通過實驗來檢驗。盧瑟福知道α射線可以穿過特別薄的玻璃， 但厚一些的玻璃它就穿不過去了。他就做了這樣一個實驗， 把氡裝在一個薄壁的玻璃管裏， 然後再把裝有氡的薄玻璃管放入一個管壁比較厚的大玻璃管裏； 再把厚玻璃管抽成真空。這樣， 氡放射出的α射線可以穿過薄玻璃管壁進入厚玻璃管。但α射線無法穿過厚玻璃管壁而隻能積聚在厚玻璃管中。就用這種方法， 盧瑟福截獲了α射線。這時， 再用事先封在厚玻璃管兩端的電極通上高壓電。通電之後， 從厚玻璃管中發出了黃色的輝光， 用光譜儀進行檢驗， 確認為氦。這意味著， α射線就是氦， 但它又不是普通的氦原子。因為盧瑟福曾用自製的簡易儀器， 判定α射線在磁場作用下產生偏轉， 而且從偏轉的方向上判斷α射線是帶正電荷的。最終， 確定α射線是帶正電荷的氦離子流。由於氦離子流是一粒一粒地從放射性元素內部射出來的， 速度非常高。因此， α射線又常常被稱做α粒子。
至此， α射線、β射線和γ射線的構成都搞清了。同時， 在這一研究過程時， 還發現了元素的轉變現象， 也就是放射性元素的衰變現象。道爾頓原子論認為， 元素是永恒不變的。可是， 現在通過實驗發現鐳放出了氡， 氡又變成了氦， 這就是說， 放射性現象就是一種元素變為另一種元素的過程。元素永恒不變的現象被打破了。
有“原子物理學之父”美譽的英國物理學家盧瑟福的物理學研究生涯就是從研究放射線起步的。盧瑟福所做的第一個實驗就是研究鈾射線的穿透能力。他把鈾裝在一個鉛罐裏， 鉛罐上隻留一個小孔。這樣， 鈾射線就隻能從這個小孔射出來， 成為放射線束。然後， 盧瑟福用紙張、雲母、玻璃、鋁箔以及各種厚度的金屬板等不同材料放在放射線的前方， 檢驗它的穿透情況。在實驗中， 一個非常重要的現象被他捕捉到了。盧瑟福發現， 鈾的放射線束並不是由同一類射線組成的。因為， 他觀察到鈾放射線在碰到它前方的遮擋材料時， 其中有一類射線的穿透能力很強， 幾厘米厚的鋁板也擋不住它， 盧瑟福稱之為“硬射線”； 另一類射線則連一張紙也穿透不過去， 很容易地被遮擋物所吸收， 盧瑟福稱之為“軟射線”。
對物理現象的認識， 是隨著物理實驗的進步而逐步深入的。盧瑟福的新實驗是受居裏夫婦的啟發而做的。居裏夫婦在發現了放射性元素鐳以後， 用磁場來研究鐳發出的射線的性質。結果發現鐳發出的射線在磁場的作用下， 分成了兩束。其中一束在磁場作用下， 像陰極射線那樣彎曲了； 另一束在磁場作用下， 則仍然沿直線進三種射線行， 它類似於X 射線。這一消息傳到英國， 盧瑟福立刻用更強的磁場來研究鈾發出的放射線。盧瑟福當時在英國劍橋大學的卡文迪許實驗室工作。卡文迪許實驗室創建於1871 年， 它建立之後取得了相當多的研究成果， 成為舉世聞名的物理學聖地。而用磁場作為實驗手段來研究射線， 更是卡文迪許實驗室的拿手好戲。當時的實驗室主任湯姆遜就是利用磁場和電場研究陰極射線而發現了電子的。盧瑟福用強磁場研究鈾發出的放射線也有了新的發現。當鈾發出的放射線經過磁場時， 它被分成了三束。這三束放射線中， 有兩種就是先前發現的硬射線和軟射線， 而第3 種射線則是新發現的。
盧瑟福把這種射線分別命名為α射線、β射線和γ射線。盧瑟福把在磁場作用下， 略有彎曲的那束射線叫做α射線； 把彎曲得厲害的那束射線稱為β射線； 把不彎曲的那束射線稱為γ射線。盧瑟福還分別檢驗了這三種射線的穿透能力， 發現它們的穿透本領是不同的。穿透能力最強的是γ射線， 幾厘米厚的鋁板也無法擋住它； 穿透能力稍差的是β射線， 它能穿過幾毫米厚的鋁片； 穿透能力最差的是α射線， 它能被紙片阻擋， 而且它在空氣中隻能走7 厘米。
曆史的經驗是可以借鑒的， 科學研究也同樣如此。一些有效的實驗方法( 或實驗技術) 常常在研究不同的對象時反複地使用。在研究α、β、γ射線是什麽物質時， 就采用了與認識陰極射線相同的方法。這個實驗是法國物理學家約裏奧・居裏做的。他通過實驗測得β射線與陰極射線一樣， 都是帶負電荷的粒子流， 即電子流； γ射線則與X 射線一樣， 都是一種波長非常短的電磁波。可是， α射線是什麽？ 他還沒有搞清楚。
這個問題還是由盧瑟福解決的。19 世紀末， 盧瑟福指導一名叫歐文斯的年輕物理學家研究釷的放射性。很快， 歐文斯在實驗中發現釷的放射性強度與鈾的情況有所不同。鈾的放射性強度比較穩定， 而釷的放射性強度則是一會強一會弱。歐文斯是一個非常細心的人， 他還發現實驗室的門和窗在打開時與關閉時， 對釷的放射性強度有不同的影響。於是， 他把他的老師盧瑟福請到實驗室， 一同深入研究。為了防止氣流對實驗的影響， 他們把實驗室的門窗都關閉起來， 師徒二人還都帶上大口罩。在這樣的條件下， 他們發現釷的放射性是穩定的。可是， 當把實驗室的門打開時， 盧瑟福立刻就看到儀器的顯示有了變化； 當把門重新關好以後， 儀器的顯示又恢複了原先的狀態。更有意思的現象接著發生了， 當盧瑟福把實驗中的釷從儀器裏拿走以後， 儀器的顯示表明仍然有放射性存在。這就好像釷的放射性有傳染性一樣， 它把周圍的空氣傳染上了放射性。同樣的實驗表明， 鈾沒有這種現象。
為什麽同是放射性元素， 竟有如此不同的性質？ 特別是釷的傳染性是怎麽回事呢？ 這些問題引起了物理學家的思考。新現象所產生的疑問常常是產生新認識的前導。盧瑟福與歐文斯深入研究， 發現釷放出了一種氣體。這種氣體本身也有放射性， 它放射出α射線。恰好， 不久居裏夫婦發現鐳也具有這個性質。盧瑟福又和另一位英國科學家索迪密切合作， 運用光譜分析的方法， 去研究鐳放出的這種放射性氣體。實驗結果發現鐳放射出的這種放射性氣體是一種新的氣體元素， 這種新元素被命名為氡。
物理學家不僅需要具有高超的實驗技巧， 還要具有比較強的理論思維能力。盧瑟福正是具備這樣兩方麵能力的典型。但聯想到凡是有放射線的地方都有氦產生； 並且放出放射性氣體氡的鐳原子量是226. 05 ， 這個數值恰好等於氡的原子量222. 05 與氦原子量4. 00 之和； 實驗也也證實氡又是放射出α射線的。於是， 盧瑟福在1903 年推測： α射線可能就是氦。
理論上的推斷正確與否， 還必須通過實驗來檢驗。盧瑟福知道α射線可以穿過特別薄的玻璃， 但厚一些的玻璃它就穿不過去了。他就做了這樣一個實驗， 把氡裝在一個薄壁的玻璃管裏， 然後再把裝有氡的薄玻璃管放入一個管壁比較厚的大玻璃管裏； 再把厚玻璃管抽成真空。這樣， 氡放射出的α射線可以穿過薄玻璃管壁進入厚玻璃管。但α射線無法穿過厚玻璃管壁而隻能積聚在厚玻璃管中。就用這種方法， 盧瑟福截獲了α射線。這時， 再用事先封在厚玻璃管兩端的電極通上高壓電。通電之後， 從厚玻璃管中發出了黃色的輝光， 用光譜儀進行檢驗， 確認為氦。這意味著， α射線就是氦， 但它又不是普通的氦原子。因為盧瑟福曾用自製的簡易儀器， 判定α射線在磁場作用下產生偏轉， 而且從偏轉的方向上判斷α射線是帶正電荷的。最終， 確定α射線是帶正電荷的氦離子流。由於氦離子流是一粒一粒地從放射性元素內部射出來的， 速度非常高。因此， α射線又常常被稱做α粒子。
至此， α射線、β射線和γ射線的構成都搞清了。同時， 在這一研究過程時， 還發現了元素的轉變現象， 也就是放射性元素的衰變現象。道爾頓原子論認為， 元素是永恒不變的。可是， 現在通過實驗發現鐳放出了氡， 氡又變成了氦， 這就是說， 放射性現象就是一種元素變為另一種元素的過程。元素永恒不變的現象被打破了。
