第十章物理学的新时代
在其运动的方向上或有收缩的可能。这种收缩除上述的现象之外，别无他法
观察；一则因为效应太小，再则因为我们用以测量的尺度本身也受同样的收
缩，因而在其运动的方向上，长度的单位也变短了。所以迈克尔逊与莫利的
仪器，于转变方向后，也变更其大小，以至与地球经过以太时所产生的干涉
①M.E.J.G.de Bray，“TheVelocityofLight”Isis，No. 70, 1936.p.437。
条纹的移动相抵消了。
这种必需的收缩是容易计算的。物体在以太流的运动方向上将按
(1 -v2 /c2)2 的比例收缩，式中V 为物体和以太的相对速度，c 为不变的光速。
地球在其轨道上的速度为光速的万分之一。如果在一年的某时这是它经过以太的速度，则迈克尔逊与莫利的仪器于转动一直角时将收缩二万万分之一，这种微量的改变足以解释他们的结果。
这个问题停顿在这里若干年。无论其原因何在，所有测量光速的企图，不管是以太流顺行或逆行，都得到相同的结果，即测得的速度没有可以觉察的改变。
1905 年，爱因斯坦教授对于这问题，从另外一个完全新颖的方向加以考虑。他指出：绝对空间与绝对时间的概念是想象中的虚构，一种形而上学的概念，而不是直接由物理学的观察和实验得来的。我们经验所能及的唯一空间，是用尺度上二刻度间的距离所规定的长度标准来测量的，唯一时间是用天文现象所规定的时钟来测量的。如果我们的标准也发生了菲茨杰拉德收缩这样的变化，这种变化是我们觉察不到的，因为我们和这些标准一道前进，也发生相同变化，但是，以不同方式运动的观察者却是可以觉察到这种变化的。所以时间与空间，不是绝对的，而只是与观察者相对的。
这样看来，用任何仪器、在任何情况下测量，所得的光速总是一样的事实，便不须解释了。必须承认，这个结果是新物理学第一次发现的定律。这样，可知由于时间与空间的性质，相对于任何观察者，光总是以所测得的相同的速度进行。
这个测定的速度总是一样的，但是我们对空间、时间与质量作个别测量时，不论是时间、空间或质量都没有表现出我们习惯干预期的那种恒常不变性。迈克尔逊与莫利的仪器，用我们不变的标准（光速）对它加以检验，在转动时并不表现长度上有变化。这是由于我们跟随着它运动。但是，如果在枪弹飞过时，我们能足够准确地测量其长度，我们应发现它较静止时为短，而且它的速度愈近光速，它的长度也就愈短。
这个实验很难实行，但用相对性原理很容易证明：射弹的质量对于静止的观测者表现增大，而且依照长度缩短的比例而增大。设m0 为低速时的质量，则高速V 时的质量为，式内c 为光速。因此速度达到光速时，质量为无穷大。质量的改变可以用实验证明。测定以近于光速的速度经过我们身边的射弹的质量，是现代科学的奇迹之一。爆裂的放射原子所射出的β质点，可
以使其经过电场与磁场，而测量其速度与质量，象测量阴极射线质点的速度和质量时一样。假设以速度不大的β质点的质量为1，则下表第二行为m0/ 1-v2 /c2 ：根据相对论计算的、速度近于光速的β质点的质量，第三行为考夫曼根据实验测量所得的β质点的质量：
质点的速度每秒厘米数质量与缓行质点质量之比计算值实验值2.36 × 10102.48 × 10102.59 × 10102.72 × 10102.85 × 10101.651.832.042.433.091.51.662.02.423.1
β质点为阴性的电子，运动时等于电流。所以它们能产生具有能量与惯性的电磁力场。J.J.汤姆生与西尔（G. F.C. Searle）按照这个推理的路线，计算过质量随速度增加的数值，得到了相同的结果。所以质量的增加，象菲茨杰拉德的收缩一样，是与电磁理论相符合的。
而且根据相对性原理，质量与能量是等价的。一份质量m，若以能量表之，则为mc2，这里C 是光速。这也是与麦克斯韦的电磁波理论相符合的。
按照这个理论，电磁波具有的动量等于E/c 这里E 表示它们的能量。而动量为mc，于是我们便又得出E=mc2了。
由此可见，这些原理引出了新奇意外的结果。如果我们在飞机（或以太机）内，能以近于光速的速度飞行，则我们在运动方向上的长度，据地上观测者的测量，似已缩短，我们的质量似已增大，而我们的时计也较一般的变慢，但是我们自己并不觉察有这些变化。我们的尺子或已收缩，但是我们和我们四周的一切均已收缩，所以我们不觉其变化。我们的砝码或已增加质量，但我们也是一样地增加了。我们的时钟或许走得较慢，可是我们脑里的原子也运动得慢了，所以并不知时钟走慢了。
但是，因为运动是相对的，地上的观测者也正以我们对他运动的相等速度，对我们运动。所以我们对他加以测量时，便会发现他的尺度、质量与时间，也对我们表现变化，正如我们的这些量对他表现变化一样。自我们看来他好象在运动的方向上，产生了畸形的收缩，具有与其身体不相称的质量，而在身心方面迟钝得可笑；405 同时他对我们也有同样的观感。双方都不觉得自己的缺陷，而对于对方的悲惨变化却看得很清楚。
我们不能说两方的观测者哪一个是错误的。的确，双方都是对的。长度、质量与时间并非绝对的量。它们真正的物理数值，就是由测量所表示的。它们对双方不一样这一事实说明，它们的意义只能相对于某一观测者而规定。
绝对长度、绝对空间、绝对时间或甚至时间流动的观念都是形而上学的概念，远远超过观测或实验所表示或证明的。
虽然如此，如柏格森（Bergson）所指出，在哲学的意义上，对于一个随着某系统运动或在某系统内运动的人来说，所度过的那段时间，即用以测量这个系统中的事件的时间，具有其特殊的、独一无二的重要性。但是在物理的意义上，时间与空间，单个来考虑，则是随观测者的位置而定的相对的量。
不过，明可夫斯基（Minkow－ski）于1908 年指出，时间与空间的变化互相补偿，因此，这两者的结合，就是在这新世界里对于所有的观测者也都是一样的。我们惯于想象的空间，有长、宽、高三维，而明可夫斯基指示，我们必须把时间看做是“时空结合体”里的第四维，一秒钟相当于186，000 英里，即光在这时间内所行的距离。正如欧几里得几何的连续空间中，两点的距离，
无论如何测量都不变更一样，在这新的时一空连续区里，两个“事件”之间可以说有一个包括时间与空间的“间隔”，这间隔无论何人测量，都有它真正绝对的数值。我们觉得在这个变化不定的世界中，在这里找到了一种稳固的东西，因而想在这个相对性的王国内去寻求其他能保持其绝对性的量。在我们已知的量里，我们认为下面几个仍属绝对的量：数，热力学的熵，以及作用（作为量子的能量与时间的乘积）。
在空间与时间互不相干的旧世界里，人们习惯于把三度空间的整体看做
是同时随着时间过去的。世界的过去和将来之间，好象隔着一个“现在的平
面”，这个平面在同一刹那间伸展至空间的全部。但自1676 年勒麦发现光以
有限的速度进行以后，人们必定认识到，同时出现的星星实际上存在于不同
的过去时间（视其不同的距离而定〕，至今才同时为人所看见；这样“同时”
的意义便消失了。昔人信念中的绝对的“此时”变成仅仅是相对的“所见的
此时”了。
科学中最近的发展已增强了相对性的观念。假设一位以光速旅行的人，
游历星球，而在一年以后重返地球。在我们看来，在他飞行时，其质量好象
大至无穷，而其脑筋的反应慢至无穷。我们觉得长了一岁，而他则以为时间
毫未过去，他还停留在我们去年的“此时”。由此可知，认为过去与未来为
一平面所划分，这个平面对于所有地区和所有人类都一样，这一类概念必须
摈弃。必须从爱丁顿所谓的“此地-此时”（here－now）的一点，在空间绘
出几条“所见的此时”（seen－now）线，与时轴（time－axis）成一角度，
而这个角的正切等于光速①。在这样绘出的三维面（类似于二维的一对锥形或
滴漏形的曲面）内任何一处，我们可以找到一个绝对过去与绝对未来。在此
以外，事物可以在任何观测者都觉得是不同的时间中同时存在。将过去和未
来分开的劈形中立区可以叫做绝对的现在或绝对的他处，视我们从时间的角
度还是从空间的角度去看它。
我们凭直觉意识到的时间自过去到未来的流动，在可逆的物理学中，是没有对应的。普通动力学系统（无论其为地上的或天文407 的）的运动方程式，从正反两个方向去了解都一样：我们不能从牛顿的公式说明行星朝哪一方向围绕太阳运行。
但是，在热力学第二定律和孤立系统中熵循一个方向向极大值增加的例子里，我们可以找到一个只能向一方进行的物理过程。
因为互相冲撞而形成的分子的无规律散射，只能使这些分子接近于误差律所规定的分配速度，除非我们召唤麦克斯韦的“魔鬼”把各个分子控制起来，或守侯长久的时期，以待分子因巧遇而联合成群，否则，只有赖时间的倒流才能使这个混杂的过程逆转。如果我们看见速度相等的分子逐渐类聚成群，我们可断言时间在倒流。热力学第二定律，熵增大的原则，说明一个重要无比的自然过程，相当于人类意识中时间一去不回头的前进。
相对论与万有引力
1894 年，都柏林的菲茨杰拉德说：“重力可能是由于物质的存在使以太
①A.S.Eddington,The Nature of the Physical World， Cambridge， 1928.
结构发生变化所致。”①
这句用旧物理学的语言说出的活，表达了爱因斯坦1915 年把广义相对论
应用于万有引力所得的结果。他证明空间的性质，尤其是光的传播现象表明，
除非是在无穷小的区域内，明可夫斯基的时-空连续区和黎曼的空间相似，而
不是和欧几里得的空间相似②。
在这种时-空里，有些天然路线，同三维空间里，我们所惯于想象的，物体不受外力作用时所走的直线一样。既然抛射体向地球坠落，行星围绕太阳运行，可见这些路线靠近物体时即发生弯曲。因此，在物质的附近，必定有某种类似“时-空曲率”的东西存在。另一物体进入这弯曲的区域时，即循一条一定的路线走向或环绕这团物质而运行。的确，当我们从质量的角度而不是从电的角度去着想时，现今所谓物质的意义，不过是有这种曲率存在的时空区408 域而已。如果我们阻止这第二物体的自由行动，如借椅子或地面的分子的冲撞使其停止的话，我们就是时它施力，但这物体却觉得这是由于它自身的“重量”所造成的。
这种效应容易用电梯加以说明。当电梯开始上升时，它受到一个加速度。
这加速度在乘客看来，好象是其体重的暂时增加；增加之量，的确象普通重
量一样，可用弹簧秤去衡量的。加速度的效应与所谓万有引力场中的暂时增
加的效应完全相同，而且现在还不可能用我们已知的任何实验方法把这两个
原因区别开来。
不过，如果现在让这电梯自由坠落，乘客将不会感觉他们在运动。如果有一乘客释放其手中的苹果，它不会比电梯坠落得更快，而仍将留在乘客身旁。这个首次把相对论运用于万有引力的“等价原理”，是爱因斯坦在1911年提出来的，数学上的困难是几年以后才得到解决的①。
由此可见，牛顿关于万有引力的假设可以是不需要的。物体向地球坠落
或围绕地球而运行，也许只是跟着它在时－空弯曲区域内的自然路径运行而
计算表明，这个理论的推论与牛顿的理论大致相同，──就一般观测的
精确度而言，大体上是一样的。但是，对于一两个现象，却可以设计一种决
定性的实验。其中最有名的一个是光线为太阳所偏折的观测。根据爱因斯坦
的理论，算出的这种偏折度是根据牛顿的理论算出的二倍。观测这种微小偏
折的唯一方法，是在日全食时拍照太阳圆面附近的星象。1919 年日全食时，
爱丁顿、克罗姆林（Crommelin）分别在几内亚湾的普林西比岛和巴西两处进
行了这一观测。结果表明接近太阳的星象，同远离太阳的星象相比，409 有
所移动，而且移动之量适与爱因斯坦的理论相符合。
其次，水星轨道每世纪有42 角秒的差异，是牛顿的理论所不能解释的，
①Scientific Writings，p.313.
②两点间的距离，依坐标dx，dy 之差而变。如果这变化的形式为：这就是黎曼度规（metric）。其一个特
殊情形为下式所给出：在连续区为欧几里得空间时，这就是毕达哥拉斯定理。等数量不但规定了连续区的
度规形式，且规定了万有引力场。从这些数量间的最简单的数学关系式，爱因斯坦发现了重力的新定律。
① 参看本书179 与203 页脚注，有关拉格朗日、拉普拉斯和哈密顿各节。爱因斯坦提出了一些普遍的方程式，在特殊情形下（在某点上既无物质又无能量存在时），这些方程式可简化为拉普拉斯方程式，而当能量全是物质的形式时，这些方程式就是珀松方程在广义相对论中，在静力场中运动的小质点，其运动为拉格朗日的微分方程式所规定:不过这里L 不是像古典动力学中为动能与位能的简单差数而已。
但为爱因斯坦所阐明。他算得的数字为43 角秒。
第三，按照相对性原理，原子在万有引力场内振荡应当较缓慢。平均说
来，太阳光谱中的谱线，由于太阳上的重力较强，与地上相当光谱的谱线相
比，应该向红色一端移位。这个预期的移位很难查出，但是实验数据的比较，
表示其确实存在。在密度大的恒星的光谱内这种位移较大，有人已经在假定
其为真确的前提下，应用这一学说来测量恒星的密度。
由此可见，要想作精密的计算，牛顿的理论是不及爱因斯坦的理论的。
在量子论与相对论两个方向上，现代物理学似乎正在摆脱伽利略时代以来一
向指导物理学而卓有成就的基本概念。新的思想须有新的工具去表达。在某
些方面，事情已经很清楚，领导现代科学经过两个光荣世纪的牛顿动力学，
已经证明不足以担负现今知识所赋予的任务了。就连原来是古典力学基础的
物质的概念，至今也归于消失。所谓物质占有空间而历时不灭的基本观念，
今已失其意义，因为空间和时间既非绝对的，亦非实在的了。现今所谓物质，
只是时-空中发生的一串事件，以未知的而或有因果关系的方式相联系。由此
可知，相对论已加强了最新原子理论所得的结果。牛顿的动力学仍能预测物
理现象至高度的精确，仍能解决天文学家、物理学家与工程师的实际问题，
但作为最终的物理概念，他的理论只留其荣誉于历史中了。
从广义相对论推导自然定体的最好方法或许就是191s 年希尔伯特（Hilbert）所应用的最小原理。亚历山大里亚的希罗曾发现反射光所走的路线，常使其所经行的总距离为最小值。十七世纪费马把这一原理发展成为一个普遍性的原理——最短时间原理。百年以后，莫佩屠斯、欧勒与拉格朗日又把它发展为动力学的最小作用原理，而哈密顿于1834 年表明，一切万有引力的、动力学的和电的定律都可以表达为最小值的问题。希尔伯特证明：按照相对论原理，万有引力的作用在于使时-空的总曲率成为最小值，或如惠特克（Whittaker）所说：“万有引力不过是代表宇宙要伸直自己的一种连续努力而已。”①
广义相对论马上就废弃了由万有引力而生机械力的观念，重力成为时空的一种度规性质。但是带电或磁化的物体仍然必须看做是受了力的作用。
韦耳（Weyl）等人曾企图把电磁体纳入广义相对比理论中，但未完全成功。
1929 年，爱因斯坦宣布，他研究出一种新的统一力场理论。这种理论认为空间是一种介乎欧几里得空间和黎曼空间之间的东西，这样一来，电磁力也就成了时－空的一个度规性质①。
1928 年，爱丁顿宣布，他在另一个问题上把不同概念协调起来②。电子的电荷e 以hc/2ne3 的组合形式出现在两个电子的波动方程式里，式内h 为量子的作用量，c 为光速。爱丁顿根据量子论与相对论算得这个组合式的数值为136，而根据米利根最近测得的e 值，算得这个组合的值为137.1。这里的误差已超过实验的可几误差，但其近似也颇饶兴趣。的确，所有这一切现代的概念很有可能在一个新的物理的综合下统一起来。
物理学近况
①BritishAssociationReport, 1927,Address to Section A，p.23.
②A.Einstein,在The Times， February 3rd and 5th,1929 中两文。
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
①Proc.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
①Radar，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
①N.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。
①F.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 andIsotopes）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
①F.W.Aston，“Forty Yearsof Atomic Theory”，in Backoround to ModernScience，Cambridge，1938。
① Phys. Review, XL，1932，P.1。
②R.A.Millikan, Cosmic Rays, Cambridge, 1939.R.A.Millikanand H.v.Neher，EnergyDistributionofIncomingCosmicRayParticles，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 +ea 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
①Aston，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。
②RoyalSociety，BakerianLecture,1941。
①Proc. Physical Sociefy,LIV， 1942，p.491。
②Nature， Sept.30 andOct.7，1944。
③ Alexander Findlay, AHundred Years of Chemistry,London，1937.A.J.Berry，ModernChemistry，Cambridge,1946.
④C.N.Hinshelwood，The Kinetics of ChemicalChangeinGaseous Systems.
⑤F.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（Nernst）与约斯特（Jost），继后，哈伯（Haber）与勒·罗西诺尔（LeRossigno1）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①。
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（Nodack）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（Hopkins）宣布他发现了61 号元素鉯（ H 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
元素属砹类名砹（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
质点寺击铋而发现这个元素②。
卢瑟福一玻尔的原子理论，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：2×12.2×22，2×33 等，外层最多的电子数是8。一满了8 这个数，便特别稳定；这种情况发生在除氦以外的一切情气中；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。氩的电子结构是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情气一样的体系，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
① Rideal and Taylor， Catalysis in TheoryandPrcctice，London,1926.CarletonEllis, The Hydrogenafion of Oils,London（U.S.A.Pr.）， 1931。
②另一元素名钫（Fr），于1939 年为珀里（Perry）女士所发现。——译注
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H2、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部处在四面体的中心，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茶与蒽①，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一霍夫和勒·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°28’。如果形成环状，由于正五角形的角为108°，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（Perkin）（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）与英戈尔德（Ingold）等人①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②。化学这一分科的大发展是靠了X 射线分
① 萘是由煤焦油中提得的芳香碳氢化合物，白色晶体。它的衍生物是合成染料、树脂、药物的中间休。蒽也是相似的碳氢化合物，淡蓝色荧光晶体，是合成蒽醌系染料的重要原料。——译注①lngold，J.Chem－Socl921。
②Nature, vol ,CXXXV, 1935，vol.CXXXVII. 1936。
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.H.珀金（父〕于1856 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（Couper）和凯库勒奠定的基础上，E.和O.费舍（Fischer）首先阐明了它们的化学结构。他们证明玫瑰芋胺（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）的偶氮化合物。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派，
主要的创始人当推欧立希（Paul Ehrllch,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○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（Baker）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①，而磺胺肌成了痢疾的特效药。
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①。
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②。
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（WiIliams）所合成。抗坏血病的维生素C，存在于绿色菜
① Reports of Medical ResearchCouncil 1930—40，J.R.AgriC.Soc. l940。
①Britain To-day, vol,LXXIX,1942，P.15
②Britain To-day, vol,LXXIX,1942，P.15
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。1908 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，马修靳（Matthews）发现金属钠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部很有帮助。
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坏形结构式。伊尔文（lrvine）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①。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35，00O 与400，000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①。
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。英国将补助费送结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。
①Irvine，Chem，Rev.1927; Haworth，B.A.Repor，1935。
①Vickery and Osborne, Physiol.Rev. 1928;Astbury，Trans,Faraday Soc.