对α射线β射线和γ射线的研究

对α射线、β射线和γ射线的研究对放射性射线的关注首推伟大的物理学家卢瑟福（ErustRutherford，1871～1937），卢瑟福出生于新西兰南岛上的纳尔逊城附近的一个农场里，他在新西兰接受了早期教育，1893年他获得基督城的坎特伯里学院的硕士学位。他开始致力于研制一种电磁装置，并成功地使这种装置探测到电磁波。他的头两篇论文分别于1894年和1895年发表于《新西兰科学学报》（TransactionsoftheNewZealandInstitue）上。1895年获得新西兰政府的一笔优胜奖金，到达剑桥大学后，他继续从事无线电波的探测研究，并成为卡文迪什实验室主任J．J．汤姆逊的研究生。1896年，卢瑟福和J．J．汤姆逊共同对X射线使气体电离进行研究，后来J．J．汤姆逊说：“为了测量和这个主题有关的各种各样的基本的（物理或化学）量，卢瑟福设计了非常巧妙的方法，并获得了非常珍贵的结果，这些结果有助于丰富这一主题的实质内容。而在此之前它只是描述性的。”1898年9月，卢瑟福被聘为位于蒙特利尔的麦克吉尔大学的教授，到了麦克吉尔后，他给未婚妻玛丽（EileenMary）写信说：“他们期望我做更多的创造性工作，并创立一个研究所，让美国佬不再神气。”在麦克吉尔大学，他发表了关于贝克勒尔射线的第一篇论文，这标志着他一生的研究工作的真正开始。论文中他证实了三个重要事实：（1）实际并不存在贝克勒尔曾经深信其存在的折射和偏振。（2）气体放电是由于有带电离子形成。（3）贝克勒尔射线不只一种。他的吸收实验表明：铀辐射是复杂的，目前至少有两种不同类型的辐射：一种是易被吸收的，可以简单地称之为α辐射；另一种更具穿透性，称之为β辐射。根据α射线和β射线的吸收特性可以判断，当初在贝克勒尔实验中黑色封皮太厚，以致于将所有的α射线都吸收掉，而使胶卷感光的是β射线的效应。1895年，拉姆赛（RamsaySirW，1915～）惊讶地发现，氦存在于含铀的矿物中。α射线和氦之间肯定存在着某些联系。1903年，卢瑟福最终发现，α射线在强磁场中发生弯曲并带有一个正电荷。他随后对由钍发出的α粒子和镭发出的α粒子的e/m是否相同产生了疑问。不久人们就明白了e/m是唯一的，并在1905年明确地确定α粒子是“在从镭原子中分裂出的那一刻获得电荷的”。卢瑟福整整花了十年时间得出结论，1908年5月，卢瑟福与盖革（GeigerHansWilhelm，1882～1945）联合发表的一篇论文中说：“从一般的观点看，一个氢原子（即一个质子）所携带的电量是电学的基本单位……这个证据有力地支持了这样一种观点：α粒子所带的电量等于2e。”“我们可以得出这样的结论：一个α粒子就是一个氦原子，或者更精确地说，失去正电荷的α粒子就是一个氦原子。”同年11月，他又和罗伊兹（RoydsThomas，1884～1955）合作完成的一篇论文中进一步强调说：“我们能够明确地得出结论，……α粒子是一个氦原子。”他们已经证实，当放电穿过装有镭辐射出的α粒子的容器时，出现了典型的氦光谱。至此，对于α射线性质的研究及其产生的机制基本搞清楚了。对于β射线，到1899年底人们已普遍接受了阴极射线、光电子这些现象都是电子的观点，尚有β射线有待证实。1899年，有许多实验室在研究β射线的磁偏离现象，大多数实验室发现β射线存在像阴极射线那样的磁偏离现象。1900年，居里夫妇研究β射线的电性时发现它带负电，并提出了各种早期确定e/m值的方法，这些e/m值与阴极射线的e/m值相似。不久以后，考夫曼（KaufmannWalter，1871～1947）把镭发射出的β射线放进电磁场图11-1为卢瑟福（右）在卡文迪许实验室中进行了一系列详细的实验。1902年，他得出结论：“在低速情况下，激发贝克勒尔（放射性）射线的电子质量计算值与阴极射线得到的电子质量值相同，其误差在观察范围之内。”从那以后，人们就认为β射线是电子的问题已经解决。对于γ射线的本质问题，是由法国物理学家维拉尔（VillardPaul，1860～1934）解决的。1900年，维拉尔在巴黎师范学校化学实验室工作，他用照相法观察到：镭是“使辐射具有穿透性”的源泉。维拉尔发现了γ幅射，并立即发现这些射线不会被磁场弯曲。两年后，卢瑟福猜测γ射线或许是一种硬的β射线。这个观点随着帕邢（PaschenFriedrich，1865～1947）在超强磁场中对它们运动行为的研究，变得越来越站不住脚了。γ射线和X射线相似的证据在不断地增多，但直到1912年卢瑟福仍谨慎地写道：“到目前为止还没有明确的证据使人相信：X射线和γ射线是两种根本不同的辐射。”只到1914年，当卢瑟福和安得雷得（AndradeEdwardNevilledeCosta，1887～1921）观察到从晶体表面反射的γ射线时，这一争论才最终得以解决。