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发信人: zjliu (秋天的萝卜), 信区: Science
标  题: 第十章 物理学的新时代 4
发信站: 哈工大紫丁香 (Wed Aug  6 21:35:15 2003)

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。第一台仪

器所测得的质量，误差为1／1000，第一台改进到1／10，0000芝加哥的登普斯特（Dempst
e
r）发明了另一种仪器，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，在某一时规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，其质量数目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。

    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。a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-e。a粒子运动的速度在每秒2×109厘米或10，000英里左右

。氢原子核或质子，包含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，同时吉奥克（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1／4000。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，而成为正离子，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。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呎

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呎深的没有镜的水

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（Carl 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6O

亿（6×10[9]）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Y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-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（Occhi
a
lini）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260万电子伏特。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。根据贝特一

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（Nedd
e
rmeyer）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mc2＝E，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2．8×1010）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a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（ BO比）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Y射线还强的新辐射。1932年，查德威克（James
 
Chadwick）爵士证明这种辐射的主要部分不是Y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

铁混合，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（β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
 
α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（Harbins）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a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a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

a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。这种植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时气体收集起来

。

    人们已经利用a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的梭。这样产

生的8Be不稳定，立即分裂为两个快速的a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捕获一个氘核之后，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a粒子，但具有比质子进入7Li而产生的a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的氦氨（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＋2H＋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。根据爱因斯坦的理论

，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3×10[10]），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纳的源，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的铁（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。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须从成分很大的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，也许核能的威力会使各国恐惧，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，供入使

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，这样食物在体内的运动，可以用盖格－弥勒计数器去追踪它。我们可以不夸大

地说，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。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。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。

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”，才变得运动迅速，从而起

活化作用，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（Nernst）与约斯特（Jost），

继后，哈伯（Haber）与勒·罗西诺尔（Le Rossignol）研究了氨、氮和氢在各种温度与压

力下的平衡，并且利用各种催化剂的帮助，于1905年前后研究出一种实验室方法，从空气

制成了氨，而且到1912年，哈伯的方法已经在工业和军事的用途上取得了成就。这是由于

在1914－1918年的战争期间受了德国需要硝酸盐的巨大刺激的缘故。这个方法就是使氮与

氢在200或更高的大气压与500℃的温度下，在一种催化剂上面流动。再使氨与硫酸或硫酸

钙起作用，而变成了硫酸氨，或将加热的氨和空气一道通过象铂绒那样的催化剂，使氨变

成硝酸氨。

    一百多年前开始研究的一些催化剂，现在对于化学的动力理论与许多化学工业，起了

很重要的作用。催化剂很久以来就用于象哈伯法那样的反应中，近年来应用得更广。将氢

气通过混有镍屑的热油液，油便氢化，而变成一种熔点较高更可口的脂肪。在高压下使氢

气通过碳粉与煤焦油混合的热糊剂，并用一种适当的催化剂，可使其氢化。生成物经过蒸

馏，便成为汽车用的轻油、中油和重油。催化剂用途的例子，多至难以一一列举。

    莫斯利的元素表中的缺空，现在已经差不多填满了。1925年，W．和I．诺达克（Noda
c
k）使用X射线分析，发现了43和75号元素，而命名为锝与铼。1926年B．S．霍普金斯（Ho
p
kins）宣布他发现了61号元素仅（Ⅱ即钷Pm）。这或许还没有得到完全的证实、周期表上

的倒数第二个缺空——一个元素属典类名成（At）——于1940年由加利福尼亚大学的科森

（Corson）、麦肯齐（Mackenzie）与西格雷（Segre）发现。他们在回旋加速器里，用a质

点轰击铋而发现这个元素。

    卢瑟福-玻尔的原子理论，经过修改以后，使我们对于化学结构有了一个电子的概念。

电子可以占据的轨道或能级，由主量子数n＝1，2，3等等规定，这也表示壳层里的电子的

数目。这些能级上可以存在的最多的电子数是由下列级数（里德堡级数）给出：2×12，2

×22， 2×32等，外层最多的电子数是8。一满了8这个数，使特别稳定；这种情况发生在

除氦以外的一切惰气中；在n＝1时，氦有两个核外电子，而氢只有一个。到了钠，开始形

成量子数为3的另一个新的电子壳层，到了氩而满额。氢的电子结构是2，8，8。

    这一理论给原子价的学说提供了物理学的根据。化合可以看做是电子从一个原子迁移

到另一个原子去。原子价代表一个原子必须获得或放弃的电子数。这个原子必须获得或放

弃这么多的电子，才能形成一个电子结构同最邻近的惰气一样的体系，或者说形成具有8个

电子壳层的体系。化合也可以由于两原子共用一些电子而发生；这种原子价叫做共价。牛

津的西奇威克（N．V．Sidgwick）对这一原子价理论阐释得特别详细。

    如果两个原子的轨道共用两个电子，它们便是靠所谓共价键结合起来的。如果两个电

子不是均等地共有，则一个原子具有多余的阳电，另一个具有多余的阴电。这个分子将具

有极性，并且具有偶极矩，这等于一个电荷同两电荷之间的距离的乘积。这些极矩可以根

据介电常数（电容率）或不均匀磁场里磁束的偏折度估算出来。雷德（Wrede）、德拜，还

有西奇威克与包温，都对偶极矩进行过研究，以此作为探索化学结构的指针。单质分子如
H
2、O2没有偶极矩，因此是均等地共有电子，但是HCI有一极矩，为1．03×10-18静电单位

，原子间的距离是1．28埃；其他化合物也是这样的。

    波动力学在化学上也如在物理学上有其重要性，特别表现在共振原理上。共振的发生

是由于一个分子由一电子结构跑到另一电子结构中，并且表现出两者的某些性质。

    原子发射出线状光谱，但从分子可以得到带状光谱，其分子的组态也可以测定出来。

一束单色光经过透明物体时发生散射，由此而形成各种频率的辐射——散射介质的特征（

斯梅卡耳-拉曼效应）。哈特利（W．N．Hartley）等人新近证明，结构相似的化合物在紫

外区有相似的吸收光谱。他们还从分子结构的观点，研究了红外吸收光谱。

    劳厄首先提出用X射线考察晶体结构，先后有弗里德里希与基平，布拉格父子（384页

）加以研究。这种研究表明，氯化钠的立方晶体由钠离子组成。每个钠离子为六个氯离子

所包围，相同地每个氯离子也为六个钠离子所包围。金刚石里每个碳原子都处在四面体的

中心，而与角上的四个碳原子互相束缚。这种紧密的结构说明金刚石的硬性。用X射线对二

苯基晶体的分析表明，它具有六个碳原子组成的环形结构，和凯库勒由苯与其衍生物的化

学现象推断的一样。新近罗伯森（J．M．Robertson）等人将傅立叶级数的方法应用于萘与

蒽，以测定许多化合物组成原子的排列方向和化学键的性质。X射线也被用于考察合金、无

机与有机化合物，都有成就。

    对于晶体结构的分析，不但可以利用X射线进行，也可利用电子衍射进行，因为以上讲

过，运动的电子挟带有波列，而可表现干涉现象等等。由电子衍射和X射线所得的结果是相

合的。德拜使用X射线研究晶体粉末，后来发现用相似的方法，对液体与气体也可以得到干

涉花样，并且可以测定原子之间的距离。1930年，维耳（Wierl）更使用了改进的方法。


    凯库勒发现的苯的环形结构式以及范特-霍夫和勒·贝尔的碳原子结构成四面体的理论

，成为立体化学的伟大结构的基础。如果承认碳原子的四个价电子作四面体的排列，则价

电子键之间的角度将是109度28’。如果形成环状，由于正五角形的角为108度，一列五个

碳原子，首尾两端必然互相接近，形成环状，键间很少应变，因而很稳定。W．H．珀金（
P
erkin）（子）制出了具有3、4、5和6个碳原子的环状的化合物，近年来，化学家，特别是

索普（Thorpe）与英文尔德（Ingold）等人证明，从一个碳原子出来的两个价电子之间的

天然角度，显著地受到所附的基团（如甲基团）的影响，因而应变可以减少，稳度可以增

加。这种环结构出现在许多天然物里。如范特-霍夫所预测的，旋光性出现于不对称的分子

，可是却没有不对称的碳原子。梅特兰（Maitland）和米尔斯（Mills）已经证明丙二烯型

化合物的情况就是这样，它们的分子并不具有对称面。化学这一分科的大发展是靠了X射线

分析的应用，因为这种分析将原子和分子的结构，表现得异常明白。

    建立在煤焦油基础上的化学工业，范围极其广阔。它从理论科学产生，而反转来对理

论科学有很大的影响。翁韦多本（Unver－dorben）与霍夫曼（Hofmann）从煤焦油分离出

一种名叫苯胺（安尼林油）的物质。霍夫曼还证明煤焦油里有苯。W．N．珀金（父）于18
5
6年用重铬酸钾处理硫酸苯胺，而得到紫色或紫红色的安尼林；这是首创的安尼林染料，以

后发明了很多种这类染料。1878年，在库珀（Coupef）和凯库勒奠定的基础上，E．和O．

费舍（Fischef）首先阐明了它们的化学结构。他们证明玫瑰苯胺（一品红）、洋红等的来

源是碳氢化合物，三苯甲烷。这工作引出许多新染料和合成这种染料所必需的中间体。后

来格里斯（Griess）制成具有偶氮基团（N：N）的偶氯化合物。这又导出一个新系的偶氮

染料。

    茜素染料，如土耳其红，于1868年合成，跟着而来的有蒽醌的其他衍生物。约在1897

年，从苯基甘氨酸制出的工业蓝靛，开始将天然蓝靛逐出市场，使印度的种植者破产。


    染料在工业上虽属重要，药物对于人们的福利更有贡献。有机药物的合成时代开始于

解热药，如安替比林（1883），止痛剂非那西汀（1887）与水杨酸，即阿斯匹灵（1899）

。这些药物的发现，创立了现代的化学治疗学硕，主要的创始人当推欧立希（Paul 
Ehrlich，1854－1915年）。他制成一种医治马病的药物与一种名叫盐酸二氨基联砷酚（即

六①六）的砷化合物，能杀灭在人体内造成梅毒的螺旋体菌（1912）。尿素的一种复杂衍

生物，于1924年为富尔诺（Four－neau）所制成，能消灭造成昏睡病的寄生虫。以后几年

，一系列以氨苯磺胺和磺胺吡啶等磺胺类药物为基础的合成药，由梅（May）与贝克（Bak
e
r）合成，叫做M.B.693，对于控制伤害人畜引起很多疾病的链球菌和肺炎球菌都很有效，

而磺胺胍成了痢疾的特效药。

    起初这些药物并无理论的基础，到1940年菲尔兹（FildeS）、伍兹（Woods）与塞尔比

（Selbie）才证明，磺胺类药物的作用在于阻止病原菌获得它们生长所必需的另一种同族

物质，名叫对氨基苯甲酸。这个成就表明进一步探讨的方向应当是研究细菌的代谢，寻找

细菌所需要的物质，并找出防止细菌利用它们的方法。

    青霉素最初是由弗莱明（A．Fleming）爵士在1929年从笔毫霉制出并命名的，后经牛

津的弗洛里（Florey）等人加以研究，并证明比磺胺类药物更有效。

    在帝国化学工业的曼彻斯特实验室里，于1945年发现一种抗疟疾的特效药名“白乐君

”（Paludrine）。杀虫药也经人研究，一种能杀昆虫而于人畜无害，名叫六氯化苯（即六

六六）的杀虫药制备成功了。

维生素的最新研究成果要在生物化学栏内作总的叙述，但关于维生素的结构与合成的叙述

，很自然地要放在化学栏里来。维生素A是生长必需物，其成分为C20H30O，卡勒（Karrer

）提出了一个结构式，说明它的化学反应及其与它的前身胡萝卜色素的关系。维生素B1，

有抗神经炎的功能，为哥伦比亚大学的威廉斯（Williams）所合成。抗坏血病的维生素C，

存在于绿色菜蔬与柑属水果里，其结构式比较简单，表示如图18。这种维生素先经人提取

，后于1933年为伯明翰的霍沃思（Haworth）合成，现在称为抗坏血酸。


    以上讲过，有机化学的基础在于碳原子具有互相结合为复杂结构的能力。大致类似的

能力也为硅所具有，近年来也变得很重要。

    1872年，冯·拜尔（Von Baeyer）发现酚（石炭酸）与甲醛化合成为一种树脂物。19
0
8年，贝克兰（Baekeland）发现这种树脂在碱性的催化剂内加热，变成一种有塑性的物质

。这叫做“电木”，在以甲醛为基本材料的反应中还取得了其他塑料物。它们可以用作漆

料、釉料，并可用来制造留声机唱片、飞机骨架等。

    橡胶于1892年由蒂尔登（Tilden）用异甲基丁二烯合成。1910年，马修斯（Matthews

）发现金属纳可以促进异甲基丁二烯的聚合化，但现今异甲基丁二烯已经由碳氢化合物，

丁二烯或氯丁二烯取代了。这些合成物常加在天然产品内。

    合成有机化学家对照相术作出了很多的贡献。起初，他们制成了显影剂（焦性没食子

酸等），继后制成一些染料，这些染料使胶卷对光谱可见区与不可见区的不同的光线都具

有感光作用。由于制出对于红外光具有感光作用的照相乳胶，几哩以外的对象，也可摄得

清晰的形象，这用普通底片是办不到的。照相术对于许多学科，自天文学以至微生物学都

很有帮助。

    费舍对于单醣的基础研究工作（253页），为许多人所继续，他提出一个敞开的链形结

构式，不过，人们现在公认的是霍沃思所提出的六成分型环形结构式。伊尔文（Irvine）

与霍沃思和美国的赫德森（Hudson）使用甲醚研究象蔗糖那样的双糖。开始了氨基酸的现

代研究的也是费舍。但迄今为止用合成方法制出的结构最复杂的多肽类合成物，虽然分子

量超过1300，还是离蛋白质很远。蛋白质可以分为两类，其分子量分别为35，000与400，
0
00的简单倍数。现在虽然通过动物纤维的X射线研究，得到了蛋白质分子结构的形象，但仍

有相当距离，人们还不能合成蛋白质。

    现代的物理与化学仪器，比五十年前的复杂得多了。个人很少能够建立起一个实验室

。业余爱好者虽然在过去对于科学作出了不少的贡献，但他们的时代似乎过去了。现在大

多数文明国家的政府都资助研究工作。英国将补助费送给各大学和皇家学会去进行基础研

究工作，至于工艺的研究则交给科学与工业研究部、医学研究理事会或农业研究理事会去

掌管。
 

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