α、β、γ射线的发现
α、β、γ射线的发现
19世纪末，贝克勒耳、居里夫妇发现的放射性现象在世界科学界引起了巨大的震动。这种特殊的射线是从哪里来的?它是由什么构成的?人们非常渴望有谁来揭开这一科学现象的神秘面纱。于是科学家纷纷行动起来，开始探索和研究放射性的本性，其中英国物理学家卢瑟福取得了最辉煌的成就。
杰出的青少年时代
厄内斯特·卢瑟福1871年8月31日出生于新西兰的纳尔逊。他的祖籍是英格兰，祖父和外祖父都是从英格兰到新西兰的第一批移民，世代为农民兼手工业者。
卢瑟福有十个兄弟姐妹，童年生活相当贫困，因此他从小就目睹到父辈为全家人的温饱而辛苦操劳。从进入学校的第一天起，他就树立起一个坚定的信念:除非好好学习，否则长大后就会和父辈一样当农民。
卢瑟福是个好学生，从小学毕业之后，他一直是依靠奖学金完成中学至大学的全部学业。为了保证及时得到奖学金，他所有功课的学习成绩都是最优秀的，这不但有他擅长的数学、物理等理科课程，还有并不感兴趣的历史、法语、拉丁语、希腊语等文科课程。人们对青少年时代的卢瑟福的一致评价是:这是一个坦诚俭朴、令人喜欢的青年，虽然带有孩子气，但只要认准目标，就会勇往直前奔向它。
剑桥大学的研究生
1895年，卢瑟福获得大英博览会奖学金，从新西兰来到当时世界著名的科学研究中心——英国剑桥大学的卡文迪许实验室做研究生。本来，卢瑟福的目的是继续他比较熟悉而且已做出不少成绩的无线电研究。
1897年，卡文迪许实验室主任汤姆孙教授在研究阴极射线性质的过程中发现了电子，这是人类有史以来认识的第一个亚原子粒子。电子的发现揭开了人类研究物质更深层次的序幕。卢瑟福也由此看到，明天科学的发展就在于今天对于微观世界的了解，这一认识又使卢瑟福从科学的应用方面转到科学的基础研究上。
卢瑟福在基础研究上接触到的第一个题目是关于X射线对气体导电性的作用。这是汤姆孙教授的研究项目，但作为汤姆孙的研究生和助手，卢瑟福在工作中担当了重要的角色，特别是那一系列精密的实验仪器的设计和制作，许多实验方案的提出和实施，无一不表现出卢瑟福的天才和智慧。由于他出色的工作能力，1898年在汤姆孙的推荐下，卢瑟福到加拿大的麦克吉尔大学任教授。
放射性的成分
1896年2月，法国物理学家贝克勒耳发现了铀的放射性。此后不久，在居里夫妇等人的努力下，放射性越来越强的元素钍、钋、镭等被相继发现。消息传到远在北美的加拿大，卢瑟福如获至宝。他立即停下正在进行的其他工作，开始研究放射性的种类、性质和本性。
卢瑟福从铀的辐射入手，并采用了与研究X射线对气体导电作用的类似方法。他把两块面积各为20平方厘米的锌板平行置放、间隔4厘米，在一块板上均匀涂上粉末状的放射性铀化合物，在另一块上接上电流计。当两块板接上电源后，由于铀辐射对空气的电离作用，两板之间的空气变得能导电，这样通过电流计的读数便可知道在辐射作用下气体的导电量。
接着卢瑟福在两板之间放置多层厚度0.0005厘米的铝箔，研究辐射穿过金属层后的衰减情况。卢瑟福发现，在两板间逐次放3层铝箔时，电流计的读数变化缓慢，但当放上第4层时，电流计的读数突然下降到原来的1/20。再逐次加放铝箔一直到20层，电流计读数的变化始终不大。辐射强度在第4层前后为什么会发生突变呢?卢瑟福认为一定是铀辐射的成分在这一层前后发生了变化，即铀辐射中有着不止一种的射线，某一种射线在经过第4层时被吸收了，而其他成分的射线则依然存在。为了简单起见，卢瑟福用希腊文“alphabeta……”的头几个字母的读法，把那种容易被吸收掉的射线称为“alpha”，而其余的称为“beta”，即“α”和“β”射线。其后不久，卢瑟福和法国科学家维拉德又同时发现铀辐射中还有一种比β射线穿透本领更强的射线，并由卢瑟福命名为“γ”射线。
三种射线的性质
卢瑟福发现，α、β、γ三种射线是当时科学界最重要的事件之一，然而卢瑟福对此并不满足。关于三种射线他要做的事情还有很多，首先是查清楚它们的身份。当时许多科学家已进入这一研究领域，首先是放射性的发现者贝克勒耳证明β射线可以在静电场中偏转，其行为与阴极射线一致，并由此确定β射线就是速度很高的电子流。
但对α射线其他人就重视不够，认为它在电场、磁场中毫无反应，穿透性弱且不能使照像底片曝光，似乎无关紧要。但卢瑟福始终坚持对α射线的研究，1902年他用8000高斯的强磁场、15000伏/厘米的强电场，分别实现了α射线在磁场、电场中的偏转，证明了α射线是一种带正电的粒子流，并测定出其电荷与质量的比值为氢的一半，速度为光速的1/10。1908年卢瑟福又用光谱方法证明α射线是氦的原子核，它带有铀辐射全部能量的98%。而γ射线的确认则更为困难，直到1914年卢瑟福才肯定它是类似于X射线的电磁波。
三种射线的发现以及它们身份的确定彻底改变了人们对于传统物理学的认识，而卢瑟福则从更深的层次上去探索放射性的本性。
在大量实验事实的基础上，卢瑟福对放射性的产生提出了当时最令人满意的解释:所有放射性变化都可以看作一种物质由于放出射线而同时生成另一种物质的过程。当然今天对放射性本性的认识，比卢瑟福的解释更为全面和准确:放射性是发生在原子核内的事情，在自然界中，大多数的原子核是不稳定的，当原子核由不稳定状态向稳定状态转变的过程中，就以放出不同粒子的方式释放能量，并且由此形成放射性，产生出α、β、γ三种射线。
放射性与现代科学
对于放射性和三种射线的不断认识，为人类展现出一幅五彩缤纷、生动无比的微观世界景像，唤起了自然科学史上的又一次革命。
接着卢瑟福开始研究放射性的规律，他首先提出了一个重要概念:半衰期，即某种元素的辐射能力衰减到初值一半时所用的时间。这样对放射性的描述就有了定量性，物理学也第一次有了“寿命”的概念。而卢瑟福把铀、钍、镭的衰变过程分为几个阶段，绘制出这些元素衰变家族的图谱，从图谱上就可清楚地知道某种放射性元素经过什么过程、经过多长时间衰变成什么元素。从图谱上对某一元素上溯，也能查到它的祖先和根系，而对其追踪就可知道它的子孙后代和最终结局。
放射性衰变理论是现代物理学的重要组成部分，在科学上具有极其重要的应用价值。在考古中，利用放射性衰变理论可以推算出生物死亡的年代。实验证明，在生物活体中含有与空气相同比例的12C和14C，虽然14C具有放射性，但生物可以从食物和空气中得到补充。生物死亡后，12C保持不变，而14C却因不断衰变而减少。因此测出生物遗骸中12C和14C的含量比，就可知道生物死亡的年代。同样，科学家用这一理论解决了地球、月球和许多宇宙天体的年龄、太阳的寿命及各种矿石的生成年代等重大科学问题。
由于放射性现象伴随着原子核的变化，原子核能够自发地由一种变为另一种，从理论上讲就能用人为的方法使一种元素变为另一种元素。卢瑟福在人类历史上首次成功地分裂了原子，使元素氦转变为另一种元素氧。20世纪30年代初，卢瑟福与他的两个学生瓦尔顿和科克拉夫特设计了一架巨型原子捣碎机，并用这一设备把轻金属锂变为氮。
1932年，卢瑟福在英国皇家学会公开了他们改变元素的成就之后，立即轰动了舆论界。报纸以大标题报道“原子分裂了”、“现代社会有了炼金术士”，而商业报纸则大声呼喊:“黄金即将被制造，货币很快贬值。”
卢瑟福是一位伟大的物理学家，他在原子核、放射性等许多物理学领域有着卓著的成就，但他在科学上获得的最高荣誉却是1908年诺贝尔化学奖。在瑞典皇室招待他的宴会上，卢瑟福风趣地讲了这样一段话:“我曾处理过多个时期的许多不同的变化，但我遇到的最快变化则是一瞬间自己由一个物理学家变成一个化学家。”
光电效应的发现
阿尔伯特·爱因斯坦是人类历史上成就超凡的科学巨匠。他之所以被誉为20世纪的哥白尼、20世纪的牛顿，是因为他在现代物理学的许多重要领域都有奠基性的贡献;他之所以为世人所景仰，是因为他创立了狭义相对论、广义相对论，把20世纪的科学引入一个由三维空间和一维时间构成的四维时空。1921年，爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖，但授奖的主要原因却是他的另一贡献——光量子理论及对光电效应的理论解释。
什么是光量子理论?什么是光电效应?爱因斯坦又是如何对光电效应做出理论解释的呢?
赫兹的发现
自丹麦物理学家奥斯特发现电流的磁效应和英国物理学家法拉第发现电磁感应现象后，人们对电磁理论的研究逐步深入。1864年，英国物理学家麦克斯韦用严格的数学方法证明了电磁波的存在，并认为光就是一种电磁波。(https://www.daowen.com)
电磁波既不像水波可以看见，又不像声波能够听见，这在当时看来颇有点神秘莫测。那么到底有没有电磁波，麦克斯韦的理论是否正确，唯有实验事实才能回答。然而由于这样的实验难度极大，在十多年后仍无人问津。鉴于弄清这个问题的重要性，1878年德国柏林科学院悬赏求贤。1883年，年仅26岁的物理学家赫兹站出来勇敢接受了这一难题，几年之后赫兹不仅在实验上证实了电磁波的存在，而且还发现了另一重要的科学现象。
1887年初的一天，已经担任德国卡尔斯鲁厄高等学校教授的赫兹正在继续他的电磁波实验。他使用的仪器为:变压器T和电容器C组成振荡电路，F是一对由纯锌材料制作的电极。赫兹在实验中发现，调大电极F间的间隙，电容器C放电的火花就很难在两电极间跳过。但这时如果用水银灯的光照射电极时，火花则容易跳过。赫兹对这一现象很感兴趣，反复进行了实验，最后他得出结论:在这一现象中起作用的是水银灯光中的紫外光部分，当光照射F的负极时作用更明显。当时赫兹还无法解释这种现象，但他如实做了记录，并在当年发表的题为《论紫外光对放电现象的效应》一文中首次描述了这一发现。
光电流与光电效应
赫兹本人对他的发现并没有继续研究，但这一现象却引起其他科学家的极大兴趣。赫兹的助手勒纳于1889年开始这方面的研究。他先认为这一现象是由阴极射线引起的，但到1894年用实验证明这种看法并不符合实际。1899年，英国物理学家，即发现电子的老汤姆孙用磁偏转法测定从电极放出的火花是由与阴极射线相同的一类带电粒子组成。在老汤姆孙的启示下，勒纳1900年用类似的方法测出了这种带电粒子的荷质比，其值与电子的荷质比一样，勒纳认为这种火花就是光电流。
接着勒纳开始新的研究，试图找出产生光电流的基本规律。他在实验中发现，当光射到处在高度真空管内的阴极C的表面时，就有电子发射出来，在加速电场作用下这些电子移向阳极A并在外电路中形成电流。勒纳的实验告诉人们，赫兹的发现实际上是在光的作用下电子从金属表面的发射现象，并称之为光电效应。
接着，科学家对光电效应进行了更广泛的研究，很快发现了这种现象的主要特征。比如，对于不同材料制作的阴极都存在一个截止频率，当入射光的频率低于截止频率时，无论光的强度多大也不论照射多长时间，都不会产生光电流;但只要入射光的频率大于截止频率，无论入射光的强度多小都能产生光电流。而且从光照到金属表面开始到光电流的产生几乎是同时的，最长的时间间隔也不超过10－9秒的数量级。
在取得光电效应的实验证据后，科学家开始对其进行理论分析。他们认为电子从金属表面逸出是入射光波的电场分量与电子间谐振的结果，但如果确是这样，电子发射只会发生在入射光的单个不连续的频率上。即使在最好的情况下，也只能出现在某些相当窄的频带上。而现在的事实是，只要入射光的频率大于截止频率，所有频率的入射光都能产生光电流。
科学家认为光电效应的能量传递过程也是由共振引起的，但这种看法在研究时间关系时导致了一个更为惊奇的结论:即使入射光的频率大于截止频率，波长等于电子的线度，若电子能全部吸收照射到它上面的能量，那么电子需要500年才能积累到逸出金属表面的能量。而实验事实是这两者几乎同时发生，根本无须时间积累。看似完善的经典理论对光电效应问题竟如此无能为力，大大出乎科学家的意料!科学家们叹息，晴朗的物理学天空出现了一朵乌云，经典物理学陷入了困境。正在科学家一筹莫展时，年轻的德国物理学家爱因斯坦以超人的智慧，提出了光量子理论并对光电效应做出了令人信服的理论解释。
科学巨匠的青少年时代
阿尔伯特·爱因斯坦1879年3月14日出生于德国的乌尔姆城，父母都是犹太人。1880年爱因斯坦全家迁居慕尼黑，在那里他父亲和叔叔合办一家小工厂。6岁那年，爱因斯坦在慕尼黑开始了学生时代。
小时候的爱因斯坦性情沉静，加上他表现木讷也不太合群，因而不为学校的老师喜欢。甚至有一次他父亲无意当中问校长:“这个孩子长大后应该选择什么职业?”校长竟然直率地说:“干什么都一样，他不会有很大的出息。”
但是在另外一些方面，爱因斯坦的表现却远远超过了一般的儿童。爱因斯坦四五岁时父亲给他玩一个小小的指南针，他对指针始终指向北方感到惊奇。他边看边琢磨并对父亲说:“我看这针的周围一定有什么东西在推它。”爱因斯坦后来回忆这件事说道:“指针是那样顽固，它给我留下了卓然不移的印象。”爱因斯坦还有极好的音乐天赋，他6岁起跟随酷爱音乐的母亲学小提琴，几年工夫，他的技艺已达到登台伴奏的水平。可以说，从孩提时代起小提琴就成为他的终身伴侣。
爱因斯坦喜欢古典文学特别是歌德的作品。在三年级时，爱因斯坦得到一本精装的几何课本，从第一页起欧几里得在抽象思维的峭壁上所画的每一条线都强烈地吸引着他。在中学他的几何是最好的，他经常因为对问题有独特的见解而得到老师的赞扬并得到最高分。十四五岁爱因斯坦就自学了高等数学，懂得了微积分，拥有比同龄孩子多得多的知识。16岁时，同学们正在忙于应付功课，而爱因斯坦已想到:如果我以真空中光的速度追随一条光线，那么看到的将是一个在空间振荡而停滞不前的电磁波。伟大的相对论产生于一个孩子，这不能不说这是人类科学史上的奇迹!
1896年爱因斯坦考上了瑞士苏黎士联邦工业大学师范系学习物理。4年当中除了规定的课程外，他专心致志地阅读了基尔霍夫、亥姆霍兹等物理学大师的著作，同时还有菁芜混杂的哲学著作。正是这些著作，使得爱因斯坦从青年时代起就善于思辨、富有哲理，使得他能够站在前人的肩膀上穿过当时物理学晴空中的乌云，看到新时代的曙光。
1900年8月，爱因斯坦大学毕业。尽管他才华横溢，但由于是犹太人总找不到适当的职业。在几乎贫困潦倒的困境中，他当过家庭教师，甚至打算拉小提琴沿街卖艺。1902年，爱因斯坦在大学同学格罗斯曼的父亲的帮助下，才找到一份正式的工作，在伯尔尼瑞士联邦专利局当一般职员。这对他太重要了，他至少有了生活保证。
这个时候的爱因斯坦年轻、精力旺盛，他常常用3～4个小时就干完8个小时的本职工作，然后开始研究自己关心的物理问题。但在办公室是不能干私活的，他便用一张张的小纸片写呀算呀，一旦有人来，小纸片便掉进抽屉。在专利局的7年中，爱因斯坦的科学论文一篇接一篇发表了。每一篇都涉及物理学的最前沿问题，每一篇都具有划时代的科学意义，每一篇都使经典物理学的大山底下爆发一次猛烈的震动。
光量子与光电效应的解释
随着19世纪的逝去和20世纪的来临，经典物理学越来越清楚地显示出其内在的缺陷，诸如迈克尔孙—莫雷实验、黑体辐射、光电效应等问题极大地困扰着科学家，然而正是在这种情况下一些有卓越见识的物理学家开始建立新的物理理论以摆脱困境。1900年，德国物理学家普朗克在研究黑体辐射时得出一个非常惊人的结论:黑体空腔的能量在辐射过程中是不连续的，而是一份一份的能量子，能量子的值取决于辐射场的频率。但是能量分立的结论与经典物理学能量连续的观念是如此抵触，以致于能量子的出现被认为是科学上的“怪胎”。即使普朗克本人对此在相当长的一段时间也表现犹疑。他曾对自己的儿子说:“我现在做的事情，或者是毫无意义，或者可能成为自牛顿之后物理学的最大发现。”
爱因斯坦接触到普朗克的理论后，似乎看到了物理学的另一个全新世界，他开始用能量子来构造这个世界。
1905年，爱因斯坦发表了一篇题为《关于光的产生和转换的一个启发性观点》的文章。他在文章中论述道:“不仅黑体辐射的能量是分立的，而且所有电磁辐射的能量都应是分立的。光是一定波长的电磁波，光在传播过程中具有波动性，但是光的能量并不是均匀分布在波阵面上，而是由个数有限的、局限于空间各点的能量子——光量子所组成，每个光量子携带的能量为hv(h为普朗克常量，v为光的频率)。当光照到金属上，金属中的电子要么吸收一个光量子，要么完全不吸收。如果光量子的能量hv大于金属表面对电子的逸出功，电子就能脱离金属表面。由于电子吸收两个光量子的概率极小，更不要说电子有可能吸收多个光量子积累能量，因而光量子的能量hv小于一定值时，无论多么强的光都不能使电子逃逸金属表面。”
根据这一观点，爱因斯坦写出了著名的光电效应方程:hv=φ+
mv2。hv为光量子的能量，φ为金属表面对电子的逸出功，
mv2为电子离开金属表面时具有的动能。
爱因斯坦以全新的物理观念解释清楚了光电效应表现的一切现象，可是这个理论不是出自于某个大物理学家，而是一个年仅26岁的专利局小职员那里，因而没有得到科学界的承认，即使相信量子论的一些物理学家包括普朗克本人也对此持反对态度。爱因斯坦的理论需要实验的证实，然而他却没有任何的实验条件并且也不擅长于实验。但是，一个伟大的物理理论最终是不会被扼杀在萌芽中的。
实验物理学家的贡献
爱因斯坦的文章发表后，光量子理论得到美国芝加哥大学的密立根教授的高度重视。从1905年起他就开始从事光电效应的定量研究以证实爱因斯坦的理论正确与否。
密立根教授是一位具有非凡才能的实验物理学家，但是验证爱因斯坦理论的实验太难了，甚至超过了他测定电子基元电荷的工作。在经过较长时间的考虑之后，密立根认为实验的关键是如何清除金属表面的氧化层，因而他设计的整个实验都是在高度真空的条件下进行的，并且依靠他独创的“真空机械车间”使实验获得圆满成功。但是这项伟大的工作决不是一朝一夕而是花费了密立根教授近十年的心血。
从1907年至1912年的5年间，密立根教授不断发表这项工作的消息，最后的实验结果是1914年首次报告于美国物理学会学术会议。密立根的实验相当成功，精确的数据表明爱因斯坦的光电效应方程所包括的五个主要内容是正确的。这不但使得光量子理论和光电效应方程得到科学界的广泛承认，也使得爱因斯坦因此荣获1921年诺贝尔物理学奖，而且密立根教授也因为这项工作及测量出电子基元电荷而获1923年诺贝尔物理学奖。
伟大的科学发现
爱因斯坦的光量子理论及光电效应方程有着极其重大的科学意义。首先它变革了人们思想上根深蒂固的经典观念，认识到物质微观世界的能量是离散式的而不是连续的。这一认识直接导致现代物理学的诞生，并使20世纪的科学进入一个崭新的时代。
爱因斯坦光电效应方程的实验验证使得光量子不仅成功出现于物理理论，更使其成为真实的客观实体。光量子的真实性为自牛顿时代以来争论不休的光的本性问题做出了最终裁决:光既是波动又是粒子，具有波粒二象性。1924年法国物理学家德布罗意根据光的波粒二象性，提出了实物粒子也同光一样具有波粒二象性，这一假设其后得到英国物理学家小汤姆孙和美国物理学家戴维森的证实，使得人类对物质世界的认识进入一个更深的层次，并建立起现代物理学最重要的理论量子力学。今天我们熟悉的客观世界是由原子和分子构成的精巧建筑物，而量子力学便是营造这些建筑物的法规。
对于今天的科学技术来说，光电效应的重要性也日益增大，由光电效应发展而成的光电子发射谱技术已成为实验物理学最先进、最富有成就的领域之一。这种科学手段在探测原子、分子、固体和金属表面的电子结构方面起着极其重要的作用，有力地促进了材料科学、半导体科学的飞速发展。除了在高科技领域大显身手外，根据光电效应原理制成的各种各样的光电管正在走进我们的日常生活，并不断改善与提高着我们的生活质量。测到在质子和反质子相互湮灭时，粒子团之间存在的微弱的相互作用，就能间接地证明暗物质存在。科学家们猜测，宇宙间90%的物质是由神秘的暗物质组成的。
