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第十章　物理學的新時代

　　新物理學——陰极射線与電子——陽极射線或原子射線——放射性——X射線与原子序數——量予論——原子結构——玻爾學說—一量子力學——相對論——相對論与万有引力——物理學近況——核型原子——化學

　　新物理學

　　十九世紀最后十年以前，物理科學一直循著第六章所敘述的發展路線前進。當時以為物理學的主要框架已經一勞永逸地构成了。以后需要做的一點點工作就只是把物理常數的測量弄得再准确一些（小數點后面的數字再推進一位），并把看起來往往很快就能解決的光以大結构的研究工作再推進一步。二十世紀的前三十年，這一牛頓的体系滲入新的物理學學說中。在解釋實驗的結果時，起初這一体系唯一無二的學說，后來便和其他學說并用。慢慢地才發現還需要一些全新的概念。
　　新物理學可以說是從1895年慕尼黑倫琴（Wilhelm KonradRontgen，1845－1923年）教授發現X射線時開始的。在這以前，已經有很多人對气体中的放電進行實驗，特別是法拉第、希托夫、蓋斯勒（Geissler）、戈爾茨坦（Goldstein）、克魯克斯等人和后來的人J．湯姆生（1856－1940年），即劍橋大學三一學院的主任教授約瑟夫·湯姆生爵士。但是只有持具遠見的人才覺得這些實驗重要，而最先引起物理學家注意這些實驗的，便是倫琴的工作。
　　偉大發現之出于偶然，常較一般人所想象的為少。不過倫琴找到X射線的蹤跡卻是偶然的，這件事的确遲早要發生，但仍然是偶然的。倫琴發現緊密封存的底片雖絲毫不暴露在光線下，如果放在高度真空的放電管附近，仍然會變灰黑而至毀坏。這說明放電管內發出某种能穿透底片封套的光線。
　　倫琴發現，一個涂有磷光質，如鉑氰酸鉀的幕屏放在這种放電管附近時，即發亮光；金屬的厚片放在管与磷光屏中間時，即投射陰影，而輕的物質，如鋁片或木片，平時不透光，在這种射線內投射的陰影卻几乎看不見。所吸收的射線的數量似乎大致和吸收体的厚度与密度成正比。真空管內的气体愈少，則射線的貫穿性愈高。具有相當“硬度”的射線，可使肌肉內的骨骼在磷光片或照片上投下陰影。因此，在有了适當的技術之后，這一事實對于外科醫術，就具有無上的价值。
　　從純粹科學的觀點來看，繼X射線之后，J．J湯姆生等人又有一個更重要的發現：當這些射線通過气体時，它們就使气体變成導電体。在這個研究范圍內，液体電解質的离子說已經指明液体中的導電現象有類似的机制。液体電解質的离子說是由法拉第創立的，后來主要由科爾勞施、范特-霍夫和阿累利烏斯加以發展。現在這個气体的离子說證明是更加成功。
　　在X射線通過气体以后，再加以切斷，气体的導電性仍然可以維持一會儿，然后就漸漸消失了。湯姆生与盧瑟福又發現：當由于X射線射入而變成導体的气体，通過玻璃綿或兩個電性相反的帶電板之間時，其導電性就消失了。這說明气体之所以能導電是由于含有荷電的質點，這些荷電的質點一与玻璃綿或帶電板之一相接触，就放出電荷。盧瑟福又發現：在導電的气体內，電流的強弱起初和電動勢成正比；但如果電動勢繼續增高，則電流的增加漸漸變慢，最后達到一個最大的飽和數值。從這些實驗可以明白，雖然离子是液体電解質中平常而永久的构造的一部分，但在气体中，只有X射線或其他電离劑施作用時才會產生离子。如果听其自然，离子就會漸漸重新結合而至消失。玻璃綿的表面很大，可以吸收离子或幫助离子重新結合。如果外加的電動勢相當高，便可以使离子一產生出來就馬上跑到電极上去，因而電動勢再增高，電流也不能再加大。
　　倫琴的發現還開創了另一研究領域——放射現象的領域。X射線既然能對磷光質發生顯著的效應，人們自然要問：這种磷光質或他种天然物体，是否也可以產生類似X射線那樣的射線呢？在這一研究中首先獲得成功的是亨利·柏克勒耳（Henri Becquerel）。他在1896年2月發現，鉀鈾的硫酸复鹽發出的射線，可以穿透黑紙或其他不透光的物質，對照相底版發生影響，后來他發現鈾本身与其所有化合物都有同樣的作用。
　　次年，1897年，是以超原子微粒（即遠比任何元素的原子更輕的質點）偉大發現著稱的一年。物理學的新肘代從此開始了。

　　陰极射線与電子

　　當一只裝有鉑電极的玻璃管，經抽气机逐漸抽空時，管內的放電在性質上就經歷多次變化，最后就在玻璃管壁上或管內其他固体上產生磷光效應。然后，這些物体就成為X射線的來源。1869年，希托夫證明放在陰极与玻璃壁間的障礙物，可以在玻璃壁上投射陰影。1876年，戈爾茨坦證實希托夫的結果，而創造“陰极射線”一詞，他以為這种射線是和普通光線同一性質的以太波。另一方面，伐利（Varley）和克魯克斯提出證据——例如，這些射線在磁場中發生偏轉——說明它們是由陰极射出的荷電質點，因撞擊而產生磷光。1890年，舒斯特（Schuster）觀察了它們在磁場中的偏轉度，測量了這些假想質點的電荷与其質量的比率，而估計這一比率為液体中氫离子的比值的500倍左右。他假定這些質點的大小与原子一樣，推得气体离子的電荷遠較液体离子為大。1892年赫茲發現陰极射線能貫穿薄的金片或鋁片。這一發現，似乎与組成射線的質點為普通原子流或分子流的想法頗難調和。1895年，貝蘭證明：這些質點偏轉到絕緣的導電体上時，就把它們所有的負電荷給与導電体。在1897年，質點的速度及其電荷e与質量m的比值，為几個物理學家測定之后，它們的性質的問題就得到了解決。一月間，維歇特（Wiechert）證明几种射線的速度約為光速的十分之一；而其e／m則等于電解液中氫离子的比值的2000至4000倍。他按電容器的振蕩周期測量速度，而按磁場中的偏轉測量e／m。七月間考夫曼（Kaufmann）發表他的實驗報告：他從電极間的電位差与磁場中的偏轉，求得質點的能量。同時J．J湯姆生將這些射線導入絕緣的圓柱，測量其電荷，并觀測其給予溫差電偶的熱量，而求得其動能。最后他于十月間發現在高度真空下，陰极射線不但能為磁場所偏轉，也能為電場所偏轉，他因而測量了這兩种偏轉度。
　　
　　圖11表明湯姆生用來進行上述有歷史意義的實驗的儀器。一支高度抽空的玻璃管裝著兩個金屬電极：陰极C和開有小縫的陽极A。從C發出的陰极射線的一部分，穿過小縫后，再為第二個小縫B所削細。這樣得到的小束射線，經過絕緣片D与E之間，射在玻璃管他端的熒光幕或照相底片上。如將絕緣片連于高電壓電池的兩极，則其間產生電場。整個儀器放在一強力的電磁体兩极中間，使得射線也受到磁場的作用。
　　假定陰极射線是荷有負電的質點的急流，由簡單計算可以看出，射線的電場偏轉度，亦如其磁場偏轉度，是依質點的速度v及其電荷与質量之比e／m而改變的。所以通過測量電場与磁場的偏轉度，便可求得v与e／m的數值。
　　湯姆生求得質點的速度在光速的十分之一左右，而略有變化，但其e／m則不管气体的壓力与性質及電极的性質如何，均無改變。在液体電解質中，以氫离子的e／m為最大，約為10，000或104。湯姆生求得气体离子的e／m為7．7×106，換言之，即為液体中氫离子的e／m的770倍，而考夫曼在1897年12月所求得的更精密的數值為1．77×107。這些結果也許表明，在气体內的陰极射線的質點中，不是象舒斯特所預料的那樣，電荷比在氫原子中大得多，就是質量小得多。湯姆生暫時假定這些質點比原子小。他以牛頓所常用的微粒那個名詞去稱呼它們，并且說它們是我們尋求多年的各种元素的共同成分。但是當時還沒有明确的證据可以證明這些微粒所負的電荷，不比電解質中單价离子所負的更大，因而也無法計算其質量。所以電荷的疑案就成了急待研究的下一個問題了。
　　1898和1899年，湯姆生測量了X射線在气体中所造成的离子的電荷。他利用威爾遜（C．T．R．Wilson）在1897年所發現的方法，即离子和塵埃一樣，可以成為潮濕空气中蒸汽凝成霧滴的核心。從這些霧滴在空气阻力下降落的速度，可以計算出霧滴的大小。從凝結的水的体積，可以求得霧滴的數目，再從已知電動勢所產生的電流，可以求得電荷的總量。不久以后，湯森（Townsend）測量了离子滲入气体的擴散速度，而由此計算出离子的電荷。到了1899年，湯姆生用云室法与磁場偏轉法，測量了相同一种質點（以紫外光射在鋅片上所產生的質點）的電荷e和e/m。所有測量結果都證明：在實驗誤差限度以內，气体質點的電荷与液体單价离子的電荷相符合。事實上，在米利根（Millikan）新近的實驗結果中，這兩個數字相差不及四千分之一。
　　由此可見，并非微粒的電荷比液体中氫离子的電荷更大，而是其質量更小。這些微粒是原子的一部分，無論元素的性質如何，均為其原子共有的成分。從湯姆生最初的實驗來看，每一微粒的質量似約為氫原子的1／770。但從上述考夫曼測量的e／m，已可求得較精密的結果。自此以后關于微粒的電荷与其e／m，接著又有新的測定，最著名的是米利根的測定。他在1910年改進威爾遜的云室法，又在1911年測量了小油滴在被電离的空气中降落的速度。當一油滴捉到一离子時，其速度便忽然改變。這樣求得离子的電荷為4．775×10-10靜電單位。這說明這些微粒或電子的質量，為氫原子的1／1830。從气体分子運動論可求得一個氫原子的質量約為1．66×10－24克，所以一個電子的質量約為9×10－28克。
　　這個偉大的發現終于解決了一個古希腊留下的問題：即不同的物質是否有共同的基礎的問題。同時也闡明了“帶電”的意義。湯姆生當時發表其個人的觀點說：
　　我認為一個原子含有許多更小的個体；我把這些個体叫做微粒。這些微粒彼此相等；其質量等于低壓下气体中陰离子的質量，約為3×10-28克。在正常原子中；這些微粒的集團，构成一個中性的電的体系。個別的微粒，行為雖然好象陰性的离子，但聚集于中性的原子中時，其陰電效應便為某种東西所抵消。此种東西使微粒散布的空間，好象有与這些微粒電荷之和相等的陽電似的。气体的帶電現象，我認為是由于气体原子的分裂，致使微粒脫离某些原子。脫离出來的微粒，性質如陰性的离子，每個都荷有一值量的陰電，為簡便計，我們名之為單位電荷。剩余的原子的另一部分，性質如一陽性的离子，載有一單位的正電荷，還有比陰電子更大的質量。由此觀之，帶電現象主要是由于原子的分裂，其中一部分質量被放出，而脫离了原來的原子。
　　這些新發展与前不久的一种研究，頗有關聯之處。按照麥克斯韋的理論，光既然是一种電磁波系，那么光必定是由振蕩的電体所發出的。由于光譜是元素所特有的而不是元素的化合物所特有的，所以這些振蕩体（或稱振子）必為原子或原子的一部分。依照這种推理，洛侖茲（Lorentz）在湯姆生的發現的前几年，創立了一种物質的電學說。這個學說預料，光譜的出現當受磁場的影響，而這一預料已為塞曼（Zeeman）所證實。塞曼在1896年發現光源放
　　在強磁場之內時，其所發納光譜的譜線即行變寬。他后來又以更強的磁場將單一譜線分成了兩條或多條。根据測量這些線條之間的距离所得的資料，按照洛侖茲的學說，可以算出振蕩質點的電荷与其質量之比e／m的新值。如是求得此值的數量級為107電磁單位，根据更精密的測量算出，此數字為1．77×107，与根据觀察陰极射線和他法所得的結果甚為符合。
　　洛侖茲利用斯托尼（J．Stoney）所定的名稱“電子”來稱呼這些振動的帶電質點，而塞曼效應的發現与測量證明，它們就是湯姆生的微粒。我們可以把它們當做是孤立的陰電單位。拉摩（Larmor）以為電子既然有電能，就必定有与質量相當的慣量。這樣，洛侖茲的學說就成為物質的電子學說，而且和由湯姆生發現而來的觀點完全融合在一起。只不過湯姆生是用物質去解釋電，而洛倉茲卻是用電來解釋物質。
　　應該指出，當時還有一個默認的假設并沒有為后來的研究所證實。這一假設認為，原子中的微粒或電子是按照牛頓的動力學運動的，在最初的時候，人們甚至把原子比做一個小型的太陽系，電子在其中的運動有如行星之繞太陽。但在1930年以前，我們明白這种行星軌道的概念，并不一定符合事實，因而應該放棄。
　　接著人們便發現還可以用許多別的方法獲得微粒或電子：例如高溫下的物質及受到紫外光作用的金屬，都能發出電子。這些效應由勒納德（Lenard）、埃爾斯特（Elster）和蓋特爾（Geitel）、理查森（O．W．Richardson）、拉登堡（Ladenburg）等人加以研究，此后這种熱效應在無線電報与電話所用的熱离子管中就取得了重要的實用意義。

　　陽极射線或原子射線

　　由上所述，陰极射線是在真空管放電時，自陰极射出的。其對應的、自陽极發出的陽射線，是戈爾茨坦在1886年發現的。觀察陽射線的方法是在陽极對面的陰极上穿些小孔，這樣在放電時，便有發光的射線經過這些孔，人可以在陰极以外去觀察它。維恩（Wien）和湯姆生在1898年先后測量了這种“极隧射線”的磁偏轉与電偏轉。其e／m的數值表明這种陽射線是由質量与普通原子或分子相近的陽性質點所組成的。
　　湯姆生在1910年和1911年把陽射線的研究推進了一步。他利用一個高度抽空的大儀器，在陰极裝上一個長而細的導管，這樣便帶到一個很細的射線束，其位置可以在儀器內的照相底片上加以記錄。妥善安排磁力与電力，使二者所生的偏轉互成直角。由于磁偏轉与質點的速度成反比，而電偏轉与其速度的平方成反比，如果射線中有速度不同的同類質點，則照片上將呈現拋物線形的曲線。但實際出現的曲線則視儀器中殘存气体的性質而定。如气体為氫，則基本曲線所給与的e／m為104或m/e為10－4，与液体電解質中氫离子的數值相等。第二條曲線所給出的值為前者的兩倍，即表明有一种氫分子，其質量二倍于負有一個單位的電荷的氫原子的質量。其他元素給出多條拋物線組成的复雜体系。每個元素的m／e 与氫原子的m／e之比，湯姆生稱之為“電原子量”。
　　湯姆生考察氖元素（原子量為20．2）時，發現兩條曲線，一條表示原子量為20，另一條表示原子量為22。這說明，普通制備的氖气可能是兩种化學性相同而原子量不同的元素的混合物。某些放射現象也說明有這种元素，并且可以給予解釋，索迪（Soddy）把它們叫做“同位素”（希腊文τσοτοποs，即在周期表中占同一位置之意）。
　　湯姆生的實驗由阿斯頓（Aston，1877－1945年）加以繼續和發展。他用改進的儀器，求得各元素的有規律的“質譜”。這樣就證實氛有同位素。氯的原子量為什么是35．46，也是化學家長久所不了解的，至此也證明氯是原子量為35与37的兩种氯原子的混合物了。阿斯頓于他种元素也得到相似的結果。如果將氧的原子量定為16，則其他所有已經測驗過的元素的原子量，都非常接近整數，差別最大的是氫的原子量，它不是1，而是1．008。這些原子量所以与整數有微小差別，是由于原子核中陰陽二單位体密積在一起的緣故。這個問題還要在后面詳細討論。
　　這樣，阿斯頓就澄清了另一老問題。紐蘭茲与門得列耶夫的工作，證明各元素不同的性質与其原子量的陸續增加有某种關系，因而不可避免地說明原子量自身應當形成一個簡單順增的序列。普勞特關于各元素的原子量都是氫原子量的倍數的假說，至此證明接近真實。至于其中的稀微差异，在現代原子論中，既可予以解釋，也饒有趣味。

　　放射性

　　在柏克勒耳對于鈾的放射性質進行了創始的觀察以后，跟著便發現鈾的射線亦如X射線，能使空气和他种气体產生導電性。釷的化合物也經人發現有類似的性質。1900年，居里（Curie）夫婦進行了有系統的研究，在各种元素与其化合物以及天然物中尋找這种效應。他們發現瀝青鈾礦与其他几种含鈾的礦物，比鈾元素本身更為活躍。他們采用化學方法，即按其放射性分离了瀝青鈾礦的成分。于是三种很活躍的物質，即鐳、釙与錒的鹽就由几位學者分离出來。其中最活躍的是鐳，是居里夫婦与貝蒙特（Bemont）合作而發現的。瀝青鈾礦中鐳的含量极微，許多吨的礦，經過漫長而繁重的工作，僅能分离出一克的极小分數的鐳鹽。
　　1899年，蒙特利爾（Montreal）的盧瑟福教授，即以后的劍橋大學教授盧瑟福爵士，發現鈾的輻射里有兩部分，一部分不能貫穿比1／50毫米更厚的鋁片，另一部分則能貫穿約半毫米的鋁片，然后，強度就減少一半。前者，盧瑟福叫做α射線，能產生最顯著的電效應；而貫穿性較大的一部分叫β射線，能通過不漏光的遮幕，而使照相底片變質。以后又發現第三种更富貫穿性的輻射，稱為γ射線，在貫穿一厘米厚的鉛片之后，還能照相，并使驗電器放電。鐳放射所有這三种射線比軸容易得多，与其一般活動性成比例，所以研究這些輻射，也以用鐳最為便利。
　　貫穿性中等的γ射線，容易為磁鐵所偏轉，而柏克勒耳還發現它們也為電場所偏轉。柏克勒耳确鑿地證明它們是射出的荷電質點。進一步的研究，證明β射線在一切方面都象陰极射線，雖然其速度約為光速的60至95％，但比已經試驗過的任何陰极射線的速度都大，所以B射線就是陰性的微粒或電子。
　　強度足夠使B射線產生相當大的偏轉的磁場和電場，并不足以影響很容易被吸收的a射線。雖然在1900年前后，人們已經認為α射線很可能是荷陽電的質點，其質量較組成陰性B射線的質點的質量大，但在若干時期以后，才由實驗證明它也能為磁場和電場所偏轉，但其方向与β射線偏轉的方向相反而已。盧瑟福在1906年對于α射線進行實驗，求得其e／m為5．1×103。電解波中氫离子的e／M為104。因為已有證据（見后）表明，α射線是氨的組成物，由此可知α質點是荷有二倍于單价离子的電荷的氦原子（原子量為4）。它們的速度約為光速的1／10。
　　貫穿性最強的Y射線，不能為磁力或電力所偏轉。它們与其他兩种射線不是同類的，而和X射線相似，由一种与光同性質的波所組成，其波長經康普頓（A·H．Compton）、埃利斯（C．D．Ellis）与邁特納（Fraulein Meitner）等測量，遠比光波為小。它們似乎也象某些X射線一樣，含有發射体所特有的各种單色成分。
　　1900年，威廉·克魯克斯爵士發現，如果以碳酸氨使鈾自其溶液中沉淀，而再溶其沉淀物于過量的試劑中，則所余留的為少量不濃的渣滓。這點渣滓克魯克斯稱為鈾-X以照相法試驗，异常活動，但再溶解的鈾，則無照相效應。柏克勒耳也得到相似的結果：他發現活動的渣滓如果擱置一年，則喪失其活動性，而不活動的鈾反恢复其固有的輻射性。
　　1902年，盧瑟福与索迪發現鐵也有相同的效應，即在為氨所沉淀時，釷的活動性，即消失其一部分。濾液蒸干，則產生放射性极強的渣滓。但經過一月，渣滓的活動性喪失，讓則恢复其原有的活動性。這种活性的渣滓，釷-X，證明是另外一种化學物質，因為它只能為氨全部分開，別种試劑雖能使釷沉淀，但不能使它与釷-X分离。因此當時斷定這些X化合物（未知的化合物）當是另外的個体，不斷地由母体發出，而漸漸喪失其活性。
　　1899年，盧瑟福發現從釷發出的輻射變异無常，尤其易為吹過放射物質表面的空气緩流所影響。他認為這种效應是由于有一种物質放射出的緣故，這种物質的性質好象一种有暫時放射性的重气体。這就是當時所謂的“射气”。這种射气必須与上述以高速度依直線進行的輻射明顯分開。射气慢慢地彌散到大气里去，好象揮發性液体的蒸气一般。它的作用象是直行輻射的獨立源泉，但隨時間的進展，其活動性就變得衰弱起來。鐳和錒發出相似的射气，但鈾和釷則否。鐳射气和氖与氬相似，是一种惰性气体，現在叫做氡。
　　放射物質所發出的射气為量极小。1904年，拉姆賽与索迪從几分克溴化鐳得到一個很小的射气泡。在一般情形下，其量之微，遠不足以影響抽空器內的壓力；除利用其放射性偵察它之外，也不能用其他方法去偵察它。普通所得到的，是它与大量空气的混合物，只能和空气同時從一器輸入他器。
　　1899年，居里夫婦發現如將一棒暴露在鐳射气里，則棒自身也獲得放射性質。同年，盧瑟福于釷也得著相同的結果，而且進行了詳細的研究。如果將棒自盛有射气的器內取出，而塞入檢驗簡內，則此棒可使簡內的气体電离。如將暴露于釷射气而得到放射性的鉑絲，用硝酸洗滌，鉑絲的放射性不受損失。可是如果用硫酸或鹽酸洗滌，其放射性就差不多全部喪失。將酸蒸干則得含有放射性的渣滓。這些結果，表明鉑絲的放射性是由于積有某种新的放射物的緣故，這种放射物与各种化學試劑有其一定的反應。這种新的放射物當是它由之形成的那种射气分裂的產物。
　　盧瑟福与索迪在1902年研究了釷-X放射性的衰變率，而獲得重要的發現；即在每一段短時間內的變率与這段時間開始時的放射物的強度成比例。鈾-X也有類似的現象。其過程有如圖12所示。這与化合物按每個分子分解為比較簡單的物体時，在量上的減少遵循同一定律。但當兩個或多個分子互相反應引起化學變化時，兩者的定律便不相同了（見245頁）。
　　
　　1903年，居里与拉波爾德（Laborde）注意到一個奇特的事實：鐳的化合物不斷地發熱。他們從實驗的結果算出每克純鐳每小時可發熱約100卡。以后的結果證明一克鐳与其產物平衡時，每小時發熱135卡。這种熱能的發出率，不論將鐳鹽放在高溫或液体空气的低溫下，都不改變，甚至在液体氫的溫度下也不至減小。
　　盧瑟福認為熱能的發射与放射性有關。喪失了射气的鐳，如以電的方法測量，其放射性的恢复与其發熱本領的恢复保持同一速率，而其分离出來的射气發熱量的變化，也与其放射性的變化相應。放射物的電效應主要是由于a射線。而其熱效應也主要決定于α質點的發射。在上述的每小時135卡中，只有5卡來自β射線，6卡來自γ輻射。α与β射線的熱效應顯然得自射出質點的動能。
　　由于發現鐳的化合物不斷發熱，人們進行了許多探索，力求解釋這個好像永不枯竭的能量的泉源，人們的注意力也集中于放射問題本身。
　　需要解釋的事實可以總結為以下几點：（1）什么時候有放射性即有化學變化出現，什么時候就有新体出現；（2）這种化學變化是單質點的分离，而不是化合；（3）放射性与放射元素（不論其是獨立的或化合的）的質量成比例，因此分离的質點不是分子而是原子；（4）其所放出的能量是已知的最猛烈的化學反應的万千倍。
　　1903年，盧瑟福与索迪根据他們對于射气与其遺留的放射物的實驗結果，提出一個學說來解釋所有已知的事實。這個學說就是：放射性是基本原子的爆炸分裂造成的。在數百万個原子中，這里和那里忽然有一個爆裂，射出一個α質點，或一個β質點和一個γ射線，所遺留下來的部分就成為另一不同的原子。如果射出的是一個α質點，這個新原素的原子量將有所減少，減少的數值是一個氦原子的原子量的四個單位。
　　現在把最初制訂的鐳族的系譜列表于下（根据最近的研究，這個系譜已經有所不同）。這個系譜從鈾開始，這是一個重元素，原子量為238，原子序數為92，這個數字，以后還要說明，是原子外部的電子數。鐳族系譜列如下表：
鈾Ⅰ 92 238 14．5×109年 α
鈾X1 90 234 24．5日 β,γ
鈾X2 91 234 1．14分 β,γ
鈾Ⅱ 92 234 106年 α
鍰 90 230 7．6×104 α
鐳 88 226 1600年 α
鐳射气 86 222 3．82日 α
鐳A 84 218 3．05分 α
鐳B 82 214 26．8分 β,γ
鐳C 83 214 19．7分 α,β,γ
鐳C’ 84 214 10－6秒 α
鐳D 82 210 25年 β,γ
鐳E 83 210 5日 β,γ
鐳F（釙） 84 210 136日 α
鉛 821 206 無放射性  

　　鈾原子放射一個a質點，即一個質量為4而陽電荷為2的氦原子后，所遺下的是一個軸X1原子，其原子量為238－4＝234，而原子序數為92－2＝90。鈾X1所放射的僅僅是β与γ射線。β射線的質量很小，載有一個陰電荷，所以，由鈾X1變來的所謂鈾X2，較鈾X1少一陰電荷，換言之即多一陽電荷，因此其原子序數為91，其原子量實際沒有什么變化，仍為234。鈾X3也只放射β与γ射線，所以其子体鈾Ⅱ的原子序數為92，而原子量仍為234。
　　這樣照表中所示類推。在放出α射線時，產物的原子量減少4位，其原子序數少2單位。如果放出的是β射線，則重量几無改變，而其原子序數則增加1單位。
　　鐳族的最后已知子体為鉛，其原子量經理查茲（Richards）与赫尼格斯密特（Honigschmit）測定為206，而普通鉛的原子量為207。釷族的最后產物也證明為鉛，其原子量經索迪測定為208。阿斯頓還測定錒鉛的原子量有正常的數值207，在鈾族里還有一种具有放射性的鉛，以鐳D的身分出現，其原子量為210。這四种鉛具有相同的化學性質，因而可以認為是同位素。
　　原子學說，雖然由道爾頓的化學工作确立起來，但是百余年來一直不能證明有單個原子存在；我們只能按成万成億的數目對原子作統計式的處理。而今，利用放射性，我們已經能夠探索單個a質點的效應了。克魯克斯將硫化鋅的熒光幕暴露在一個溴化鐳小點之下，用放大鏡觀察到幕上的閃爍。這是最初的辦法，今天已經有其他的偵察方法了。
　　如果我們用比激發火花所必需的強度稍弱的電場對几毫米水銀柱壓力下的气体施加作用，這种气体就進入非常靈敏的狀態。一個α質點，因為速度极大會因為与气体分子碰撞，而產生成千上万的离子。這些离子，受到強電場的作用，也作急速的運動，通過碰撞而更產生其他离子。這樣，一個α質點的總效應就成倍地增加可以使靈敏靜電計的指針在標尺上有20毫米或更大的偏轉。盧瑟福用一個极薄的放射物質膜，使指針的轉動減少到每分鐘三、四次，而數計所發射的α質點的數目，由此可以估算出鐳的壽命。計算表明，鐳的質量在1600年中減少一半。
　　另一方法是威爾遜發明的。當a質點射過為水蒸气所飽和的空气時，α質點所產生的离子就形成水蒸气凝結的核心。因此空气中呈現霧的路徑，代表每個α質點的行程，而這些霧的路徑，是可用照相方法去記錄的。
　　盧瑟福關于放射性的研究，最后指明了物質嬗變的可能性——中世紀點金術士的夢想。不過，一直要到后來，才發現了加速這些變化的人為方法，特別是控制這些變化的人為方法。這些變化的發生完全決定于原子內部的偶然情況，而變化發生的頻率也符合熟悉的概率的定律。但在1919年，盧瑟福發現用a射線進行撞擊時可以引起几种元素（如氮）的原子的變化。氮的原子量為14，其原子為三個氦核（共重12）与兩個氫核所組成。在受到a質點撞擊時，氦核就被擊破，氮原子組成成分中的氫核就以高速射出。在這里我們第一次看到用人力隨意分裂原子（單向嬗變）的可能性，此后，這种方法又有很大的擴大。可是破坏易而建設難：這不等于說我們能夠用輕而簡單的原子造出重而复雜的原子。當時，有證据表明，复雜的放射性原子發放出能量來，因此，人們起初以為物質的演化歷程是單向的：即由复雜原子分裂為簡單原子与輻射能。但是以后的研究證明，雖然重原子分裂時發出能量，而輕原子形成時也能發出能量（見后391，422頁）。X射線与原子序數
　　倫琴所發現的X射線，既不象普通光那樣折射，也找不到什么有規律的反射与偏振的痕跡；但是，另一方向，X射線也不象陰极射線或a及B質點那樣可以為磁場或電場所偏轉。因此X射線的性質一度成為大家討論的問題。到1912年，勞厄（Laue）方提出一項意見，認為如果X射線是彼長很短的以太波，則晶体中各原子有規則的排列就可以使X射線發生衍射，正像刻有許多平行線痕的平面可以當作光柵使用來使普通光衍射一樣。勞厄求出其繁复的數學理論，弗里德里希（Friedrich）与基平在實驗中成功地證實了這种理論。于是人們才知道X射線是比光波更短的電磁波，而這一發現，也就開辟了一個研究晶体結构的新天地。最先探勘這個新天地的主要是威廉·布拉格（William Bragg）和他的儿子勞倫斯（Lawrence）·布拉格。他們利用岩鹽（簡單的正六面形晶体），用這种衍射現象證明，与岩鹽天然晶面平行的原子面間的距离為2．81×10－8厘米，而用陰极射線撞擊鈀靶時所發生的特有的X射線的波長為0．570×1010－8厘米，僅合鈉光波長的万分之一。這樣，人們所知道的輻射的波長就包括了很大范圍，從無線電通信的長波，一直到X射線和Y射線的短波，中間大約有60個倍頻程（每一個倍頻程是頻率增加一倍的頻率范圍）。其中可見光大約僅占一個倍頻程。
　　威廉·布拉格爵士、莫斯利、C．G．達爾文和凱（Kaye）的工作證明，把晶体當作光柵所產生的X射線的衍射光譜，是由一定限度內一切波長的漫射輻射混合組成的，并且包括作為“譜線”疊于光譜之上的某些更強烈的一定頻率的輻射。這些具有特征的線輻射是一种同利用可見光所得的線光譜相似的衍射現象。隨著這一現象的發現，牛津大學一位青年學者莫斯利在1913和1914年又有一個非常重要的發現。他不久就死于歐戰。這是物理科學界的一個莫大的損失。
　　莫斯利將陰极射線所撞擊的靶，從一种金屬換成另一种金屬，并且以亞鐵氰化鉀晶体作為光柵，對每一金屬靶所生的X射線的光譜加以考察，發現光譜中具有特征的譜線的振蕩頻率，由于改換金屬，而發生簡單的改變。如果以n代表X射線光譜中最強譜線每秒鐘振蕩次數，則按照周期表從一個元素到下一個元素，n的平方根增加的數目都是相等的。如果將n[1/2]乘一常數，使這种有規則的增加成為單位，我們就得到一系列的原子序數。在這個序列中，所有已經測量過的固体元素的原子序數，都排列得很有規律，從鋁的13到金的79。如果再把其他已知的元素填入，我們就發現，從氫的1到鈾的92，中間只有兩三個空位代表尚未發現的元素。這几個元素后來也發現了（見426頁）。
原子序數 元素 符號 原子量 原子序數 元素 符號 原子量
1 氫 H 1.0080 14 硅 Si 28．086
2 氦 He 4.00260 15 磷 P 30.9738
3 鋰 Li 6.941 16 硫 S 32.06
4 鈹 Be 9.01218 17 氯 Cl 35.453
5 硼 B 10.81 18 氬 A 39.948
6 碳 C 12.011 19 鉀 K 39.102
7 氮 N 14.00067 20 鈣 Ca 40.08
8 氧 O 15.994 21 鈧 Sc 44.9559
9 氟 F 18.9984 22 鈦 Ti 47.90
10 氖 Ne 20.179 23 釩 V 50.9414
11 鈉 Na 22.9898 24 鉻 Cr 51.996
12 鎂 Mg 24.305 25 錳 Mn 54.9380
13 鋁 Al 26.9815 26 鐵 Fe 55.847
27 鈷 Co 58．9332 60 釹 Nd 144．24
28 鎳 Ni 58．71 61 叵 Pm 145
29 銅 Cu 63．545 62 釤 Sm 150.4
30 鋅 Zn 65．37 63 銪 Eu 151．96
31 鎵 Ga 69．72 64 釓 Gd 157．25
32 鍺 Ge 72．59 65 鋱 Tb 158．9254
33 砷 As 74．9216 66 鏑 Dy 162．50
34 硒 Se 78．96 67 鈥 Ho 164．9303
35 溴 Br 79．904 68 鉺 Er 167．26
36 氪 Kr 83．80 69 銩 Tm 168．9342
37 銣 Rb 85．4678 70 鐿 Yb 173．04
38 鍶 Sr 87．62 71 櫓 Lu 174．97
39 釔 Y 88．9059 72 鉿 Hf 178．49
40 鋯 Zr 91．22 73 鉭 Ta 180．9479
41 鈮 Nb 92．9064 74 鎢 W 183．85
42 鉬 Mo 95．94 75 錸 Re 186．2
43 鎝 Tc 98.9062 76 鋨 Os 190．2
44 釕 Ru 101．07 77 銥 Ir 192．22
45 銠 Rh 102．9055 78 鉑 Pt 195．09
46 鈀 Pd 106．4 79 金 Au 196．9665
47 銀 Ag 107.868 80 汞 Hg 200.59
48 鎘 Cd 112．40 81 鉈 Tl 204．37
49 銦 In 114．82 82 鉛 Pb 207.2
50 錫 Sn 118．69 83 鉍 Bi 208．9806
51 銻 Sb 121．75 84 釙 Po 209
52 碲 Te 127．60 85 □ At 210
53 碘 I 126．9045 86 氡 Rn 222
54 氙 Xe 131．30 87 鈁 Fr 223
55 銫 Cs 132．9055 88 鐳 Ra 226．0254
56 鋇 Ba 137．34 89 錒 Ac 227
57 鑭 La 138．9055 90 釷 Th 232．0381
58 鈰 Ce 140．12 91 鏷 Pa 231．0359
59 鐠 Pr 140．9077 92 鈾 U 238．029


　　量子論

　　1923年康普頓發現，當X射線為物質所散射時，波的頻率變小。他用輻射的光子單元理論，來解釋這個效應。這种光子單元可以和物質或電荷的電子与質子相比。電子在原子軌道中運動自然不免發放輻射能量。按照牛頓動力學，這個效應將使其軌道縮小，從而使其轉動周期變短，使其發射的頻率增高。在這個過程的所有階段中，都會有原子存在，所以在一切光譜里都應該可以發現一切頻率的輻射，而不是我們在許多元素的線狀光譜中所看到的少數确定不變的頻率的輻射。
　　就是在白熾固体的連續光譜內，能量也不是均勻分布的，而是在某些頻率之間為最強。這個最強輻射的區域隨溫度增高，在光譜里由紅端至紫端移動。這些事實很難用原子或電子輻射的舊理論去解釋。事實上，數學的計算表明頻率高的振子應該比頻率低的振子發出更多的能量；因此，可見光比不可見的紅外線應該發出較多的熱，而紫外線又應該比可見光所發的更多。但是這一切都是与眾所周知的事實相反。
　　為了解決這些困難，1901年普蘭克提出了“量子論”，主張輻射不是連續的，而象物質一樣，只能按個別的單元体或原子來處理。這些單元的吸收与發射，服從在物理學与物理化學的其他分支中早已廣泛地使用的概率原理。輻射出來的能量，其單元大小并不是一樣的，而与其振蕩頻率成正比。所以只有當擁有大量可用的能量的時候，振子才能擁有和發射出高頻率的紫外線；因為振于擁有許多這樣的單元的机會很小，所以其發射的机會和發射的總能量也都很小。反之，頻率低的輻射是以小單元射出的，振子擁有許多小單元的机會較多，因而其發射的机會也可以較多；但由于其單元甚小，其總能量也甚小。只有在某段适中的頻率范圍內，單元的大小适中。机會也好，于是發出的單元數目可以相當大、而其總能量便得達到其最高值。
　　為了解釋這些事實，必須假設普蘭克的能量子e与頻率成正比，或者說与振蕩周期成反比。因此我們可以寫成
　　E＝hv＝h/T，
　　式中v表頻率，T表振蕩周期，而h是一常數。因此，普蘭克常數h等于能量与時間的乘積。ET，這個量被稱為作用量。這個守恒的作用單位，當然不隨頻率而改變，事實上是不隨任何變化的東西而改變。這是一個真正的自然單位，和從電子中求得的物質和電的自然單位類似。
　　我們可以把一种專為解釋某一系列事實而創立的理論加以調整，使其与那些事實相适合，但不論怎樣适合，以及其形式怎樣新穎，這個理論可以普遍适用的證据也許并不充分。可是，如果有另一套完全不同的現象，也可以用同一的理論去解釋，尤其是在這些現象沒有別的合理的解釋的時候，這种證据的价值必大為增高，而我們也就開始相信，我們可以依賴這個理論去解釋更多的關系。
　　普蘭克的理論本來是為了解釋輻射的事實而創立的。因為与傳統的動力學有抵触，所以一般學者雖非怀疑，也以審慎的態度對待，亦屬當然。但當其為愛因斯坦、條恩斯特与林德曼（Lindemann），特別是德拜（Debye）用以解釋比熱現象之后，它廣泛應用的可能性便大為增加了。
　　普通的分子運動論以為，固体中單原子分子的原子熱，應為气体常數的3倍，或約為每度6卡，而且此數不受溫度的影響。金屬都含有單原子分子，其原子熱在普通溫度下大致不變，等于6。但在低溫下，則此數值便減小了。
　　解釋這個現象首先獲得成功的是愛因斯坦。他指出，如果能量只能以一定的單元或量子而被吸收，則吸收的速率必隨單元的大小而改變，因而必隨振蕩的頻率与溫度而改變。德拜從量子論推出一個与實驗符合的公式，特別顯著的例子是碳元素，其原子熱即使在普通溫度下，也隨溫度而改變，比較金屬的數值小得多。
　　依照量子論，光在發射与吸收的剎那間，即不是弗雷內爾的穩定以太波，也不是麥克斯韋与赫茲的連續電磁波。它好象是一團一團的微量的能量所組成的流；這些細團的能量几乎可以看做是光的原子，雖与牛頓的微粒不同類，而卻与之相當。這個現象与干涉現象的協調是留待將來解決的難題。如果將一線光分為兩道，而使其經過長短不同的路程，則這二路程雖相差至數千個波長，但在這兩道光的最后會合處，也可見干涉的條紋。又在大望遠鏡里看見的星像的衍射花樣，表明每個原子所發的光都充滿著整個物鏡。以前，人們認為這些事實足以證明光是以穩定的“波列”前進的，均勻地分布于几千個波長的距离之內，而且在橫向上擴展，足以充滿望遠鏡全部空間。
　　可是，如果使這顆星的光線落在鉀的薄膜上，則被星光所發出的電子，每個都有与該星光相當的量子的能量。這里，光的行動不象是波，而象是能量集中的槍彈。距离增大，則一定面積上所受到的槍彈必減少，但是槍彈沖擊的動量還是相等。另外一個現象即X射線使气体發生電离，也是光的舊理論難于解釋的。如果波陣面是均勻的，它對于其行程上所遇到的分子應發生相同的效應，但實際上每百万個分子當中或者只有一個被電离。有許多理由說明，這大概不是由于不穩固的分子太少。J．J．湯姆生等人說這現象是由于X射線与光并不按寬的波陣面，而只沿局部的以太絲（法拉第的力管）前進的緣故。
　　接著，量子論又表示光在另一方面也不是連續的。為了解釋全部事實和調和互相矛盾的觀點，湯姆生設想“光是由質點組成的，每一質點為一閉合的電力圈，并伴有一列的波”。德布羅意引用新近的概念建立一個理論，將波的性質和微粒的性質聯系起來，而成立一种新型的“波動力學”。一個運動的質點的性能像一個波群，其速度v与波長入和質點的速度u及其質量m的關系為λ＝h／mv，式內h為普蘭克常數。波的速度為c2／v，式內c為光的速度，而u為質點与波群的速度。于是我們不能不注意到這些現代的光的理論与牛頓想像的微粒和波的綜合体很相似。

　　原子結构

　　現代的原子理論開始于1897年，當時發現各元素都有陰電微粒，并且查明這些微粒即是電子。這一發現，也說明原子之所以有電的性質是由于其所含電子多于或少于電子的正常數目，而其光學性質則可以解釋為電子的振蕩。
　　勒納德早期的觀察表明，陰极射線能通過真空管內鋁窗而至管外。根据這种觀察，他在1903年以吸收的實驗證明高速的陰极射線能通過數千個原子。按照當時盛行的半唯物主義者的看法，原子的大部分体積是空無所有的空間，而剛性物質大約僅為其全部的10－9（即十万万分之一）。勒納德設想“剛性物質”是散處于原子內部空間里的若干陽電和陰電的合成体。
　　這個關于必需的陽電荷的說法不能使人滿意，于是J．J．湯姆生又進行了更有系統的嘗試來描繪原子結构。
　　湯姆生以為原子含有一個均勻的陽電球，若干陰性電子在這個球体內運行。他按照邁耶爾（Alfred Mayer）關于浮置磁体平衡的研究證明，如果電子的數目不超過某一限度，則這些運行的電子所成的一個環必能穩定。如果電子的數目超過這一限度，則將列成兩環，如此類捱以至多環。這樣，電子的增多就造成了結构上呈周期的相似性，而門得列耶夫周期表中物理性質和化學性質的重复再現，或許也可得著解釋了。
　　但是1911年蓋格（Geige）和馬斯登（Marsden）關于α射線撞擊物質時形成散射的實驗，使盧瑟福對于原子的性質采取另外一种看法。α質點的霧跡通常多是直線的，有時也有突然改變其方向的。陰電子加于α質點上的力勢必很小，不能造成這种散射。但如果假定原子為空格結构的复雜体，含有一個凝聚為小核的陽電荷，而陰電子在原子內的空處圍繞著核轉動，則上述的效應便可得著解釋。由于正常原子是中性的，所以，核里的陽電荷，必与所有電子的電荷之和量相等而性相反。而且由于電子的質量遠遠小于原子的質量，所以原子的質量几乎全部凝聚于原子核。
　　這一理論形成時，人們把原子看做是一個太陽系，把質重的核比擬為處于中心的太陽，而質輕的電子則類似繞核運轉的行星。長岡（Nagaoka）于1904年研究了類似系統的穩定性，但首先用實驗證据去支持這個看法的是盧瑟福。勒納德關于陰极射線的吸收的研究与后來其他的實驗表明，如果將原子比擬為以電子為行星的小太陽系，則原子內的空間，照比例說也必定象太陽系里的空間那么大。在這個行星式的電子理論中，牛頓物理學給予我們的先入之見，或許引導我們走得太遠了，以至超過事實所能保證的境界，但是，就陰极射線与放射質點的貫穿性而論，原子确是一個很空松的結构。
　　一個運動的電荷帶著一個電磁力場。由于它有能量，因而也必有慣性。所以一個電荷具有一個類似質量的東西，也許就具有我們所謂物質的基本成分的本質。如果以電荷為中心，畫一小球以代表電子，則与這球外的力場相聯系的有電磁質量。J．J．湯姆生据數學分析表明，除非電荷以极大速度運行，其電性質量為2e2／3r，式內e為電荷，r為其半徑。因此，如果假定所有的電磁能量都在電子之外，則根据已知的質量与電荷值，便可計算出其半徑。這樣算得電子的半徑為10[－18]厘米。如果假定半徑r很小，換言之，如果將電荷濃聚，則某有效質量也增大（參看下面所說的新的研究）。与電子相當的陽性單元，即氫的原子核，叫做“質子”。它的質量，基本上等于原子的質量，即陰電子的質量的1800倍。因此，如果假定所有質量都是有電性的，而原子核是圍繞著一個點狀陽電荷的球，則原子核的半徑就僅是電子半徑的1／1800，或約為5×10－17厘米。但須在此申明，這些估計是根据一項關于電荷分布的武斷假定。現在，這些估計的价值已經很可疑了。
　　這些概念在當時雖有幫助，而現在已經經過修改。但是我們仍須假定氫原子是由一個單位的陽電核和其外圍的一個陰電子所組成的。氨的原子核為四個質子及兩個与之緊聯的電子所組成。因為氫的原子量為1．008，而氦的原子量，如阿斯頓所測量的，為4．002，所以這個复核的形成，意味著一份質量的消失：4×1．008－4．002＝0．03及与之相當的能量的發射。重原子的放射性分裂，放出能量。因此我們認為一切原子部儲有能量，當其分裂之時，例如鈾的原子分裂時，都能釋放能量。但是這里的推論又表明，氦還原為氫要吸收能量——要使氦核分裂就必須做功。看來，輕的原子核形成時放出能量，而重的原子核分裂時也放出能量。這就可以解釋：為什么重的原子核有放射性，為什么自然界沒有比鈾更重的原子存在：它太不穩固了。由于a射線是飛行的氨原子群，所以，氦原子大概是組成其他較重原子的一部分材料。氦原子本身雖是四個質子或氫核所組成，但其結合很牢固，即使在a質點的冒險生涯中，也不能使它分离。所以其他原子大概是若干陽電單位（大概是氦核，有時還帶有氫質子）与若干數目較少的陰電子結成的复核所組成的。因為核內的電子的數目較少，核上呈現純淨陽電荷的數目n，即等于莫斯利的原子序數。其余的電子存在于核心的外圍。因為在中性原子內，這些外圍電子所荷的陰電的總和必須与核內的純淨的陽電中和，所以n也代表原子外圍電子的總數。
　　因為原子可被電离，而且依其化學价，可獲得一、二、三甚至四個單位的電荷，所以可以在一個原子中加入或減去少數電子，而使其性質無根本的改變。我們可以假設這些電子位于原子的外圍，別的電子在其內圈，更有些電子則成為原子核的必要的部分，而且一般是其穩固的部分。
　　以上說過，多數放射變化發射a質點。而a質點又是質量為4的氦原子，帶有兩單位的陽電荷。所以這种變化是原子核的崩潰變化。變化后的剩余物質量較原有的少四單位，而且變化時放出兩個陰性電子，以恢复其中性狀態：結果便成為一個新原子与新元素了。

　　玻爾學說

　　哥本哈根的玻爾（N．Bohr）于1913年在曼徹斯特的盧瑟福實驗室工作時，首先將普蘭克的量子論應用于原子結构的問題。他的工作是以當時物理學家所公認的行星式電子論為根据的。
　　當時已經知道：如果我們所考慮的不是光譜中通常的譜線波長，而是其在一厘米中的波數，則氫的复雜光譜呈現若干規律。當時發現，所謂“振蕩數”可以用兩個項的差數表示。第一項以發現者得名，叫做里德堡常數，即每厘米109，678個波。
　　這些關系完全是從經驗得來的，最初是靠揣測，最后才求得一項符合于實驗結果的算術規則。但是玻爾卻根据量子論提出了解釋。他指出：如果“作用量”只能以單位的整倍數被吸收，則在電子可以運行的全部軌道中，只有某些個是可能的。在最小的軌道上，作用量為一個單位或h，在第二軌道上，作用量為2h，如此類推。
　　玻爾假設氫原子的一個電子有四個可能的穩定軌道，相當于以單位數遞增的作用量，如圖13所表示的那樣。圖中的圓圈表示這四個穩定軌道，而其半徑表示電子從一個軌道跳至另一個軌道可能的六种躍遷。這里，玻爾拋棄了牛頓的動力學，而值得注意的是平方反比律仍可應用于假設圍繞原子核運行的電子，但是這些軌道本身又表現十分新奇的關系。一個行星可以在無窮多個軌道當中的任何一個軌道上圍繞太陽運動，其實際的軌道為其速度所決定。可是，玻爾假定一個電子只能在几個軌道當中的一個軌道上運動。它如果离開一個軌道必須立刻、好象不經過二軌道間的空間那樣，跳到另一軌道上去。由這個假設得出的理論上的結果，与通過實驗所确立的關于振蕩數的經驗規則相當符合。還可從這里計算出常數R的絕對值為每厘米109，800波，与上面所說的最近測定的里德堡常數之值异常符合。在這一階段，玻爾學說表現有其長遠而成功的前途。
　　輻射的各种不同的類型可以歸因于原子結构的各不同部分。X射線的光譜大都不受溫度或原子的化合狀態的影響。而可見光与紅外及紫外光的光譜則与這兩者有關。放射現象，上面說過，是原子核的爆裂造成的。現今所得的數据表明X射線起源于原子核外的內層電子，而可見光与紅外及紫外線則來自最外層的電子；這些外層電子比較容易脫离，因而是和凝聚力与化學作用有關系的。
　　假設一個或多個電子同時存在于互相化合的二原子內，則可給化合作用以很好的解釋。但如果圍繞原子核而轉動的電子理論來表示這种結合，則未免困難，因此在1916至1921年間，有人，特別是科塞爾（Kossel）、劉易斯（Lewis）与蘭格繆爾試圖創造靜止的原子模型。這种模型對于原子价与化學性質的解釋是成功的，但要想闡明光譜則不得不創設牽強附會的假設了。無論如何，當時的物理學家總是偏向于玻爾的動力的原子模型的。
　　無論采取哪一种原子模型，電离電位的事實，确是能級的基本觀念的有力的證据。1902年勒納德首先證明，電子經過气体時，必具有一定最低限度的能量，才足以產生電离。這最低的能量可以用電子為了獲得其速度所必須降落的電位的伏特數來量度。最近實驗的結果，如弗蘭克（Franck）与赫茲關于汞蒸气的實驗（1916－1925），證明當電位達到某一定伏特的倍數時，電离便達到某些明确的极大值。同時气体的光譜也發生了變化。例如弗蘭克与赫茲證明，具有4．9伏特所產生的速度的電子使低壓的汞蒸气發出具有一條明線的光譜。可以設想，這條譜線相當于玻爾原子內電子從第一外層回到其正常狀態的躍遷。自那時以后，正象玻爾學說所預期的，已經發現許多“臨界電位”，同突然出現的若干條或若干群譜線相當。薩哈（Saha）、羅素（Russell）、福勒（Fowler）、米爾恩（Milne）等研究了溫度与壓力對于光譜的影響。他們用熱力學的方法應用了這些新概念。所得結果在天体物理學上有很大重要性，而且在恒星溫度的測量方面揭開了新的一頁。
　　圖13所表示的圓形軌道，僅是氫原子的一個初淺的模型。玻爾与索末菲（Sommerfeld）都證明橢圓軌道也可產生同樣的系線光譜。他們也研究了其他更為复雜的原子系統，但數學上的困難很大，因為互相吸引的三体的運動不能以有限的項數來表達。
　　關于玻爾原子的文獻很多，進展也很不少。其結果与光譜的粗略結构大体相合，很足以使人相信這個學說在正确的途徑上前進。但是這個學說雖然能說明氫和電离氦的線狀光譜，卻不能解釋中性氦的原子光譜的精細結构，以及其他重原子的复雜結构。譜線的數目与電子從一能級到另一能級的可能躍遷數，不再相符。于是一時极為成功的玻爾原子學說漸露破綻，到1925年就顯然逐漸破產了。

　　量子力學

　　玻爾的原子模型，把電子比擬為運轉的行星。這個模型遠离觀察到的事實，超出万無一失的范圍。對于原子，我們只能從外面進行考察，觀察進去的与出來的東西，如輻射或放射質點等。玻爾所描繪的是至少可以產生原子的某些性質的一种机制。但是別的机制或許也可以產生同樣的作用。如果我們只見時鐘的外面，我們可以想象有一套推動時鐘指針的齒輪，使指針的轉動与我們所看見的相同。但是別人也可想象有另一套齒輪，与我們所想象的一樣有效。二者孰是孰非，無人可以斷言。此外，僅僅研究一個体系中熱量与能量的變化的熱力學，也并不能利用原子觀念所描繪的內部机制的圖象。
　　1925年，海森堡只根据可以觀察到的事實，即原子所吸收或發射的輻射，創立了量子力學的新理論。我們不能指定一個電子某一時刻在空間中所占的位置，或追尋它在軌道上的行蹤，因而我們無權假設波爾的行星式軌道的确是存在的。可以觀察到的基本數量是所發出的輻射的頻率与振幅以及原子系統的能級。這些數量正是這個新理論的數學公式的依据。這一理論已經由海森堡、玻恩（Born）和約爾丹（Jordan）迅速加以推進，并從另一觀點由狄拉克（Dirac）迅速加以推進，而且證明，從這一理論可以推出巴爾默關于氫光譜的公式，以及觀察所得的電場与磁場對這一光譜的效應。
　　1926年，薛定諤從另一個角度來解決這個問題。他發揮了德布羅意關于相波与光量子的研究成果，根据“質點由波動体系組成，或者說只不過是波動体系而已”的觀點，導出另外一個理論。這個理論，在數學上實与海森堡的理論等价。他以為，運載這种波的介質具有散射性，如透明物質之于光，或高空電离層之于無線電波（413頁）一樣。所以周期愈短，速度愈大，而兩种頻率不同的波有同時共存的可能。
　　正如在水中一樣，一個單獨的波的速度与波群或浪的速度并不相同。薛定諤發現：計算兩個頻率組成的波群的運動的數學方程式，与具有相當動能与位能的質點的通常的運動方程式相同。由此可知，波群或浪在我們面前表現為質點，而頻率則表現為能量。這就立刻導致最初出現在普蘭克常數h中的能量与頻率的不變關系。
　　兩個振蕩很快、以至不能看見的波，可以因為相互干涉，而產生表現為光的一些“拍”，正如兩個音調相差不遠的聲晉，可以產生音調比任何一個都低的拍一樣。在含有一質子与一電子的氫原子里，波一定依照方程式的規定而存在。而薛定諤發現，只有在确定的頻率，即与觀察到的譜線相同的頻率的情況下，這些方程式才有解。遇到較复雜的原子，玻爾學說本來已經失去效用，薛定諤卻還能求得頻率的正确數目，以解釋光譜的現象。
　　如果薛定諤的波群中的一個很小，則無疑地可以指出表現這個波群的電子的地位。但隨著群的擴大，電子可在波群之內任何地方，因此位置便有某些不确定。這些原理在1927年由海森堡加以推廣，后來又由玻爾加以推廣。他們發現：愈是想把質點的位置測定得精密些，則其速度或動量的測定將愈不精密；反之，愈是想把質點的速度或動量測定得精密些，則其位置的測定將愈不精密。總之，我們對于位置的必然不确定度与對于動量的不确定度相乘，無論如何近似地等于量子常數h。要同時确定兩者的想法，似乎在自然界中找不到對應的東西。愛丁頓將這一結果叫做測不准原理，并且認為這一原理与相對論有同等的重要性。
　　新量子力學在習慣于革命的物理科學中又掀起了革命。海森堡、薛定諤和其他學者的數學公式是等价的。我們如果滿足于這些數學方程式，對于這個理論便會有相當的信心。但是這些方程式所根据的觀念，以及某些人給与它們的解釋，卻根本互不相同。我們很難說這些觀念与解釋可以維持很久，不過表現這些觀念和解釋的數學卻是一個永久的收獲。
　　古典力學已經成為量子力學的极限情況。古典力學之所以不能解釋原子結构，是由于波長与原子的大小相近，正象當光束的寬度，或其行程中所遇的障礙物的大小与波長相近時，几何光學中所說的直線光束，也就失卻其意義一樣。即使在這時，要把量子力學与古典動力學与麥克斯韋的電磁方程式以及与万有引力的相對論聯合起來，似乎也有可能。如果能夠把知識作這樣廣泛的綜合，這种理論將成為自然科學中有歷史意義的偉大綜合之一。
　　薛定諤的理論必須聯系電子的實驗來考慮。這些實驗，如德布羅意的理論所表示的，證明一個運動的電子伴隨有一系列的波。湯姆生的微粒。起初被看做是漫無結构的質點，繼后被認為是電子，一個陰電的簡單單位，不管這具有什么意義。但到了1923年和1927年，戴維森（Davisson）与耿斯曼（Kunsman）以及戴維森与革末（Germer，當時在美國工作）先后使運動緩慢的電子自晶体的表面反射，而發現它們具有波動系統的衍射性質。同年稍后，J．J．湯姆生爵士的儿子喬治·湯姆生以一電子束通過一個异常之薄的，比最薄的金箔還薄的金屬片。我們知道，質點流會在薄片后面的底片上產生一塊模糊的影家，但波長与薄片厚度相近的波，會產生明暗相間的圓環，与光線通過薄玻璃或肥皂膜所產生的衍射花樣相似。事實上，喬治·湯姆生所得到的确是這种圓環。這說明，運動的電子伴有一列的波，這些波的波長僅是可見光的波長的百万分之一，而与有相當貫穿力的X射線的波長相近。
　　根据理論，如果電子伴有一列的波，則電子必須和這些波作協調的振動。因此，電子也必有它的結构，它也絕不再是物質的成電的最小單位了，即令在實驗中也應該是這樣。于是人們開始想象還有更小的部分。數學的研究表明，電子的能量与波的頻率成正比，而電子的動量与波長的乘積為一常數。由于原子中僅有某些波長与頻率，所以，電子的動量也只能有某些數值，并且不是連續地增加，而只能突躍地增加。這個非連續性的表現使我們又回复到量子論。
　　要解釋喬治·湯姆生的實驗，就需要假定電子具有雙重性質：既是質點（或電荷），又是波列。上面說過，薛定諤走得更遠，而認為電子是一种波的系統。波的性質是不确定的。波必須符合某些方程式，但可能不具有机械式的運動。而這些方程式可能只符合概率的交替，這一項在正常波里，度量位移量，可以給出電子出現在某一給定點的概率（机遇）。
　　于是在原子被分為電子之后三分之一個世紀，電子又被分為一未知的輻射源或一無形体的波動系統了。昔日的堅硬而有質量的質點的最后一點痕跡已經消失，物理學的基本概念似乎已經歸結為數學方程式了。實驗物理學家，特別是英國人，對于這种抽象概念很是感覺不安，企圖設計一种原子模型，而從机械或電的角度去表達這些方程式的意義。但牛頓早已見到，力學的最后基礎絕不是机械的。

　　相對論

　　光線傳播需要時間，是丹麥天文學家勒麥（Olaus Romer）在1676年發現的。勒麥發現木星的一個衛星兩次被食之間所經歷的時間，在地球背木星而行時較長，在地球向木星而行時較短。他由此估計光速為每秒192，000英里。
　　五十年后，英國皇室天文學家布萊德雷從恒星的光行差求得与此一致的結果。從地球軌道面上的遠星看地球，好象每年左右擺動一次，在相繼的兩個半年中，它的擺動方向是相反的。如果這顆星射出的光線擊中地球，那么這條光線的瞄准方向必須在地球的前面少許，正如射擊飛鳥必須瞄准飛鳥的前面一樣。所以，如果星光現在射到地球真正位置的右邊，則六個月以后便會射到它的左邊。這意味著：我們在不同的時季所看見的遠星射來的光線，不是互相平行的，在一年內看見雖好象在空間往返運動。從這個表面的運動，可以計算光速与地球在其軌道運行的速度之比。
　　斐索（Fizeau）在1849年首先對光經過地球上的短距离的速度作了測量。他將一束光通過齒輪上兩齒間的凹處，再于三、四英里之外，用反光鏡將光反射回來。如果齒輪不移動，則反射回來的光束通過輪上的同一凹處，可在對面看到。但如果將齒輪急速轉動并調節其速度，則最后可找到一個速度，使射回的光束恰被下一個齒輪所遮住。齒輪旋轉這個小角度所需的時間，顯然即是光束往返于齒輪与反光鏡之間所經歷的時間。
　　弗种設計了一個更好的方法。使從S縫（圖14）射出的光束略成會聚的形式，然后在平面鏡R上反射，而聚焦于凹面鏡M上。這束光由M循原點射回。如果R是靜止的，則S縫的影象將形成于S縫的本身上。然后以已知的速度使R急速轉動，當光線往返于RM的距离時，R鏡已經轉過了一個小的角度，因此光的回程RS’与RS不复疊合，而轉動了二倍于R鏡所轉的角度。于是測量SS’間的距离，便可計算光往返于RM間所需的時間。
　　
　　光速最新的測量結果，比從前測量的稍小，即在真空內，為每秒186，300英里或2．998×1010厘米，或在1／1000的誤差內取為3×1010厘米。
　　如果的确有光以太那樣性質的東西，那么由于它對于通過它的光要產生影響，顯然應該可以測定其運動。如果地球在以太中運動，而不扰動它，則地球与以太之間必有相對運動。那么光隨以太順行時，其速度必較其反以太逆行時為大；而總計起來，它往返橫過以太流時，也當較其一次順流、一次逆流時為大。好象游泳一樣，往返對岸一次，必較順流、逆流同游相等距离的情形為速。
　　這就是邁克爾遜（Michelson）和莫利（Morley）在1887年所作的有名實驗的要點。他們將一塊石頭浮于水銀之內，然后將儀器裝置在石頭上面，以防振動。光束SA（圖比）行至玻璃片A時，一部分為其所反射，一部分透射過去。這兩部分光在B和D處又為B与D兩鏡所反射。如果AB＝AD，則兩道光的行程也相等，而在E處的望遠鏡內必可察見有干涉效應。今若沒想地球朝SAD方向運動，而不拖曳以太同行，那么以太將流過實驗室，也如風之流過樹林，于是將使光經過ABA与ADA兩行程的時間發生差异，而所得的干涉條紋，將和以太相對靜止時不在同一位置。今若將這儀器轉過一個直角，則AB成為運動的方向，而AD和它垂直，這時，干涉條紋應向相反方向移動。移動的總量為以上所說的兩倍。
　　
　　但是邁克爾遜和莫利并沒有觀察到干涉條紋有可以度量的移動，于是斷定地球与以太之間并無可以察覺的相對運動。重复做這個實驗的結果表明，在他們的假設下，這种相對運動，必然小于地球在其軌道上的速度的十分之一。地球好象拖曳著以太同行。
　　可是在以先行差計算光速時，我們假設以太不被地球在以太中的運動所扰動。而且洛治1893年在兩個以（或超過）最大安全速度轉動的重鋼版之間，測量光的速度，也未發現光速有任何改變。由此可見，質量這樣大的東西并不拖著其附近的以太同行。那末光行差的理論和從洛治實驗中得出的推斷，似乎又和邁克爾遜及莫利的實驗結果完全不一致了。
　　當我們得到這樣相反的結果時，如果我們還相信自然的統一性，使我們就可以斷定：我們的實驗和我們對于起作用的原因的看法，總有一個發生了錯謬；一個富有興趣而且必需的觀念上的革命就在我們的眼前，只看我們能否領悟。
　　解決這個矛盾的第一個有用的看法是菲茨杰拉德（G．F．Fitz-Gerald）提出來的，又經過拉摩与洛侖茲加以發展。如果物質在根本上是帶電的，或者物質的确是靠電力結合在一起的，那么，物質在帶有電磁性的以太中運動時，在其運動的方向上或有收縮的可能。這种收縮除上述的現象之外，別無他法觀察；一則因為效應太小，再則因為我們用以測量的尺度本身也受同樣的收縮，因而在其運動的方向上，長度的單位也變短了。所以邁克爾遜与莫利的儀器，于轉變方向后，也變更其大小，以至与地球經過以太時所產生的干涉條紋的移動相抵消了。
　　這种必需的收縮是容易計算的。物体在以太流的運動方向上將按（l－u2/c2）1/2均告的比例收縮，式中u為物体和以太的相對速度，c為不變的光速。
　　地球在其軌道上的速度為光速的万分之一。如果在一年的某時這是它經過以太的速度，則邁克爾遜与莫利的儀器于轉動一直角時將收縮二万万分之一，這种微量的改變足以解釋他們的結果。
　　這個問題停頓在這里若干年。無論其原因何在，所有測量光速的企圖，不管是以太流順行或逆行，都得到相同的結果，即測得的速度沒有可以覺察的改變。
　　1905年，愛因斯坦教授對于這問題，從另外一個完全新穎的方向加以考慮。他指出：絕對空間与絕對時間的概念是想象中的虛构，一种形而上學的概念，而不是直接由物理學的觀察和實驗得來的。我們經驗所能及的唯一空間，是用尺度上二刻度間的距离所規定的長度標准來測量的，唯一時間是用天文現象所規定的時鐘來測量的。如果我們的標准也發生了菲茨杰拉德收縮這樣的變化，這种變化是我們覺察不到的，因為我們和這些標准一道前進，也發生相同變化，但是，以不同方式運動的觀察者卻是可以覺察到這种變化的。所以時間与空間，不是絕對的，而只是与觀察者相對的。
　　這樣看來，用任何儀器、在任何情況下測量，所得的光速總是一樣的事實，便不須解釋了。必須承認，這個結果是新物理學第一次發現的定律。這樣，可知由于時間与空間的性質，相對于任何觀察者，光總是以所測得的相同的速度進行。
　　這個測定的速度總是一樣的，但是我們對空間、時間与質量作個別測量時，不論是時間、空間或質量都沒有表現出我們習慣于預期的那种但常不變性。邁克爾遜与莫利的儀器，用我們不變的標准（光速）對它加以檢驗，在轉動時并不表現長度上有變化。這是由于我們跟隨著它運動。但是，如果在槍彈飛過時，我們能足夠准确地測量其長度，我們應發現它較靜止時為短，而且它的速度愈近光速，它的長度也就愈短。
　　這個實驗很難實行，但用相對性原理很容易證明：射彈的質量對于靜止的觀測者表現增大，而且依照長度縮短的比例而增大。設mo為低速時的質量，則高速u時的質量為mo／[1-u2/c2]，式內c為光速。因此速度達到光速時，質量為無窮大。質量的改變可以用實驗證明。測定以近于光速的速度經過我們身邊的射彈的質量，是現代科學的奇跡之一。爆裂的放射原子所射出的B質點，可以使其經過電場与磁場，而測量其速度与質量，象測量陰极射線質點的速度和質量時一樣。假設以速度不大的B質點的質量為1，則下表第二行為：根据相對論計算的、速度近于光速的B質點的質量，第三行為考夫曼根据實驗測量所得的B質點的質量：
　　質量与緩行質點質量之比
質點的速度每秒厘米數
質量与緩行質點質量之比
計算值 實值
2．36×1010 1.65 1.5
2．48×1010 1.83 1.66
2．59×1010 2.04 2.0
2．72×1010 2.43 2.42
2．85×1010 3.09 3.1

　　B質點為陰性的電子，運動時等于電流。所以它們能產生具有能量与慣性的電磁力場。J．J．湯姆生与西爾（G．F．C．Searle）按照這個推理的路線，計算過質量隨速度增加的數值，得到了相同的結果。所以質量的增加，象菲茨杰拉德的收縮一樣，是与電磁理論相符合的。
　　而且根据相對性原理，質量与能量是等价的。一份質量m，若以能量表之，則為mc2，這里c是光速。這也是与麥克斯韋的電磁波理論相符合的。按照這個理論，電磁波具有的動量等于E／c，這里E表示它們的能量。而動量為mc，于是我們便又提出E＝mc2了。
　　由此可見，這些原理引出了新奇意外的結果。如果我們在飛机（或以太机）內，能以近于光速的速度飛行，則我們在運動方向上的長度，据地上觀測者的測量，似已縮短，我們的質量似已增大，而我們的時計也較一般的變慢。但是我們自己并不覺察有這些變化。我們的尺子或已收縮，但是我們和我們四周的一切均已收縮，所以我們不覺其變化。我們的法碼或已增加質量，但我們也是一樣地增加了。我們的時鐘或許走得較慢，可是我們腦里的原子也運動得慢了，所以并不知時鐘走慢了。
　　但是，因為運動是相對的，地上的觀測者也正以我們對他運動的相等速度，對我們運動。所以我們對他加以測量時，便會發現他的尺度、質量与時間，也對我們表現變化，正如我們的這些量對他表現變化一樣。自我們看來他好象在運動的方向上，產生了畸形的收縮，具有与其身体不相稱的質量，而在身心方面遲鈍得可笑；同時他對我們也有同樣的觀感。雙方都不覺得自己的缺陷，而對于對方的悲慘變化卻看得很清楚。
　　我們不能說兩方的觀測者哪一個是錯誤的。的确，雙方都是對的。長度、質量与時間并非絕對的量。它們真正的物理數值，就是由測量所表示的。它們對雙方不一樣這一事實說明，它們的意義只能相對于某一觀測者而規定。絕對長度、絕對空間、絕對時間或甚至時間流動的觀念都是形而上學的概念，遠遠超過觀測或實驗所表示或證明的。
　　雖然如此，如柏格森（Bergson）所指出，在哲學的意義上，對于一個隨著某系統運動或在某系統內運動的人來說，所度過的那段時間，即用以測量這個系統中的事件的時間，具有其特殊的、獨一無二的重要性。但是在物理的意義上，時間与空間，單個來考慮，則是隨觀測者的位置而定的相對的量。不過，明可夫斯基（MinkoWski）于1968年指出，時間与空間的變化互相補償，因此，這兩者的結合，就是在這新世界里對于所有的觀測者也都是一樣的。我們慣于想象的空間，有長、寬、高三維，而明可夫斯基指示，我們必須把時間看做是“時空結合体”里的第四維，一秒鐘相當于186，000英里，即光在這時間內所行的距离。正如歐几里得几何的連續空間中，兩點的距离，無論如何測量都不變更一樣，在這新的時-空連續區里，兩個“事件”之間可以說有一個包括時間与空間的“間隔”，這間隔無論何人測量，都有它真正絕對的數值。我們覺得在這個變化不定的世界中，在這里找到了一种穩固的東西，因而想在這個相對性的王國內去尋求其他能保持其絕對性的量。在我們已知的量里，我們認為下面几個仍屬絕對的量：數，熱力學的熵，以及作用（作為量子的能量与時間的乘積）。
　　在空間与時間互不相干的舊世界里，人們習慣于把三度空間的整体看做是同時隨著時間過去的。世界的過去和將來之間，好象隔著一個“現在的平面”，這個平面在同一剎那間伸展至空間的全部。但自1676年勒麥發現光以有限的速度進行以后，人們必定認識到，同時出現的星星實際上存在于不同的過去時間（現其不同的距离而定），至今才同時為人所看見；這樣“同時”的意義便消失了。昔人信念中的絕利的“此時”變成僅僅是相對的“所見的此時”了。
　　科學中最近的發展已增強了相對性的觀念。假設一位以光速旅行的人，游歷星球，而在一年以后重返地球。在我們看來，在他飛行對，其質量好象大至無窮，而其腦筋的反應慢至無窮。我們覺得長了一歲，而他則以為時間毫未過去，他還停留在我們去年的“此時”。由此可知，認為過去与未來為一平面所划分，這個平面對于所有地區和所有人類都一樣，這一類概念必須擯棄。必須從愛丁頓所謂的“此地－此時”（here－now）的一點，在空間繪出几條“所見的此時”（seen－now）線，与時軸（time－axis）成一角度，而這個角的正切等于光速。在這樣繪出的三維面（類似于二維的一對錐形或滴漏形的曲面）內任何一處，我們可以找到一個絕對過去与絕對未來。在此以外，事物可以在任何觀測者都覺得是不同的時間中同時存在。將過去和未來分開的劈形中立區可以叫做絕對的現在或絕對的地處，視我們從時間的角度還是從空間的角度去看它。
　　
　　我們憑直覺意識到的時間自過去到未來的流動，在可逆的物理學中，是沒有對應的。普通動力學系統（無論其為地上的或天文的）的運動方程式，從正反兩個方向去了解都一樣；我們不能從牛頓的公式說明行星朝哪一方向圍繞太陽運行。
　　但是，在熱力學第二定律和孤立系統中熵循一個方向向极大值增加的例子里，我們可以找到一個只能向一方進行的物理過程。因為互相沖撞而形成的分子的無規律散射，只能使這些分子接近于誤差律所規定的分配速度。除非我們召喚麥克斯韋的“魔鬼”把各個分子控制起來，或守候長久的時期，以待分子因巧遇而聯合成群，否則，只有賴時間的倒流才能使這個混雜的過程逆轉。如果我們看見速度相等的分子逐漸類聚成群，我們可斷言時間在倒流。熱力學第二定律，熵增大的原則，說明一個重要無比的自然過程，相當于人類意識中時間一去不回頭的前進。

　　相對論与万有引力

　　1894年，都柏林的菲茨杰拉德說：“重力可能是由于物質的存在使以太結构發生變化所致。”這句用舊物理學的語言說出的話，表達了愛因斯坦1915年把廣義相對論應用于万有引力所得的結果。他證明空間的性質，尤其是光的傳播現象表明，除非是在無窮小的區域內，明可夫斯基的時－空連續區和黎曼的空間相似，而不是和歐几里得的空間相似。
　　在這种時－空里，有些天然路線，同三維空間里，我們所慣于想象的，物体不受外力作用時所走的直線一樣。既然拋射体向地球墜落，行星圍繞太陽運行，可見這些路線靠近物体時即發生彎曲。因此，在物質的附近，必定有某种類似“時－空曲率”的東西存在。另一物体進入這彎曲的區域時，即循一條一定的路線走向或環繞這團物質而運行。的确，當我們從質量的角度而不是從電的角度去著想時，現今所謂物質的意義，不過是有這种曲率存在的時－空區域而已。如果我們阻止這第二物体的自由行動，如借椅子或地面的分子的沖撞使其停止的話，我們就是對它施力，但這物体卻覺得這是由于它自身的“重量”所造成的。
　　這种效應容易用電梯加以說明。當電梯開始上升時，它受到一個加速度。這加速度在乘客看來，好象是其体重的暫時增加；增加之量，的确象普通重量一樣，可用彈簧秤去衡量的。加速度的效應与所謂万有引力場中的暫時增加的效應完全相同，而且現在還不可能用我們已知的任何實驗方法把這兩個原因區別開來。
　　不過，如果現在讓這電梯自由墜落，乘客將不會感覺他們在運動。如果有一乘客釋放其手中的苹果，它不會比電梯墜落得更快，而仍將留在乘客身旁。這個首次把相對論運用于万有引力的“等价原理”，是愛因斯坦在1911年提出來的，數學上的困難是几年以后才得到解決的。
　　由此可見，牛頓關于万有引力的假設可以是不需要的。物体向地球墜落或圍繞地球而運行，也許只是跟著它在時-空彎曲區域內的自然路徑運行而已。
　　計算表明，這個理論的推論与牛頓的理論大致相同，——就一般觀測的精确度而言，大体上是一樣的。但是，對于一兩個現象，卻可以設計一种決定性的實驗。其中最有名的一個是光線為太陽所偏折的觀測。根据愛因斯坦的理論，算出的這种偏折度是根据牛頓的理論算出的二倍。觀測這种微小偏折的唯一方法，是在日全食時拍照太陽圓面附近的星象。1919年日全食時，愛丁頓、克羅姆林（Crommelin）分別在几內亞灣的普林西比島和巴西兩處進行了這一觀測。結果表明接近太陽的星象，同遠离太陽的星象相比，有所移動，而且移動之量适与愛因斯坦的理論相符合。
　　其次，水星軌道每世紀有42角秒的差异，是牛頓的理論所不能解釋的，但為愛因斯坦所闡明。他算得的數字為43角秒。
　　第三，按照相對性原理，原子在万有引力場內振蕩應當較緩慢。平均說來，太陽光譜中的譜線，由于太陽上的重力較強，与地上相當光譜的譜線相比，應該向紅色一端移位。這個預期的移位很難查出，但是實驗數据的比較。表示其确實存在。在密度大的恒星的光譜內這种位移較大，有人已經在假定其為真确的前提下，應用這一學說來測量恒星的密度。
　　由此可見，要想作精密的計算，牛頓的理論是不及愛因斯坦的理論的。在量子論与相對論兩個方向上，現代物理學似乎正在擺脫伽利略時代以來一向指導物理學而卓有成就的基本概念。新的思想須有新的工具去表達。在某些方面，事情已經很清楚，領導現代科學經過兩個光榮世紀的牛頓動力學，已經證明不足以擔負現今知識所賦予的任務了。就連原來是古典力學基礎的物質的概念，至今也歸于消失。所謂物質占有空間而歷時不滅的基本觀念，今已失其意義，因為空間和時間既非絕對的，亦非實在的了。現今所謂物質，只是時－空中發生的一串事件，以未知的而或有因果關系的方式相聯系。由此可知，相對論已加強了最新原子理論所得的結果。牛頓的動力學仍能預測物理現象至高度的精确，仍能解決天文學家、物理學家与工程師的實際問題，但作為最終的物理概念，他的理論只留其榮譽于歷史中了。
　　從廣義相對論推導自然定律的最好方法或許就是1915年希爾伯特（Hilbert）所應用的最小原理。亞歷山大里亞的希羅曾發現反射光所走的路線，常使其所經行的總距离為最小值。十七世紀費馬把這一原理發展成為一個普遍性的原理——最短時間原理。百年以后，莫佩屠斯、歐勒与拉格朗日又把它發展為動力學的最小作用原理，而哈密頓于1834年表明，一切万有引力的、動力學的和電的定律都可以表達為最小值的問題。希爾伯特證明：按照相對論原理，万有引力的作用在于使時－空的總曲率成為最小值，或如惠特克（Whittaker）所說：“万有引力不過是代表宇宙要伸直自己的一种連續努力而已。”
　　廣義相對論馬上就廢棄了由万有引力而生机械力的觀念，重力成為時－空的一种度規性質。但是帶電或磁化的物体仍然必須看做是受了力的作用。韋耳（Weyl）等人曾企圖把電磁体納入廣義相對論理論中，但未完全成功。1929年，愛因斯坦宣布，他研究出一种新的統一力場理論。這种理論認為空間是一种介乎歐几里得空間和黎曼空間之間的東西，這樣一來，電磁力也就成了時－空的一個度規性質。
　　1929年，愛丁頓宣布，他在另一個問題上把不同概念協調起來。電子的電荷e以hc／2xe2的組合形式出現在兩個電子的波動方程式里，式內h為量子的作用量，c為光速。愛丁頓根据量子論与相對論算得這個組合式的數值為136，而根据米利根最近測得的e值，算得這個組合的值為137．1。這里的誤差已超過實驗的可几誤差，但其近似也頗饒興趣。的确，所有這一切現代的概念很有可能在一個新的物理的綜合下統一起來。

　　物理學近況

　　本書第六章所敘述的熱力學的基本原理引導湯姆生与焦耳對气体的自由膨脹進行實驗，因而促成絕對溫標与氫和氨的液化（234頁）。以后的年代里，這些方法被應用到工藝上去，于是為工業提供大量的液態空气与其他液態气体，并使物理學家、化學家、工程師得到极低的溫度。在大气壓力下，氫的沸點為－252．5℃，氦的沸點為－268．7℃。這里可以有趣味地指出，1931－1933年間，卡皮查（P．L．Kapitza）為液化氫与氦設計了一种新型的絕熱儀器。這是一种具有松弛活塞的往复机。气体在液態空气或氮里冷卻，在机器內受到25－30個大气壓，然后使其從活塞和圓筒之間的縫隙間逃逸出去。這樣气体就得到進一步的冷卻，終于為湯姆生－焦耳的方法所液化。利用現代儀器所造成的低溫，离絕對零點還不到一度的几分之一。
　　泰勒（Geoffrey Taylor）爵士用數學方法与實驗方法研究，而且接近于提出一种完善的理論。他的研究結果在很多方面可以應用于湍性流体在管道里的流動以及晶体的受范形變，在气象和航空上，用途尤廣。
　　卡皮查于1924、1927年和以后的年代中，先在劍橋、后在莫斯科提出了一個測定金屬的磁性和其他某些磁效應的新方法。這個方法的基本特點是在若干分之一秒的時間內，給繞在試件上的測試線圈通以強大電流，快速工作的目的是為了避免過熱；在通電時間內，實驗是依靠自動裝置來進行的。起初，電源是用一組緩慢充電、快速放電的蓄電池；后來用一台2000千瓦的單相交流發電机，當發電机通過測試線圈短接時，電能量的供給是依靠儲藏在發電机轉子里的動能。當電動力等于零時，自動開關接通了電路；當電動力再一次等于零時，自動開關就將電路斷開。這樣一來，僅僅半周波交變電流起作用，作用時間大約為1／100秒。發電机的繞組經過特殊的設計，可以產生頂部平坦的電流脈沖波，因此在這很短的時間內，磁場几乎保持不變。磁場可以達到几十万高斯的程度。實驗裝置的造价很高，需要大規模工藝設備制造，需要建造特殊的實驗室來安放它們。線圈和發電机相距20米，在短路沖擊到來前，整個實驗就結束了，而這种沖擊以每秒2000－3000米的速度，通過地面傳向實驗裝置。
　　卡皮查与斯金納（H．W．B．Skinner）在第一個厂房用13万高斯的磁場研究了塞曼效應。卡皮查在第二個厂房測量了鉍和黃金的晶体的電阻率。他們發現磁場的變化弱的是按平方律，強的是照線性律；在室溫到液態空气溫度之間的溫度范圍內測量了35個金屬元素。1931－1933年間，利用卡皮查設計的液化氫和氦的新儀器，在相當大的溫度范圍內，測定了許多物質的磁化率。
　　本書376頁介紹過熱离子學的初期研究工作。理查森爵士首先詳細地研究了電子在真空里從熱体逃逸的現象，而且給以完整的說明。同時他在光致發射方面的研究也有助于解釋物質与輻射間的相互作用。他也研究了和化學作用有關的電子發射，對于填補紫外光譜与X射線光譜之間的缺隙也有相當的貢獻。最近理查森更應用新量子論去解決氫光譜和氫分子結构的問題。
　　人們為了研究現代物理學，發明了許多新儀器，這些新儀器也引出不少新的問題与其解答。在這些新儀器之中，我們必須提到電子顯微鏡。上面講過，電子流在磁力作用下，离開其直線路徑而偏折，正如光線為透鏡所偏折一樣。而且正象透鏡可以借光線而形成一個放大的像一樣，磁力也可以用來在照片底版上形成一個圖案。因為与電子有關的波的波長是光波波長的百万分之一，所以這些波能夠給微小的物体造成一個明晰的形象。例如病毒，已被拍照下來，還有人嘗試把分子那樣大小的結构，拍照下來。
　　電磁波的理論應歸功于麥克斯韋（1870），電磁波的第一次發現歸功于赫茲（1887）。電磁波在無線電報与電話上的使用靠了兩种發明：（1）馬可尼（Marconi）將天線用于發播和收集信號，并使足夠的能量發生作用；（2）上述熱离子管研究成果的應用。
　　赫茲和早期的實驗者所用的電磁波是感應圈所發出的電振蕩；這些電波因阻尼大，很快便消失了。但無線電波的傳遞需要連續而無阻尼的列波。如果將熱的燈絲和電池的陰极聯接，再使燈泡里的一個金屬板和陽极聯接，燈絲所發出的電子便會形成連續的陰電流，從燈絲傳到金屬板。可是將電极互易，使無顯著的電流通過。可見熱离子管可以用作整流器，使半波通過，半波受阻。如果用鐵絲网作成柵极，放在熱燈絲与板极之間，而且使其帶陽電，它便加強電子的發射，因而增加了熱离子流。但是，相反地，如使其帶陰電，則會使熱電子減少。當電位發生逆轉時，電流往返振蕩，于是交流便重合在直流上。將這些往返的振蕩通過變壓器的原電路，再從劇電路回去，給柵极以其固有的交流電位，這樣便維持住儀器的作用。由此可見熱离子管有兩种用途，即發射穩定的無阻尼的列波，并于接收時起整流的作用。使這些調整后的電流產生每秒100至10，000次的斷續，再使其經過電話机，便可發出一個相當于音頻的聲音，因而形成了無線電話。
　　從無線發射出去的能量，可以分為沿地面傳播的地波和在地平線上空傳播的天波。天波，保持其能量的距离比較其在空間自由傳播時所可以預期的要大得多。電波之所以能在長距离上傳遞，是由于日光使地球高空大气電离，而成為了導体。這一部分大气叫做電离層，也叫做肯涅利-亥維賽層（Kennelly－Heaviside layer）。這個名稱是按照首先發現它的兩個人的名字命名的。電波進入這一導電區，受到反射与折射而回到地面，如果距离相當長，電波又由地面反回電离層，如是往返數次，好象在甬道里傳達一般。靠了研究長距离無線電波的形態，獲得許多關于電离層或多層電离層的知識。從事這一工作的先有阿普頓（Appleton）爵士与巴尼特（Barnet），后（1925）有美國的布賴特（Breit）与圖夫（Tuve）。后兩人使用的是短暫的脈沖波。1926年，阿普頓證明，高出地面150英里還有一個反射或折射層，比其他層的電性更強。這种反射使無線電波的行徑發生彎曲，因而使環球傳遞成為可能。同一原理也應用于無線電定位，即現今所謂的雷達技術。
　　固体反射電波，因而在發射處產生回波。這一原理在戰爭時期有极大的价值，導至1939－1945年間雷達在各方面的惊人發展。
　　脈沖方法可用于大多數目的。一個電振蕩器發出一個厘米波的猝發輻射，有時歷時不過百万分之一秒，由磁控電子管供給以足夠的能量。這种磁控電子管是伯明翰大學的一個工作組設計的一种裝置。利用天線使能量集中于一個十分确定的波束里。這束波在空間搜索，正如探照燈之照亮遠物一般，因而可以發現遠處的船只、飛机、飛彈、地形，甚至即將來臨的風暴中的雨點。回波被他拍接收机所捕獲，而在陰极示波器上表現出來。
　　1940年，英國的雷達發現了敵人飛机的來襲，在不列顛戰役中起了很大的作用，使少數人能夠拯救很多人的生命，繼后与美國合作，證明盟軍的雷達的优越性，大有助于贏得最后的胜利。
　　海戰与航海也因此發生了革命性的變化。由于雷達可以定出遠處的船位，因而可以在敵艦還沒有出現在視線內時便開始攻擊。雷達不受黑暗的妨礙，它可以導引船只穿過霧气，安全入港，且可以導引飛机到達轟炸目標而又返回基地。

　　核型原子

　　上面說過，放射物質所發射出的帶有陽電荷的質點在云室里的蹤跡，通常都是直線的，但是偶爾也可以觀察到方向的驟然改變。1911年，盧瑟福根据比較間接的測量導出這些罕見的偏折，因而他想象原子的中心有一個微小的陽電核，在碰撞時把a質點排斥出來。
　　起初原子被看做是一個行星系的結构，陰電子環繞核心，在牛頓式的軌道上運行。但是上面說過，量子論的創立与應用，在原子的概念上引起了一場革命。新理論的主要特點在上述的那個時期里已經建立。但是在以后的年代里又掀起另外一場觀念上的革命，主要是由于發現了原子內新型粒子并且發現了產生、計數和使用它們的方法。
　　
　　在敘述這些新的粒子以前，我們必須追溯一下阿斯頓等人在元素及其同位素的原子量的知識方面所取得的巨大進展。阿斯頓的質譜儀（第一部質譜儀規時陳列在南肯辛頓科學博物館內），是根据J．J．湯姆生研究陽射線的儀器的原理制成的。玻璃球B（圖17）為水銀唧筒維持在低壓下，其中盛有要研究的元素的揮發性化合物，或者是這种元素的鹵鹽所构成的陽极。陽极在A，陰极在C，其中穿有一隙縫S1。從陽极來的經過陰极隙縫的陽射線，再經過第二隙縫S2形成一個狹窄的陽射線束。這一窄束又經過兩絕緣板E1和E2之間，這兩极同200－500伏的電池組的兩极聯結，這樣，這一射線束就展開成為一個電波譜。再利用兩個光欄將這波譜的一部分隔离，然后使它在電磁鐵M的兩极之間經過。兩個接地的銅版F保護這些射線，不受偶然的電場的影響，于是射線形成隙縫的聚焦像，而落在照相底片上。電磁力所造成的偏折，使速度不同而有相同的e／m（電荷-質量比）值的射線，聚焦在底片的同一點上。
　　如果取一條譜線作為已知，把它与未知電磁場里的其他譜線比較，便可測定原子射彈的相對質量。或者將磁場維持不變，調整電場，使未知譜線占据已知譜線先前所占的位置，也可以根据電場的強度算出相對質量。這兩個方法均可以將已知和未知粒子的質量加以比較。這個儀器所給出的測量值僅僅取決于質量，所以叫做“質譜儀”是很恰當的。第一台儀器所測得的質量，誤差為1／1000，第一台改進到1／10，0000芝加哥的登普斯特（Dempster）發明了另一种儀器，內有磁場使射線彎曲成半圓形。還有一种質譜儀是哈佛的班布里奇（Bainbridge）所設計的，可以用來進行很精密的測量。
　　1919年，阿斯頓的第一台質譜儀使用之后，研究成果紛至沓來。兩條确定的譜線證實了湯姆生研究氖的結果，在某一時規里差不多每個星期都有新的同位素發現。1933年，阿斯頓在他的《質譜与同位素》（Mass Spectra and Isotopes）一書中說：“在一切已知有相當數量存在的元素里，現在只有18個還沒有分析過”。到1935年，人們已經知道有250种穩定的同位素了。最复雜的元素好象是錫，它有11种同位素，其質量數目112至124。根据這些實驗，普勞特首先提出的原子量是整數的規律，已經得到證實。210這個數字以下，差不多每一個數字都有一個穩定的基本原子。許多位置，兩次或三次被某些同位素占去，它們叫做“同量异位素”，換句話說，即是重量相同而化學性質不同的原子。
　　如上所述，α和β粒子的性質已為盧瑟福早期關于放射現象的研究所肯定了。a粒子是氦原子核，根据阿斯頓的測量，它包含一個4．0029（氧取為16）的核質量和一個陽電荷＋2e，即兩倍于電子上的陰電荷-e。a粒子運動的速度在每秒2×109厘米或10，000英里左右。氫原子核或質子，包含1．0076的質量与一陽電荷＋e。伯奇（Birge）指出，事實表明有氫的重同位素存在，同時吉奧克（Giauque）与約翰遜（Johnson），繼后有梅克（Mecke），根据觀察帶狀光譜的結果，取得質量為17与19的重氧存在的證据。
　　1932年尤雷（Urey）用分餾法發現氫的同位素，其質量為2，等于正常氫的兩倍，在一般氫元素里僅占1／4000。這种重氫（2H）叫做“氘”（D）。如果使電荷從其中通過，有些原子失掉一個電子，而成為正离子，被人叫做“氘核”。它們好象是質子和中子聯系在一起的結构。瓦什伯恩（Washburn）把普通水電离，得到一种新物質：重水，其中氫為其同位素氘所代替。重水為劉易斯所分出，密度比尋常水大11％，而其冰點与沸點也不相同。現在已能制造重水，中性氫（1H）的質量可以更准确地測定，其值為1．00812。
　　還有另外一些時常穿過大气而來、貫穿力更強的射線，可以在威爾遜云室內探測出來。它們的來源好象在宇宙空間里。這些年來有很多人去研究它們，特別是米利根和他的同事們。這問題可以說開始于1909年，起初是格克耳（Gockel），后來是海斯（Hess）与科赫斯特（Kolhorster），都發現驗電器放在升空气球上，比在地面放電更快。這說明位置愈高，造成電离的射線愈多。1922年，包溫（Bowen）与米利根將這些實驗拿到55，000呎的高空去做，1925年米利根与卡梅倫（Cameron）將驗電器逐漸下沉到70呎深的沒有鏡的水里而發現放電率連續減少。在以后的年份里，有些觀測者走得更遠。這些射線的貫穿力比地上任何射線都大。地磁對于這些射線的效應，說明其來源不在高層大气里。而且，這些射線的強度晝夜都是一樣，因而它們不是從太陽而來的。當銀河不在南半球的地平線上時，仍然有這些射線，因而它們的來源也不在我們的星系里，所以它們當是從銀河系以外的天体或自由空間而來。
　　這些宇宙射線的能量可以根据其穿透力加以粗略估計。安德生（Carl Anderson）与米利根首先做了比較精确的測量。他們使宇宙線通過很強的磁場，而觀測其偏折。能量在6O億（6×10[9]）電子伏特左右相當确定的范圍內變化。安德生于1932年利用這儀器發現具有陰電子質量的陽性粒子。這种陽電子，早由狄拉克据理論預言其存在。這种粒子后來被命名為正電子。讀者當記得，以前已知的最小的陽性粒子是氫原子的核（質子），其質量約2000倍于電子。正電子的發現又使我們對于物質的概念發生根本性的改變。
　　和其他帶電粒子一樣，正電子穿過物質時產生電磁波。宇宙線的頻率比X和Y射線為高，其范圍在每秒1022至1024周，而可見光的頻率只有1014周。這些頻率不是直接測定的，而是將能量除以普蘭克常數h而算出的。
　　1923年，康普頓根据量子論，提出可以和電子与質子相比擬的輻射單位的概念，他將這個單位命名為光子。如果一個光子以足夠的能量打擊一個原子核，特別是重原子核，一對正-負電子同時出現于云室里。這是1933年布萊克特（Blackett）与奧基亞利尼（Occhialini）首先提出，不久即為安德生所證實的。這類成對的電子的動能約為160万電子伏特，而入射光子的能量為260万電子伏特。這100万電子伏特的差數可以量度電子對的“固有能量”，是具有輻射能量的光子的物質化，這表現輻射轉化為物質。反之，假設正負電子互相湮滅，就有兩個電磁輻射的光子，每個的能量為50万電子伏特，從相反的兩個方向射出。這個設想于1933年經提博（Thibaud）与約里奧（Joliot）由實驗加以證實。
　　在海平面處已經發現具有三、四十億（109）電子伏特的宇宙線。它們常以簇射（陣雨）的形式出現。在14，000呎高的尖峰山（Pike’sPeak），這現象尤其常見。根据貝特一海特勒（Bethe－Heitler）的簇射形成理論，一個入射高能電子先將其能量轉化為“沖擊光子”，這光子產生電子對，每個電子重演這一過程，直到所有的能量一律降低，成為低能的光子与電子。從地球外面來的正射線可能不會達到海平面，至于在云室里所觀測到的高能正負射線，可能是在大气里形成的次級宇宙線。1934年，安德生与尼特邁耶爾（Neddermeyer）假設具有高度貫穿力的蹤跡是質量在電子与質子之間的粒子的蹤跡，這种粒子經安德生命名為“介子”。這兩位物理學家于1938年證實了他們的假設，測量得這些粒子的質量為電子質量的220倍，1939年別的觀測者又量得為200倍，而質子的質量約為2，000倍。由此可見，要說明物質的結构，需要一個多么复雜的圖案！
　　在大多數的情形中，宇宙線里的粒子多是電子而很少質子。這表示宇宙線在進入太陽系以前不可能穿過很多物質；這樣它們的來源好象不可能在銀河系里的恒星上，而必須在銀河系外的空間。
　　宇宙線的成因与來源仍然是一個只能猜度的謎。人們提出的假設有如下几种：（1）電子經過某一天空靜電場降落而形成說，（2）經過雙星磁場形成說，（3）按照愛因斯坦方程式mc2＝E，物質質量一部或全部轉化為宇宙輻射說。蘊藏量最丰富的元素可能釋放的能量由110至280億（1．1至2．8×1010）電子伏特，一半射向一方，另一半射向反對方向。所以一半所給出的能量在5至14×109電子伏特之間，觀測所得的數值大致也是這樣。
　　上面講過，1919年盧瑟福發現，用a粒子轟擊某些元素，例如氮，引起原子的變化，因而發射出運動迅速的氫原子核（質子）。這發現不久即為布萊克特所證實。他在威爾遜云室里拍照了質子的蹤跡。這發現是在受控原子變化實驗方面取得巨大進展的起點。這些受控原子變化實驗取得了惊人的成果。當波特（BO比）使質量為9的鈹元素受到這樣的轟擊時，他得到一种貫穿力比鈾射出的最硬的Y射線還強的新輻射。1932年，查德威克（James Chadwick）爵士證明這种輻射的主要部分不是Y型的射線，而是一些運動急速不負電荷的粒子流，其質量大約与氫原子相等。取得這些粒子的方便辦法就是，將几毫克的鈾鹽与粉末鐵混合，而封閉在一管內，這种粒子即從管壁逸出。由于這些粒子不負有電荷，因而稱為中子，在其行程里，它們可以自由地通過原子，而不造成電离。
　　下表列舉了1944年已知的粒子，無疑以后還有更多的發現：
名稱 質量（單位：電子） 電荷
電子（β粒子） 1 －e
正電子 1 ＋e
介子 200 ±e
質子 1800 ＋e
中子 1800 0
氘核 3600 ＋e
α粒子 7200 ＋2e

　　除了這些算作物質的粒子之外，還有作為輻射單元的光子。宇宙真是复雜而神秘。
　　費瑟、哈金斯（Harbins）与費米（Fermi）證明中子，特別是慢中子，雖然不能引起電离化，但卻可以十分有效地促進原子核變化。它們不象a粒子那樣受帶正電荷的原子核的排斥，因而容易進入較密的原子核，而改變其性質。例如使用滲透有鋰鹽的底片進行實驗時，在顯微鏡里便可看見相反的兩個蹤跡。使用硼，特別是用一种鈾的輕的同位素，也可發現類似的變化。
　　居里－約里奧夫婦用a射線直接轟擊這些輕粒子，得到一些新的放射物質。例如硼受了a射線轟擊一會之后，便發出正電子流。其放射性的衰變和正常的放射性相似，是時間的几何級數，在11分鐘內衰減一半。這种植變可以下列化學方程式表示：
　　10B＋4He→14N→13N＋中子。
　　氦核14N因具有過多能量，是不穩定的，于是分裂為比較穩定的13N与中子。然后13N更緩緩地轉變為穩定的碳原子与正電子：
　　13N→13C＋Σ＋。這种放射性的氦可以作為具有氦的化學性質的放時气体收集起來。
　　人們已經利用a射線、速質子，特別是慢中子使很多种物質變成放射物質，其中慢中子就是對于最重的元素也是有效的。以上只敘述了用直接間接由放射物質得來的各种粒子轟擊元素而造成元素的受控嬗變的情況。這樣直接間接由放射物質得來的粒子為數不多，因此多年來物理學家希望發明人工制造有效的強粒子流。后來這种希望是實現了。
　　在氫或其同位素氘里放電，可以得到大量的質子与氘核，但要使它們達到造成嬗變所必需的高速度，必須在很強的磁場里把它們加速。要取得高達百万伏特的高電壓，便需要大型的工藝裝置，并需用現代的高速唧筒，以維持高度的真空。
　　科克拉夫特（Cockcroft）与瓦耳頓（Walton）在劍橋進行的實驗是這方面的開路先鋒。他們利用一套電容器与整流器將變壓器的電壓增高，現在所期望的是用大型裝置取得具有200万伏特電壓的直流電，它能產生長20呎的火花。還有一种靜電裝置是華盛頓的范·德·格拉夫（Van de Graaff）所設計制造的，這裝置內有一傳輸器，不斷地將電荷送入一個中空金屬絕緣球去，以致達到500万伏特的高電位。
　　加利福尼亞的勞倫斯（E．Lawrence）教授發明一种加速器，名叫“回旋加速器”，离子在這裝置里經過一個交流電場，和与之正交的磁場。這個裝置使質子和氘核循半徑遞增的螺旋形的路徑而運動，間續地進出于電場。為了達到交流電位的某一特定頻率，离子總是在電力處在可以把离子進一步加速的運動方向上的時候進入電場。這樣，勞倫斯得到了質子和氘核的強粒子流，其能量高達1600万伏特，而具有100微安的電流。這樣獲得的效果等于16公斤的純鐳所射出的α粒子。
　　這一類的裝置無异是將极強有力的武器放在實驗者的手里。科克羅夫特与瓦耳頓證明，可以用大約十万伏特的質子，使鋰与硼產生人工的嬗變。從這种電壓以至回旋加速器的几百万伏特，現代的實驗室現在有了一系列能量范圍很廣的可以引起嬗變的射彈。
　　鋰有質量為6和7的兩种同位素。在質子的轟擊下，有時一個質子進入7Li的梭。這樣產生的8Be不穩定，立即分裂為兩個快速的a粒子，即氦核，循相反方向射出。如果用氘核代替質子去作射彈，6Li捕獲一個氘核之后，又產生一個8Be的核，但具有大量的剩余能量。這种8Be的核也象前一個反應一樣，分為兩個a粒子，但具有比質子進入7Li而產生的a粒子有更大的速度。7Li捕獲一個氘核之后形成9Be，再立刻分裂為兩個α粒子和一個中子。
　　這些不過是奧利芬特（Oliphant）和哈特克（Harteck）首先加以研究的嬗變的几個例子。僅借兩万伏特就可以引起這种嬗變，來加速氘核射彈。以后還研究出許多复雜得多的變化。從實驗獲得許多新同位素，如質量為3的氫（3H），質量為3的氦氨（3He）。根据其釋放的能量，可以算出這兩种同位素的質量：
　　2H ＋2H ＝1H ＋3H＋E
　　2．0147＋2．0147＝1．0081＋2H＋0．0042
　　氫和氘的原子量就是阿斯頓用質譜儀算出的數值。至于上式中所釋放的能量E值是根据觀測質子在空气中的行程（14．70厘米）而算出的這种行程說明質子的能量為298万伏特。釋放出的能量的3／4應歸于質子的動能，因而E的總值為397万伏特。根据愛因斯坦的理論，質量与能量是等价的；質量減少dm相當于釋放c2dm的能量（這里c表光速，以每秒厘米數計為3×10[10]），所以与397万伏特相當的質量為0．0042，因而3H的質量為3．0171。
　　勞倫斯和他的同事們利用在回旋加速器里形成的、能量為1600万伏特的高速氘核去轟擊鉍，把它轉變為放射性同位素，同天然放射性產品鐳E相同。這是一個很有興趣的成果。同樣質量為23的鈉或鈉鹽被高速氘核所轟擊，產生質量為24的放射性同位素。這种放射性的鈉分裂時，發出一個β粒子，而形成質量為24的鎂的穩定核，其半衰期為15小時。因此勞倫斯得到強的放射納的源，可以作為鐳的代用品，用于醫療工作。
　　查德威克与戈德哈伯（Goldhaber）使用γ射線將氘核2D分裂為質子与中子。齊拉德（Szilard）將質量為9的鐵（9Be）分裂為8Be与一個中子。這一方法能否發展；取決于能否取得高能強γ射線。
　　在這一時期里得到250多种新的放射性物質。這些不穩定的同位素可能存在于太陽上，也可能存在于剛從太陽分出的地球上，但是隨著地球變冷，它們便消失了，只留下衰變期很長的鈾和釷了。
　　這些人工變化里，有些能量變化甚至比天然放射性分裂中的能量變化還要大。例如21，000伏特的氘核可以使一個鋰原子變化，而發出2250万伏特的能量。因此可以贏得大量的能量，初看起來好象可以在這里得到原子能的無限源泉。可是在一億（108）個氘核中大約只有一個可以發揮作用。所以出入相抵，我們所要供給的能量超過所獲得的能量。而且就中子而論，中子自身只能用效率极低的方法獲得。在1937年，的确，看起來好象用人工改變的方法從原子中獲得有用能量，并沒有多大希望。在這一點上，我們應當記得，在應用科學的歷史上，以前希望沒有這樣大的前景，都曾經使得宗教界的先知們惊恐万狀過。事實上，1939年哈恩（Hahn）和邁特納（Meitner）就發現當鈾原子被中子撞擊時，它的核分裂為兩個主要成分，各占其質量的一半左右，而且出現二、三或四個中子。乍一看來，這好象就是我們要尋找的壘集過程，但事實上只有一种鈾的輕的同位素（其原子量為235而不是238）可以分解到有用的程度，可是只有微量的存在。首先發現質量為235的鈾的是登普斯特，明尼蘇達的尼爾（Nier）和紐約哥倫比亞的布思（Booth），鄧宁（Dunning）与格羅斯（Grosse）旋即研究了它的分解。同樣的過程也發生于釷。那時許多實驗室异常努力地從事這些同位素的分离。雖然困難很大，但是由于戰爭的刺激，很快就把這個工作推向高潮。起初輕的鈾235須從成分很大的U238分出，或用小孔彌散法，或用阿斯頓的質譜儀法。分量少時，由于中子的逃逸，不能引起連鎖反應，因而這物質是穩定而無害的。可是如果將無害的兩塊物質放在一起，而超過一定的份量，分解就逐漸壘集起來，并引起巨大的爆炸。
　　化學反應是由原子外圍的電子的變化引起的，這种爆炸卻是由于原子核的破裂所致，自然是一件可怕得多的事情。一磅鈾所發出的核能等于很多吨煤燃燒時產生的熱能量。
　　原子量為238的鈾可用以捕獲中等能量的中子，而發射出電子。這個過程形成一种以前未知的元素，被命名為鈽（Pu）。
　　為了和平的目的，可能需要用“緩和劑”來吸收一些在核反應中釋放出來的中子，借以控制而且減緩核反應。有些輕的原子，如石墨形態的碳，及前面說過的重水里氫的同位素，都可用作緩和劑。鈾238可以插入緩和劑的“堆”中，所釋放出來的熱能可以用來發電。
　　在1939－45的戰爭期間，美英兩國的物理學家、化學家与工程師，群策群力，共同合作，在制造原子彈方面和德國人展開了生死攸關的競賽，并且在這一競賽中取得了胜利。龐大而复雜的原子工厂在美國一個空曠地區建立起來，1945年投在日本的兩顆原子彈結束了戰爭。留給各國政治家的工作便是控制核能的使用，以期使它為人類造福而不是造禍。我們面前擺著可怕的危險，也許核能的威力會使各國恐懼，從而迫使各國走上和平的道路。戰爭的消除當是科學的最大胜利。
　　同時原子研究的和平應用，已經為戴爾爵士等人所開始了。一個最顯著的例子便是所謂“示蹤元素”的使用。靠觀測這類元素的性質，可以查明它們存在与運動的蹤跡，其中最好的也許是某些放射物質。現今已有數量多得多的同位素作為原子堆的副產物，供入使用，因此在近年內示蹤元素的應用發展异常迅速。放射原子可以混合在有机物內，作為動物的飼料，這樣食物在体內的運動，可以用蓋格－彌勒計數器去追蹤它。我們可以不夸大地說，放射性示蹤元素為生物物理學与生物化學打開了一個完全新穎的領域，且給予醫療界一個新的診斷法。
　　還有，放射物質的大量生產已經使放射治療變得更容易、更便宜了，例如用以毀滅癌性組織。
　　還可以把示蹤劑混在肥料里，靠估計農作物內的放射性，來測量肥料在農業生產上的效果。總之，示蹤元素用途之廣，差不多可以說是無限的。
　　物理理論的新發展，通常總是使人們要找到描述現象的數學方程式，比從物理學上加以解釋，要容易。例如海森堡与薛定諤的量子力學，通過解決簡單的例子建立起普遍的數學公式，后來才提出一些物理學的解釋，例如狀態的疊加和測不准原理，也導致了一种滿意的非相對論的量子論。
　　要使量子論成為相對論性的，狄拉克也覺得解決數學方面的問題很容易，可是在解釋上卻有困難。他的解釋最好用初始的与過渡的机遇來表示。這樣，物理學如往常一樣，仍然停留在概率演算的領域。
　　愛丁頓在我們所期待的物理學的新綜合方面，取得一些進展。由于他把物理常數，如質子与電子的質量以及它們的電荷等等的理論數值与觀測的數值加以比較，而得到很顯著的符合，他成功地把万有引力、電力和量子論聯系起來。關于現代物理學這方面的問題，可參看弗倫克爾（J．Frenkel）的一篇綜合敘述。

　　化學

　　化學變化的動力學，在現代是一個不斷研究的主題。阿累利烏斯首先提出：在一定量的物質里，只有一定數目的分子參与化學變化，而且這數目是隨溫度而增加的。這一理論現在看來是可疑的。現在人們以為這些分子，是由于“碰撞”，才變得運動迅速，從而起活化作用，就是在單分子的反應中也是如此。
　　氨与硝酸鹽是農業肥料所需要的。硝酸鹽也是制造開礦用的炸藥和軍用炸藥所必需的。有一個時期，大家害怕（特別是克魯克斯）智利的硝酸鹽礦用完后，化學肥料會變得不足，世界小麥的供應也會變得不足。我們看見只有在戰爭時期才發生過這個現象。在正常和平時期是沒有這個現象的。植物育种者已經培養出小麥的變种，可以适應北方的寒冷區域，因而擴大了种植面積，化學家也用合成方法制出了氨与硝酸鹽。
　　卡文迪什曾將電火花在空气里通過，而得到酸。一百年后挪威的伯克蘭（Birkeland）与艾德（Eyde）把這一方法加以大規模的發展。奈恩斯特（Nernst）与約斯特（Jost），繼后，哈伯（Haber）与勒·羅西諾爾（Le Rossignol）研究了氨、氮和氫在各种溫度与壓力下的平衡，并且利用各种催化劑的幫助，于1905年前后研究出一种實驗室方法，從空气制成了氨，而且到1912年，哈伯的方法已經在工業和軍事的用途上取得了成就。這是由于在1914－1918年的戰爭期間受了德國需要硝酸鹽的巨大刺激的緣故。這個方法就是使氮与氫在200或更高的大气壓与500℃的溫度下，在一种催化劑上面流動。再使氨与硫酸或硫酸鈣起作用，而變成了硫酸氨，或將加熱的氨和空气一道通過象鉑絨那樣的催化劑，使氨變成硝酸氨。
　　一百多年前開始研究的一些催化劑，現在對于化學的動力理論与許多化學工業，起了很重要的作用。催化劑很久以來就用于象哈伯法那樣的反應中，近年來應用得更廣。將氫气通過混有鎳屑的熱油液，油便氫化，而變成一种熔點較高更可口的脂肪。在高壓下使氫气通過碳粉与煤焦油混合的熱糊劑，并用一种适當的催化劑，可使其氫化。生成物經過蒸餾，便成為汽車用的輕油、中油和重油。催化劑用途的例子，多至難以一一列舉。
　　莫斯利的元素表中的缺空，現在已經差不多填滿了。1925年，W．和I．諾達克（Nodack）使用X射線分析，發現了43和75號元素，而命名為鎝与錸。1926年B．S．霍普金斯（Hopkins）宣布他發現了61號元素僅（Ⅱ即叵Pm）。這或許還沒有得到完全的證實、周期表上的倒數第二個缺空——一個元素屬典類名成（At）——于1940年由加利福尼亞大學的科森（Corson）、麥肯齊（Mackenzie）与西格雷（Segre）發現。他們在回旋加速器里，用a質點轟擊鉍而發現這個元素。
　　盧瑟福-玻爾的原子理論，經過修改以后，使我們對于化學結构有了一個電子的概念。電子可以占据的軌道或能級，由主量子數n＝1，2，3等等規定，這也表示殼層里的電子的數目。這些能級上可以存在的最多的電子數是由下列級數（里德堡級數）給出：2×12，2×22，2×32等，外層最多的電子數是8。一滿了8這個數，使特別穩定；這种情況發生在除氦以外的一切惰气中；在n＝1時，氦有兩個核外電子，而氫只有一個。到了鈉，開始形成量子數為3的另一個新的電子殼層，到了氬而滿額。氫的電子結构是2，8，8。
　　這一理論給原子价的學說提供了物理學的根据。化合可以看做是電子從一個原子遷移到另一個原子去。原子价代表一個原子必須獲得或放棄的電子數。這個原子必須獲得或放棄這么多的電子，才能形成一個電子結构同最鄰近的惰气一樣的体系，或者說形成具有8個電子殼層的体系。化合也可以由于兩原子共用一些電子而發生；這种原子价叫做共价。牛津的西奇威克（N．V．Sidgwick）對這一原子价理論闡釋得特別詳細。
　　如果兩個原子的軌道共用兩個電子，它們便是靠所謂共价鍵結合起來的。如果兩個電子不是均等地共有，則一個原子具有多余的陽電，另一個具有多余的陰電。這個分子將具有极性，并且具有偶极矩，這等于一個電荷同兩電荷之間的距离的乘積。這些极矩可以根据介電常數（電容率）或不均勻磁場里磁束的偏折度估算出來。雷德（Wrede）、德拜，還有西奇威克与包溫，都對偶极矩進行過研究，以此作為探索化學結构的指針。單質分子如H2、O2沒有偶极矩，因此是均等地共有電子，但是HCI有一极矩，為1．03×10-18靜電單位，原子間的距离是1．28埃；其他化合物也是這樣的。
　　波動力學在化學上也如在物理學上有其重要性，特別表現在共振原理上。共振的發生是由于一個分子由一電子結构跑到另一電子結构中，并且表現出兩者的某些性質。
　　原子發射出線狀光譜，但從分子可以得到帶狀光譜，其分子的組態也可以測定出來。一束單色光經過透明物体時發生散射，由此而形成各种頻率的輻射——散射介質的特征（斯梅卡耳-拉曼效應）。哈特利（W．N．Hartley）等人新近證明，結构相似的化合物在紫外區有相似的吸收光譜。他們還從分子結构的觀點，研究了紅外吸收光譜。
　　勞厄首先提出用X射線考察晶体結构，先后有弗里德里希与基平，布拉格父子（384頁）加以研究。這种研究表明，氯化鈉的立方晶体由鈉离子組成。每個鈉离子為六個氯离子所包圍，相同地每個氯离子也為六個鈉离子所包圍。金剛石里每個碳原子都處在四面体的中心，而与角上的四個碳原子互相束縛。這种緊密的結构說明金剛石的硬性。用X射線對二苯基晶体的分析表明，它具有六個碳原子組成的環形結构，和凱庫勒由苯与其衍生物的化學現象推斷的一樣。新近羅伯森（J．M．Robertson）等人將傅立葉級數的方法應用于□与□，以測定許多化合物組成原子的排列方向和化學鍵的性質。X射線也被用于考察合金、無机与有机化合物，都有成就。
　　對于晶体結构的分析，不但可以利用X射線進行，也可利用電子衍射進行，因為以上講過，運動的電子挾帶有波列，而可表現干涉現象等等。由電子衍射和X射線所得的結果是相合的。德拜使用X射線研究晶体粉末，后來發現用相似的方法，對液体与气体也可以得到干涉花樣，并且可以測定原子之間的距离。1930年，維耳（Wierl）更使用了改進的方法。
　　凱庫勒發現的苯的環形結构式以及范特-霍夫和勒·貝爾的碳原子結构成四面体的理論，成為立体化學的偉大結构的基礎。如果承認碳原子的四個价電子作四面体的排列，則价電子鍵之間的角度將是109度28’。如果形成環狀，由于正五角形的角為108度，一列五個碳原子，首尾兩端必然互相接近，形成環狀，鍵間很少應變，因而很穩定。W．H．珀金（Perkin）（子）制出了具有3、4、5和6個碳原子的環狀的化合物，近年來，化學家，特別是索普（Thorpe）与英文爾德（Ingold）等人證明，從一個碳原子出來的兩個价電子之間的天然角度，顯著地受到所附的基團（如甲基團）的影響，因而應變可以減少，穩度可以增加。這种環結构出現在許多天然物里。如范特-霍夫所預測的，旋光性出現于不對稱的分子，可是卻沒有不對稱的碳原子。梅特蘭（Maitland）和米爾斯（Mills）已經證明丙二烯型化合物的情況就是這樣，它們的分子并不具有對稱面。化學這一分科的大發展是靠了X射線分析的應用，因為這种分析將原子和分子的結构，表現得异常明白。
　　建立在煤焦油基礎上的化學工業，范圍极其廣闊。它從理論科學產生，而反轉來對理論科學有很大的影響。翁韋多本（Unver－dorben）与霍夫曼（Hofmann）從煤焦油分离出一种名叫苯胺（安尼林油）的物質。霍夫曼還證明煤焦油里有苯。W．N．珀金（父）于1856年用重鉻酸鉀處理硫酸苯胺，而得到紫色或紫紅色的安尼林；這是首創的安尼林染料，以后發明了很多种這類染料。1878年，在庫珀（Coupef）和凱庫勒奠定的基礎上，E．和O．費舍（Fischef）首先闡明了它們的化學結构。他們證明玫瑰苯胺（一品紅）、洋紅等的來源是碳氫化合物，三苯甲烷。這工作引出許多新染料和合成這种染料所必需的中間体。后來格里斯（Griess）制成具有偶氮基團（N：N）的偶氯化合物。這又導出一個新系的偶氮染料。
　　茜素染料，如土耳其紅，于1868年合成，跟著而來的有□□的其他衍生物。約在1897年，從苯基甘氨酸制出的工業藍靛，開始將天然藍靛逐出市場，使印度的种植者破產。
　　染料在工業上雖屬重要，藥物對于人們的福利更有貢獻。有机藥物的合成時代開始于解熱藥，如安替比林（1883），止痛劑非那西汀（1887）与水楊酸，即阿斯匹靈（1899）。這些藥物的發現，創立了現代的化學治療學碩，主要的創始人當推歐立希（Paul Ehrlich，1854－1915年）。他制成一种醫治馬病的藥物与一种名叫鹽酸二氨基聯砷酚（即六１六）的砷化合物，能殺滅在人体內造成梅毒的螺旋体菌（1912）。尿素的一种复雜衍生物，于1924年為富爾諾（Four－neau）所制成，能消滅造成昏睡病的寄生虫。以后几年，一系列以氨苯磺胺和磺胺□啶等磺胺類藥物為基礎的合成藥，由梅（May）与貝克（Baker）合成，叫做M.B.693，對于控制傷害人畜引起很多疾病的鏈球菌和肺炎球菌都很有效，而磺胺胍成了痢疾的特效藥。
　　起初這些藥物并無理論的基礎，到1940年菲爾茲（FildeS）、伍茲（Woods）与塞爾比（Selbie）才證明，磺胺類藥物的作用在于阻止病原菌獲得它們生長所必需的另一种同族物質，名叫對氨基苯甲酸。這個成就表明進一步探討的方向應當是研究細菌的代謝，尋找細菌所需要的物質，并找出防止細菌利用它們的方法。
　　青霉素最初是由弗萊明（A．Fleming）爵士在1929年從筆毫霉制出并命名的，后經牛津的弗洛里（Florey）等人加以研究，并證明比磺胺類藥物更有效。
　　在帝國化學工業的曼徹斯特實驗室里，于1945年發現一种抗瘧疾的特效藥名“白樂君”（Paludrine）。殺虫藥也經人研究，一种能殺昆虫而于人畜無害，名叫六氯化苯（即六六六）的殺虫藥制備成功了。
　　維生素的最新研究成果要在生物化學欄內作總的敘述，但關于維生素的結构与合成的敘述，很自然地要放在化學欄里來。維生素A是生長必需物，其成分為C20H30O，卡勒（Karrer）提出了一個結构式，說明它的化學反應及其与它的前身胡蘿卜色素的關系。維生素B1，有抗神經炎的功能，為哥倫比亞大學的威廉斯（Williams）所合成。抗坏血病的維生素C，存在于綠色菜蔬与柑屬水果里，其結构式比較簡單，表示如圖18。這种維生素先經人提取，后于1933年為伯明翰的霍沃思（Haworth）合成，現在稱為抗坏血酸。
　　
　　以上講過，有机化學的基礎在于碳原子具有互相結合為复雜結构的能力。大致類似的能力也為硅所具有，近年來也變得很重要。
　　1872年，馮·拜爾（Von Baeyer）發現酚（石炭酸）与甲醛化合成為一种樹脂物。1908年，貝克蘭（Baekeland）發現這种樹脂在鹼性的催化劑內加熱，變成一种有塑性的物質。這叫做“電木”，在以甲醛為基本材料的反應中還取得了其他塑料物。它們可以用作漆料、釉料，并可用來制造留聲机唱片、飛机骨架等。
　　橡膠于1892年由蒂爾登（Tilden）用异甲基丁二烯合成。1910年，馬修斯（Matthews）發現金屬納可以促進异甲基丁二烯的聚合化，但現今异甲基丁二烯已經由碳氫化合物，丁二烯或氯丁二烯取代了。這些合成物常加在天然產品內。
　　合成有机化學家對照相術作出了很多的貢獻。起初，他們制成了顯影劑（焦性沒食子酸等），繼后制成一些染料，這些染料使膠卷對光譜可見區与不可見區的不同的光線都具有感光作用。由于制出對于紅外光具有感光作用的照相乳膠，几哩以外的對象，也可攝得清晰的形象，這用普通底片是辦不到的。照相術對于許多學科，自天文學以至微生物學都很有幫助。
　　費舍對于單醣的基礎研究工作（253頁），為許多人所繼續，他提出一個敞開的鏈形結构式，不過，人們現在公認的是霍沃思所提出的六成分型環形結构式。伊爾文（Irvine）与霍沃思和美國的赫德森（Hudson）使用甲醚研究象蔗糖那樣的雙糖。開始了氨基酸的現代研究的也是費舍。但迄今為止用合成方法制出的結构最复雜的多□類合成物，雖然分子量超過1300，還是离蛋白質很遠。蛋白質可以分為兩類，其分子量分別為35，000与400，000的簡單倍數。現在雖然通過動物纖維的X射線研究，得到了蛋白質分子結构的形象，但仍有相當距离，人們還不能合成蛋白質。
　　現代的物理与化學儀器，比五十年前的复雜得多了。個人很少能夠建立起一個實驗室。業余愛好者雖然在過去對于科學作出了不少的貢獻，但他們的時代似乎過去了。現在大多數文明國家的政府都資助研究工作。英國將補助費送給各大學和皇家學會去進行基礎研究工作，至于工藝的研究則交給科學与工業研究部、醫學研究理事會或農業研究理事會去掌管。

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