物質的一般概念(1957) 錢偉長

1、物質的一般概念(1957)- 錢偉長 1957年3月4日、7日中央臺自然科學專題演講; 錢偉長學術論著自選集1957年3月4日、7日 - 查看 今天我的講題是物質的一般概念。通過這個講題，想把科學家經(jīng)過了長期的集體努力，對于物質的構造和它的性質的一些最基本的和最簡單的了解，介紹給大家。在100年前，人們已經(jīng)認識到，世界上的物質，雖然是五花八門、各式各樣，有的是固體，有的是液體，有的是氣體，但是所有這些物質，都是由某些最簡單的基本成分叫做元素的所組成的。例如水是氫氣和氧氣二種元素所組成的。木材是由碳、氫、氧三種元素所組成的。那時由偉大的俄國化學家門捷里也夫根據(jù)各種元素的重量，物理性質和化學性質，

2、排列成了一張所謂元素周期表。在這張元素周期表上有著六七十種元素，和不少尚待發(fā)現(xiàn)的未知元素的空白。到今天，我們所知道的世界上的天然元素就有九十幾種。還有一些元素天然并不存在，但是可以在實驗室里制造出來，如果連人造的一起計算在內(nèi)，到現(xiàn)在為止已知的元素就有 101種。每一種元素的最小單位是極微小的眼睛所看不見的微粒子，叫做原子。在人們對于原子的構造還不大清楚的時候，認為同一元素的原子都是一樣的，不同元素的原子都是不同的。世界上一共就只有那末幾種原子，有的很輕，有的很重。最輕的原子就是氫氣的原子，叫氫原子。其它如碳的原子比氫原子重12倍，鐵的原子比氫原子重約56倍。有一種很重的金屬叫做鈾的原子，比氫原

3、子重238倍。鈾是原子能的主要材料。世界上形形色色的各種東西都是由這100種不同的原子并配合成的。原子非常小，我們用顯微鏡也看不見。如果把1億個原子，一個接一個排起隊來，也不過指甲蓋那么寬。平常，我們覺得灰塵是很小的了，可是在一顆灰塵里面，也還有幾千萬個原子。到四五十年前的時候，人們對于原子的構造，開始有I了解。原子雖然很小，但是它的結構卻是很復雜的。在原子的中心有一個又小又重的帶著陽電的核心，叫做原子核。外邊有很多小粒子繞著原子核不停地打轉，這些小粒子大小都相等、都很輕、很小，而且都帶著份量相等的陰電，我們把它們叫做電子。由于原子核帶的陽電和這些核外電子帶的陰電的總和份量相等，所以在原子外面

4、看起來，陰陽相抵，不覺得原子是帶電的。原子雖然很小，但是原子核和電子還要小得驚人。它們的半徑只有原子的半徑的1萬分之一。如果說整個原子像一個球，這個球有普通房子那樣大，那么，原子核就好像放在房間中央的一粒芝麻，而核外的電子就好像飛揚著的幾點灰塵。這里說明了一個原子從它的原子核到它外層的電子中間，還有很大的空隙。原子是空空洞洞的，并不是一個完全堅實的東西。不同元素的原子帶著不同數(shù)目的電子。例如，最輕的氫原子只帶1個電子，碳的原子帶6個電子、鐵的原子帶26個電子，天然的最重的放射性元素鈾帶92個電子。我們的元素周期表就是按所帶電子的數(shù)目來排列的。原子外圍的電子，不論有多少個，它們都按自己的不同軌道

5、打著轉。這好像太陽系，太陽在中間是相當于原子的原子核，其它行星相當于原子外圈的電子，每個行星也都有它自己不同的軌道，并且按著自己的軌道圍著太陽轉。原子外圍的電子分成好幾層，像最重的原子鈾的外圍電子就構成 4層之多。屬于最外層的電子的軌道，常常在別的原子接近時，會發(fā)生變形。這種外層電子軌道變形的過程就是發(fā)生化學變化的過程。譬如煤里含有大量的碳原子，當煤燃燒時，每一個碳原子和空氣中的兩個氧原子結合起來，它們的外層電子都發(fā)生了運動軌道的變形，這里面有個別電子的軌道甚至變到把3個原子核連它們的內(nèi)層電子都裹在它的軌道里面。這種軌道的變化就是典型的化學變化。在造成二氧化碳的過程里，要放出能量，所以發(fā)熱。有

6、時外層電子的軌道變化要吸收能量。那末在促成這里化學變化時要外界供給熱量或是電能。這種原子和原子結合以后的產(chǎn)品叫做分子。世界上分子的種類是很多的。最簡單的是兩個氫原子合成的氫氣的分子。這個分子里只有2個電子。水分子是兩個氫原子和一個氧原子合成的分子，共有10個電子。自然界有很復雜的分子，一個分子可以有成千上萬個原子。像橡膠的分子就是這樣一個很長很長的分子。它是由幾種原子為單位的構造，重復地一串串地聯(lián)結起來的分子，這種分子叫做高分子。一切物質都是由分子構成的。分子在物質內(nèi)部在不斷地運動著。溫度高時，分子運動得比較快，幅度也比較大；溫度低時，分子運動得比較慢，幅度也比較小。所以，一切物質就有不同的狀

7、態(tài)。在高溫度下一般是氣體，氣體狀態(tài)里的分子，互相間的距離很遠，它們的運動比較自由，速度也比較快，碰撞的機會也比較小，一般常?？梢宰呱弦欢温烦滩艜土硪粋€分子相撞。在低溫度下物質的狀態(tài)一般的是固體，固體里的分子，一般排列得都很緊湊，它們都只能在一個固定的位置，來回振動，或轉動。它們互相牽制著，互相約束著。在外面看來，就聯(lián)成一片。要它變形時，就要對分子間的約束力做功。在溫度增高時，固體中的分子的振動增大，最后就破壞了互相約束的固定的力量，分子就失掉了固定的位置，開始可以在分子群中相互地擠撞和流動，但是個別的分子還沒有能力離開分子群的群體活動范圍，這就是液體。如果溫度再增高時，分子的運動速度大大提高

8、，就有分子會竄出去，離開液體，變成氣體的分子，這就是沸騰。因此，一切物質不論是固體、液體或氣體，在內(nèi)部都是不斷地運動著的分子。就是分子本身，也是由不斷地運動著的原子和原子的電子所構成的。運動是物質的屬性，我們從這種屬性里認識著物質。一切化學和物理學都是通過研究這種運動的狀態(tài)，和研究運動狀態(tài)的變化來認識自然界的物質的狀態(tài)和物質的構造的。這樣的物質構造的觀念，在50年前就逐步形成了。自從20世紀開始以后，人們就著重在研究原子核外的電子運動軌道的結構的問題。人們用各種方法，如用高速電子撞擊等方法，撞去少數(shù)外層電子或一個內(nèi)層電子。由于原子核外圍的電子層在這樣撞擊后，所有電子的運動狀態(tài)都失去了平衡，它們

9、之間，就要互相調整。在調整的過程中，以電磁波動的形式放出大小不等的各種定額數(shù)量。通過分析這些能量的大小，我們就可以推斷各種電子軌道的運動狀態(tài)。人們就用這樣的研究方法，發(fā)展了光譜學和愛克司光的研究。人們并沒有滿足于在原子核外面的電子層結構問題的了解。人們自從發(fā)現(xiàn)了原子核起，就在研究著什么是原子核的結構。一直到1933年止，人們初步肯定了原子核不是單純的一個核，它里面還有兩種小的基本粒子，一種叫質子，一種叫中子。它們緊緊地擠在一起。原子核所帶的陽電都在質子身上，每一個質子所帶的陽電和一個電子所帶的陰電，份量完全相等。中子則不帶電。質子和中子的重量差不多。但是他們比電子要重得多，它們都比電子的重量重

10、一千四百多倍。因此，原子的重量，有999以上是集中在原子核上的。所以原子核是既重又小的一個微粒。如果把喜馬拉雅山中的原子的外圍電子都驅除掉，把它們的原子核一 個擠一個的收集起來，則它們的總重量和喜馬拉雅山的重量差不了很多，但是體積則可以小到裝在口袋里面。因為原子總起來不帶電，所以原子核里帶陽電的質子數(shù)目，應該和帶陰電的核外電子數(shù)目完全相等。這就是說，原子核里有幾個質子，原子核外圍就有幾個電子。同一種元素的原子都有相同數(shù)目的電子，核里也都有相同數(shù)目的質子，但核里的中子個數(shù)并不是都完全相同的。因此，同一種元素的原子的重量也不完全相同。我們把每一類重量不同而電子數(shù)目相等的各種原子，稱為這種元素的同位

11、素。同位素的核外電子相同，因此，一般化學的性質相同，在元素周期表里只代表一種元素，登記在一個位子上，所以叫做同位素。換句話說，同位素唯一不同的地方，就是核內(nèi)的中子數(shù)不一樣，多一兩個，或是少一兩個。例如氫元素的原子，就有3種同位素，大多數(shù)氫原子的核就只是一個質子。極少量氫原子的核包含一個質子和一個中子，它的重量比普通氫原子約重兩倍，稱為重氫，另外還有一種人工造成的同位素，它的核里有一個質子和兩個中子，它的重量有普通氫原子的3倍，稱為超重氫。碳的原子有兩個同位素，較多數(shù)的是包含6個質子和6個中子，另 一種較少的是包含6個質子和7個中子。天然的碳總是包 含著一定比重的兩種同位素。例如原子能材料的鈾原

12、子有好幾種同位素。鈾的同位素都有92個電子，核里也都有92個質子，但中子的數(shù)目則不同。其中有一種同位素有146個中子，所以質子和中子共有238個，這種同位素稱為鈾238。另外一種同位素的核里有143個中子，質子和中子共有235個，稱為鈾235；還有一種同位素有142個中子稱為鈾234。各種同位素的原子核是不是固定不變的呢?科學家經(jīng)過了將近60年的努力，已經(jīng)證明原子核并不是固定不變的，并且尋得了加速和控制原子核變化的方法。在科學上，這種原子核的變化叫做原子核蛻變。人們開始注意到原子核有蛻變的現(xiàn)象，是在1896年，那時有科學家注意到鈾和釷能夠自動地不斷地放射出一種穿透物質能力很強的射線，它們可以影

13、響桌上包在黑紙內(nèi)的膠片，使它們感光。鈾和釷就是今天的主要原子能材料，兩年后居里夫婦又發(fā)現(xiàn)了鐳也有放射線的能力，這些射線是什么呢?它們在磁場里有一部分向一方彎著射，有一部分向另一方彎著射，有一部分不受磁場的影響，一直往前發(fā)射。前一種我們叫做甲種射線，它是由帶陽電的高速度的氦氣的原子核組成的。氦氣是一種稀有氣體的元素，它的原子核比氫原子重四倍，包含著兩個質子和兩個中子。第二種射線叫做乙種射線，它是由高速電子組成的，帶著陰電。第三種不受磁場影響的射線是一種波長很短的無線電波，叫做丙種射線，它的穿透能力最強。這些射線肯定地都是從原子核里出來的，因此，人們開始知道原子核的內(nèi)部在自發(fā)地發(fā)生著變化。我們現(xiàn)在

14、知道，鈾的自然放射的蛻變過程是很慢的。一塊純鈾在45億年的自然放射過程里只有一半的原子核發(fā)生變化。鈾239的原子核通過自然放射過程放射甲種射線，即放射氦氣的原子核。鈾238放出了氦氣的核以后，少掉了兩個中子和兩個質子，只剩90個質子和144個中子了。這個新的原子核就是釷234，它比鈾238還要不穩(wěn)定，它在24天中就能變掉一半，它會連續(xù)發(fā)射兩個電子而變成鈾234。發(fā)射的電子就組成了釷234的乙種射線，而在釷234中有兩個中子，卻由于在放射的過程中放出了電子而自己變成了質子。因此，鈾234中比釷234中一方面少了兩個中子，而另一方面卻多了兩個質子。鈾234的壽命也是較長的，它在27萬年中會變掉一半

15、，這樣一代一代的變下去，共經(jīng)過 14代后，最后變成穩(wěn)定的鉛206。鉛206在普通的鉛里有 236。釷232也有同樣的性質，一塊釷232通過140億年可變掉一半，它經(jīng)歷了10代以后，變成了較穩(wěn)定的鉛208，它在普通鉛里有523。上面所說的各種放射物質的自然放射過程，都是不受人們的控制的。人們曾經(jīng)想把鈾的放射過程加快一些，嘗試了加熱，加壓力和其它各式各樣的方法，結果都失敗了。上面所說的各種放射物質的放射性質指出了原子核也是不斷地在變化著的，并不是像人們想象的那樣是一成不變的。我們通常遇到的原子核，像鉛的原子核等，好像是穩(wěn)定的，實質上也在漸漸地一個一個地變化著，不過變得很慢，一塊鐵或一塊鉛都要不知道

16、幾億年以后才能變到我們察覺得出來罷了!但是，人們并沒有滿足在對于自然現(xiàn)象的了解，在1919年，人們用鐳里放出的甲種射線?氦原子核打擊氮氣的原子，氮原子在吸取了氦原子核后就能放出速度很大的質子，而變成氧核。人們開始知道可以用人工的方法使原子核發(fā)生變化。從此以后，人們嘗試著用甲種射線射擊各種原子來獲得各種原子的人工變化，人們進一步把氫的原子核?質子，和其它帶陽電的原子核，在加速器里把它的速度提高后來撞擊各種原子，促成原子核的人工變化，從這些實驗里，得到了各種各樣的人工放射性的同位素。但是，帶陽電的粒子來撞擊帶陽電的原子核時，因為陽電和陽電互相排斥的緣故，帶陽電較多的大原子核就很難撞破。在這些實驗里

17、，后來人們獲得了放射中子的人工同位素。中子射線的穿透力很強，因為它不帶電，所以它可以打破帶陽電很多的重原子核。因此，中子就成了打擊各種原子核，促成原子核發(fā)生變化的有效工具。1938年底，科學家們在原子核的人工變化中獲得了一個重大的發(fā)現(xiàn)。當用中子打擊鈾時，鈾235的核可以先吸收一個中子，然后又分裂成兩個碎塊，同時，放出很大的原子能。并且在分裂過程中還帶出來兩三個中子，這兩三個中子又可以碰著鄰近的鈾而發(fā)生第二次分裂，這樣一串地分裂下去，就給我們發(fā)出了可以利用的原子能。這樣的一串串的分裂變化在后來用管制中子的密度的方法控制了起來，就是現(xiàn)在原子能發(fā)電的基本原則。人們并沒有滿足于僅僅來了解如何把重的原子

18、核變化成輕的原子核的問題，人們也研究了如何把很輕的原子核聚合成較重的原子核的問題。當速度高的重氫核和超重氫核相撞時，它們就會合并成一個氦原子的核，并且放出一個中子，同時還放出很大的原子能。為了保證這種變化能大規(guī)模地進行，就必須使所有重氫和超重氫都有極大的速度，這只有在幾千萬度的高溫之下，才能達到。因此，我們叫這種過程為熱核子過程。氫彈抹是熱核子過程的一種，它是利用普通原子彈的爆炸來獲得高溫的，在太陽里，溫度有幾千萬度，因此，它的內(nèi)部不斷地進行著一些熱核子過程，放出巨大的光和熱。從上面的敘述里，好像物質不論怎樣復雜，總是由核外的電子，和核內(nèi)的中子和質子所組成的。表面上看來，我們好像已經(jīng)到了一個應

19、該能夠把這些復雜現(xiàn)象，進一步簡化只用一種粒子來說明世界的階段，實際上這樣的看法是由20世紀40年代初期的知識情況所決定的，這樣的簡化可能已經(jīng)達到了簡化的極限，就是造房子至少也必須要有一種磚頭。當然，這樣的簡化的想法，在最近十幾年的對于物質世界的探索中完全被粉碎了。大約在四五十年前，物理學家就掌握了一個關于光射在吸收面上，產(chǎn)生壓力的現(xiàn)象。在這以前，人們習慣上總是把物質和它的質量聯(lián)系起來看的，認為表示物質的量的就是它的質量，而質量又和物質在運動中的慣性聯(lián)系了起來，因此認為物質的一個屬性，就是表示它的慣性的質量。當物質投射到一個障礙面上時，這個面上就受到壓力。但是，現(xiàn)在光投射到吸收面上以后也產(chǎn)生了壓

20、力。這豈不是說通常認為光只是能量的，現(xiàn)在也有了質量的性質了么?這個實驗的深刻探討，指出了光的質量表示了光的慣性，光的質量和它的能量成正比。正確地說來，光的能量和它的質量聯(lián)系著的，光的能量等于光的質量和光速的平方的乘積。有很多實驗指出了光是以微粒的特性存在著的，一束光里，包含著成千上萬個光的微粒，現(xiàn)在我們叫他們?yōu)楣庾?。光子的能量是由光波的頻率來決定的。和光子的能量聯(lián)系著的是光子的質量，因此，光子的質量也由光波的頻率所決定。也是在四五十年前，物理學家掌握了另一個實驗事實，就是電子的慣性質量隨著運動的速度增加而增大，尤其在速度接近光速時，更加顯著。這就指出了電子質量和它的動能聯(lián)系著的。通過詳細的實驗

21、證明，電子因為它的速度增加而增加的慣性質量，和它的動能成正比，比例系數(shù)也是光速的平方。這和光子的光壓現(xiàn)象結合在一起，就可以得到結論說：不論光子的光能和電子的動能，它們都和一定的質量聯(lián)系著的。此后通過不少實驗證明，不論什么質點，在動能增加時，它們的慣性質量都根據(jù)相同的聯(lián)系定律增加著?，F(xiàn)在我們叫這個定律為物質質量和能量的聯(lián)系定律，這就是，和物質的質量聯(lián)系的能量，等于質量乘光速的平方。既然是物質的能量和質量有一定的聯(lián)系，那末，為什么在平常情況下，運動較快的物體，并不感覺得它的質量有所增加呢?主要是在平常情況下，這樣增加的質量是很小的，一般察覺不出來。譬如，10噸重的飛機，飛到每秒鐘1000米的速度，

22、這樣增加的動能所相當?shù)馁|量只有100000億分之一克。因此，這樣小的質量變化在10噸重里是不可能察覺得到的。上面所說的質量和能量的聯(lián)系定律，是指物質的動能或光能或其它能量所聯(lián)系的質量和這個聯(lián)系的規(guī)律。但是，我們知道很多通常的物體是有著它的固有的質量的。這些質量就是在靜止時也還存在。譬如，一個電子的靜止質量是 1000億億億分之一克，我們能不能說，這些靜止質量是不是也聯(lián)系著一定的能量呢?我們現(xiàn)在知道它也聯(lián)系著一定的能量的，我們現(xiàn)在稱這種能量為物質的固有能量。物質的固有能量也等于物質靜止質量和光速的平方的乘積。和物質的靜止質量聯(lián)系著的固有能量是很大的，譬如，和一克物質相當?shù)墓逃心芰看蠹s等于25億千

23、瓦小時的電力。假如，我們能把物質的固有能量解放出來，變?yōu)槲镔|的動能，則我們就幾乎可以有取之不盡，用之不竭的能量來源了。原子能的實現(xiàn)，只是初步在工業(yè)上運用了這個事實。在20年前，人們發(fā)現(xiàn)了帶陽電的陽電子，陽電子的質量和電荷量完全和電子的質量和電荷量相等。人們發(fā)現(xiàn)一個光子在一定條件下會轉變成一個帶陰電的電子和一個帶陽電的陽電子。同時，一個電子和一個陽電子相遇，會變成一個光子。通過很多的實驗測量，肯定了電子和陽電子的靜止質量和它的動能所相聯(lián)系的質量的總和，等于光子的光能所聯(lián)系的質量。同時，電子和陽電子的動能和它們的固有能量之和，等于光子的光能。在這里，說明了在這個轉變中，轉變前和轉變后的質量是相等的

24、，轉變前和轉變后的能量是相等的，但是它們的形式有了不同。這種情形，我們現(xiàn)在知道在很多現(xiàn)象里，都是如此的。或是說，在一切物質變化的過程里，物質的質量保持不變，同時物質的能量也保持不變。我們叫這樣的規(guī)律為物質質量的守恒定律和物質能量的守恒和轉換定律，這兩個定律是在物質的質量和能量聯(lián)系定律的基礎上統(tǒng)一起來的。唯心主義者硬把電子和陽電子相遇轉化成光子的過程，說成是物質消滅了，同時能量產(chǎn)生了，那完全是不了解物質轉換過程的荒謬的說法。他們對光子的光壓實驗等物理現(xiàn)象所肯定了的能量和質量的互相聯(lián)系定律，說成是能量和質量的相互轉換定律，他們把能量和質量看作是互相對立的，互不聯(lián)系的東西。假如把能量和質量互相孤立起

25、來看，則我們就必然會把物質的質量和表示它的運動的能量分離開來了，這樣推論下去，就會得出物質消滅而留下的只有運動，或是運動可以離開物質而獨立起來，這就是認為運動的源泉可以在我們意識底本性中找到的那種唯能論者的荒謬結論。 在以辯證唯物主義為基礎的物理學里，電子和陽電子轉變?yōu)楣庾拥默F(xiàn)象，是從一種物質的粒子?陽電子和電子轉變?yōu)榱硪环N物質的粒子?光子的物質轉變過程。在這個過程中，陽電子和電子的質量并沒有消滅，也并沒有轉變?yōu)閯e的什么東西，它仍然轉變?yōu)橐环N質量，就是光子的質量，同樣，光子的能量，并不是靠電子和陽電子的質量的消失而得來的，因為它們的質量并沒有消失，光子的能量，一部分是電子和陽電子原有的動能，一

26、部分是它們的固有能量轉變而來的。在對于各種原子核變化過程作定量分析的時候，常常發(fā)現(xiàn)變化前和變化后的靜止質量有所不同，一般在變化過程里，質量有所虧損。例如用質子打擊鋰原子核時，鋰原子核光吸收了質子，然后蛻變成為兩個氦氣的原子核，即兩個甲種射線的質點。如果把質子和鋰原子核的靜止質量加在一起，和兩個氦氣的原子核的靜止質量相比，則立刻就發(fā)現(xiàn)在變化過程里質量有所損失。但是，我們?nèi)绻⒁獾胶ぴ雍耸且詷O大速度向各方面飛出去的，則我們就可以察覺得到這樣高速的氦原子的質量比靜止的氦原子核質量是要大一些。而這些增加的質量，就等于變化過程中虧損了的靜止質量。同時，如果我們把質子的動能，質子和鋰原子核的固有能量加在一起，就可以證明等于兩個氦原子核的動能和它們的固有能量加在一起的總和。這就是說我們又一次證明了上面的結論，即是在能量和質量相互聯(lián)系的定律的統(tǒng)一基礎上，不論什么樣的物質變化，總是服從質量守恒定律和能量守恒和轉換定律的。從上面這些敘述里，好像物質的基本組成是電子，陽電子，光子，中子和質子等基本粒子。一切物質過程就是這些基本粒子的互相作用和互相聯(lián)系所組成的。這些過程服從質量守恒定律，和能量守恒和轉換定律，這兩個定律又被能量和質量的相互聯(lián)系定律統(tǒng)一了起來。物質世界是不是真正是