作者：王德云
出版社：河北科学技术出版社
格式: AZW3, DOCX, EPUB, MOBI, PDF, TXT
诡秘的射线试读：
前言
自然界、宇宙间存在着各种各样的射线，虽然我们对这些射线视而不见，听而不闻，可它们却时时刻刻地萦绕在我们的身边，我们身体的健康、我们周围的环境无不与这些射线有着密切的联系。然而，射线为什么具有如此奇妙的性质呢？它们又是如何影响我们的身体和自然环境的呢？
从19世纪中叶起，科学家们就开始研究一种神秘的、看不见的射线，大约经过了40年的时间人们才知道，这种从电场的阴极发出的射线实际上是一种电子流。在这40年间，人们借助阴极射线开发出了一系列的新技术，如今天我们所熟悉的释放出五颜六色光芒的霓虹灯就是这些技术的成果。20世纪，人们用阴极射线管形象地显示了一些物质的运动，我们更熟悉的就是早已走进千家万户的电视机和计算机显示器了。随着X射线和物质放射性的发现，人们找到了洞察更微小世界的利器，像晶体结构的分析、遗传密码的破译等。而行踪不定的宇宙射线的发现，则不但使人类认识了更加广阔的宇宙，它更是大大加快了人们对原子、原子核以及形形色色粒子的认识。正是射线把人类对宏观宇宙的认识同微观世界的探索紧密地结合在一起，从而使科学家们在浩瀚无垠的科学世界探索出一个又一个的新天地，发现一个又一个不可思议的新世界。所有这一切无不吸引着热爱科学的人们的目光。
本书在为青少年朋友们展示这些诡秘射线的同时，还将笔触伸向了研究射线的科学家们。青少年朋友在书中可以体会到科学家们不畏艰难的探索精神、精巧美妙的科学方法、严谨周密的逻辑思维、富于创新的卓越品格和他们成功后的甜美喜悦，正是他们这种执着地追求真理的精神，不断吸引优秀的年轻人补充到科学家队伍之中，使科学技术的队伍不断壮大，科学的事业更加辉煌，人类文明水平不断提高。
我们相信，阅读本书之后，青少年朋友们对那些射线的“诡秘”性质会有所认识。当然，大自然可能看上去有些“诡秘”，但大自然并无恶意，对科学征途上的无畏勇士来说，其中的秘密总会有被显露出来的那一天。也许未来的科学家们能更深刻地去认识自然的“诡秘”，那不但对个人是有趣的，对全人类也是有益的。王德云 刘树勇2002年5月于北京
一、奇妙的阴极射线
自然界呈现着形形色色的现象，真是令人眼花缭乱。在这众多的现象中，蕴含着物质世界无穷无尽的奥秘。人类就是在认识这些自然现象和揭示其中秘密的过程中，不断地推动科学技术的发展和社会的进步。其中人们对阴极射线的研究与探索便是典型的范例，这是19世纪人类在自然科学领域做出的重大发现之一，正是这一杰出的研究成果，导致了新型发光材料的问世和新型发光技术的应用；导致了电子的发现，为人类早日打开原子的大门奠定了基础。
著名的“费城实验”
电闪雷鸣这一为人们所熟知的自然现象，自古以来一直吸引着人们的目光，人们对这一现象的研究也可谓由来已久。
早在18世纪中期以前，人们对电的知识还知之甚少，对电的现象还很陌生。因此，那时的人们给闪电这一自然界司空见惯的放电现象披上了神秘的面纱，认为天上有“雷公”、有“电母”，把雷电称为“神火”。
为了彻底揭开雷鸣电闪的谜团，让人们认识“庐山真面目”，一个令人吃惊的“捕捉”雷电的实验，在美国费城拉开了帷幕，并取得了巨大的成功，这便是历史上轰动一时的“费城实验”。费城实验是由美国早期杰出的科学家——本杰明·富兰克林完成的。
富兰克林1706年出生在美国波士顿城一个贫穷的家庭，他的父母经营一个做肥皂和蜡烛的小作坊。富兰克林小时候就帮助父母干一些零活，剪烛芯、浇灌烛模他都会做。年仅12岁时，富兰克林就当上了一名印刷徒工。1728年，他与别人合伙办起了印刷厂。从此，富兰克林就成了一名普通的印刷工人。美国科学家富兰克林
早在1746年的时候，富兰克林就一面工作，一面从事有关电的性质方面的研究，尤其在大气放电方面，他做了大量的实验，并取得了显著的成就，为人类做出了特殊的贡献。1747年，富兰克林第一次把自然界中的电荷划分为两种：即阳电（正电）与阴电（负电）。他把玻璃棒与丝绸摩擦时，玻璃棒上带的电荷叫做阳电；而把橡胶棒与毛皮摩擦时，橡胶棒上带的电荷称为阴电。电荷的这种划分方法我们一直沿用至今。
在进行电的性质实验中，富兰克林惊奇地观察到，带有不同性质电荷的两个物体，当它们互相接触时会产生火花，这一重要发现使他受到很大的启发，他联想到了天空中发生的闪电现象。为了探索闪电的秘密，及早揭开“神火”的面纱，寻找闪电与电火花之间的联系，1752年的7月，他冒着生命危险，开始了“捕捉闪电”这一惊人的实验工作。
当时的天气正值雨季，时常有雷阵雨发生，是进行闪电实验的好时机。有一天，费拉尔德菲亚城的上空阴云密布，雷声滚滚，一场大雨即将来临。就在这个时候，富兰克林和他的儿子一起，用一根粗铁丝将丝绸做成的风筝，慢慢地送上了高高的天空。然后，把一条麻绳牢牢地系在铁丝的下端。他们父子俩站在草棚的屋檐下，富兰克林用力拉着绳子，在绳子的下端还系着一把金属做的钥匙，钥匙孔上拴有一条丝带。
一切准备就绪。这时，天空电闪雷鸣，他们静静地观察着，看有什么现象发生。实验开始时，并没有看到什么异常的现象。过了一会，下起了倾盆大雨，风筝和麻绳已经被雨水淋湿。这时，带着雷电的大块乌云，刚好漂浮在风筝的上空。于是，拴着风筝的铁丝便把阴云中的电荷引了下来，这时他们看到绳子上松散的细麻丝立即向四周竖了起来。这一现象表明，风筝和麻绳全都带上了电。随后，富兰克林又把带有电荷的钥匙与放在身旁的莱顿瓶上的金属球相接触，这等于给莱顿瓶充了电。紧接着，他又用莱顿瓶放出的电火花点着了酒精灯。实验成功了！
这一连串精彩的实验结果，充分表明了闪电与人工摩擦方法获得的地上的普通电荷没有什么两样，丝毫看不出它们之间的差异。这样一来，闪电神秘的面纱就被彻底撩开了，露出了它的“庐山真面目”。闪电并不是什么“神火”，而是自然界发生的一种大规模的放电现象。当带有大量不同性质电荷的云团相互接近时，它们之间产生的强大电场将空气电离，从而产生火花放电；当带电云团与地面之间发生放电时，便会产生大家熟知的雷击现象，往往会引发火灾，危及人和动物的生命安全，造成财产的损失。为此，富兰克林还研制出“避雷针”，这种避雷针实际上就是一根带尖的铁棒。将它安装在建筑物的顶端，并用导线连接到地面，当带电的云团在建筑物上空游动时，云中的电就在避雷针上感应出相反的电荷，并使二者的电荷中和，这样就避免了雷击。富兰克林在费城竖立起了世界上第一个避雷针。
发生闪电时，云层之间、云层与地面之间的电势差高达几十亿伏，放电电流可达到几十万安。产生的雷声能够传至几千米，甚至几十千米；强大的闪光数千米以外都可以看到，真是一幅奇妙的天然景观。由此不难看出，当闪电发生时，云层之间的放电是多么猛烈。避雷针的发明使人类避免了许多灾害
闪电放电的时间非常短暂，仅有0.0l秒，有时会更短。然而，这瞬间释放出来的能量却高达1×106亿焦，相当于1万吨优质煤完全燃烧时所释放出来的巨大能量。想想看，如果有什么好的办法，将这一可观的天然能量贮存起来，供人们使用，造福于人类，这无疑是一件非常有意义的事情。如何实现这一美好的愿望呢？还有待于人们去研究、去探索。
青蛙实验引发的思考
1780年，意大利波洛尼亚的一位名叫路易齐·伽伐尼的医生，利用闪电替代电机产生的电火花，进行有关“动物电”的实验研究。当大雨来临的时候，伽伐尼便在小院中间架起一根与地面绝缘的长铁丝，在铁丝上挂着一条青蛙的大腿，大腿的下端用另一根铁丝与院中的井水相连。实验中，每当电闪雷鸣的时候，他便清清楚楚地看到青蛙的大腿在不断地抽动，好像死了的青蛙，而它的大腿还活着。对这一实验现象，伽伐尼经过仔细地分析研究，明确指出，这种新奇的现象并不神秘，它是一种“电”在起作用。
为了进一步揭示这一实验结果的真相，伽伐尼又进行了深入地研究。他把两种不同金属的导线与青蛙大腿组成一个闭合的导电回路。这时，他发现青蛙大腿的抽动现象消失了。伽伐尼把这一重要发现和实验中观察到的结果，撰写成论文公布于众。文章发表后，引起了人们极大的兴趣。当时人们对伽伐尼的发现给予了高度的评价，认为伽伐尼出色的工作，在生物学、物理学以及医学等领域将引发一场风暴。这个实验的条件比较简单，很容易重复做，凡是有青蛙的地方，只要手头有两种不同的金属材料，人人都能够做这个实验，亲眼看到断肢“复苏”的奇妙现象。实际上，这就是人们早期对生物电流的一种尝试。
不论富兰克林引闪电的实验，还是伽伐尼关于青蛙的“生物电”实验，都是借助于自然界中的电现象来完成的。通过这些耐人寻味的实验，启发了人们新的思索：能否用人工方法产生的电来进行实验呢？如果这种想法能够实现，再做这些实验的时候，人们就可以不受自然条件的限制了。这样，无论在室外还是在室内，都能够随心所欲地进行实验，从而为实验工作带来了极大的方便。意大利科学家伽伐尼
19世纪前后，人们经过长时间的研究与探索，终于找到了产生电的方法。其中，意大利的一位科学家名叫伏打，他研制出了“伏打电池”。他在一个装有盐水的玻璃瓶内，放入一块铜板和一块锌板，便组成了一个小电源。这种比较原始的电源，就是如今人们经常使用的各种型号的干电池的前身。它的出现，无疑为电学的研究提供了非常有利的条件。由于这种电源的体积比较小，便于移动和携带，有力地推动了电学实验的开展。在19世纪，电学领域的研究工作飞速发展，并取得了许多重要的成果，其中包括欧姆定律的形成、电磁感应现象的发现、麦克斯韦方程组的建立等。
1851年，法国的一位科学家鲁姆科夫，研制出了性能很好的电感线圈，这种电感线圈可以产生20多万伏的高压。使用这种电感线圈产生的放电火花，可长达40多厘米，那跳动的火花，令人兴奋不已。以后，电感线圈又经过了多次改进和完善。至今，它仍然是实验室必不可少的高压电源。意大利科学家伏打
多姿多彩的盖斯勒管
火花放电现象吸引着众多的爱好者，不少人参与了这一现象的研究。为了便于对放电现象的观察、研究，有人把它引入到玻璃管内：在一个密封的玻璃管中，装有两个电极，再把电极与电感线圈相连接，接通电源以后，把玻璃管中的空气慢慢抽出来。一边抽气，一边注意观察玻璃管内会发生什么现象。
实验开始时，两个电极之间并没有出现噼啪作响的放电现象。但是，当玻璃管内的空气抽到相当稀薄的时候，你就会发现玻璃管内的气体会发光。大家知道，空气是看不见的，而且，空气本身也是不发光的。那么，玻璃管中的发光现象究竟是怎么一回事呢？经过反复实验、仔细观察，人们终于认清了事情的真相。原来，玻璃管中的发光现象，是由于管中气体放电产生的，这与前面讲到的闪电现象是同一个道理，只是没有发出响声而已。当然，玻璃管中放电的规模和剧烈程度是无法与闪电的放电情形相比的。这就是历史上人们早期在实验室中观察到的气体放电现象，它距今天已有100多年的历史了。
那个时候，德国有一位吹玻璃泡的工人，名叫盖斯勒。1854年，盖斯勒精心研制出了一台水银真空泵。利用这种泵，能够将玻璃管中的气体抽得比较干净，从而可以获得高度的真空，使管内的气体压强降到1万帕以下，这就为研究气体放电规律提供了有利的条件。
在实验中，人们根据不同的需要，在已抽成高度真空的玻璃管内，充入各种不同的稀有气体。当管中两个电极之间接入高压时，产生放电现象，由于不同的稀有气体放电时会发出不同颜色的光，这样，人们便可以看到玻璃管内五颜六色的彩光。盖斯勒的手艺非常高超，他能够吹制出形状各异的玻璃管，构成各种各样的图案；再在每一种玻璃管组成的图案内，充入少量的稀有气体，给它们接通电源以后，不同图案由于充入的稀有气体不一样，于是，人们便可观赏到绚丽多姿的发光图景。这些妙趣横生的彩色玻璃管，给人们留下了难以忘怀的记忆。因此，人们常常亲切地把这些玻璃管称为盖斯勒管，实际上，这就是如今广为流行的霓虹灯的前身。
从那时候起，随着社会的发展，科学技术的进步，盖斯勒管也在不断地改进和完善着，逐渐发展成了今天的霓虹灯。目前，霓虹灯已成为点缀城镇美丽夜景的一道亮丽的风景线。它作为一种气体电光源，在装饰门面和广告宣传等方面得到了广泛的应用。人们还可以把细长的玻璃管做成图案、文字、广告牌等，并根据所需要的颜色，在管中充入相应的气体。比如，充入氖气，会发出橘红色的光；若充入的是氩气，发出的光是淡蓝色的。如果在玻璃管的内壁涂上不同的荧光粉，可以发出多种颜色的光，让人眼花缭乱，耳目一新。倘若把不需要发光的部位全部涂黑，这样，所需要的图案、文字就越发突出，更引人瞩目，就会产生更好的视觉效果。
克鲁克斯的贡献
英国科学家克鲁克斯盖斯勒管发出的奇光异彩，引起了英国科学家威廉·克鲁克斯极大的兴趣。在盖斯勒工作的基础上，克鲁克斯致力于提高玻璃管真空度的研究，以便更好地观察玻璃管中气体的发光情况。经过深入探索，反复实验，研制出了以他的名字命名的“克鲁克斯管”。使玻璃管内的真空度在原来的基础上，又提高了几万倍，已不到0.01帕。用这种高真空度的玻璃管，进行气体放电现象的实验，取得了不寻常的效果：以前放电时的发光现象看不到了，而在阴极对面的玻璃管壁上却看到了奇妙的黄绿色的光。玻璃本身是不会发光的，那么，这种带有颜色的光究竟是怎么产生的呢？为了寻找答案，克鲁克斯对实验进行了认真的分析，他认为只有一种可能的解释：从阴极发射出了一种人们看不到的射线，或者是一种尚未被人们认识的极其微小的粒子，这种射线或微小的粒子与玻璃管壁相撞后，产生了一种发光现象。为了验证这种推断是否正确，克鲁克斯制作出一个形状很像鸭梨的大玻璃管，并在管内安装了两个电极。实验时，他首先将管中的气体抽出，使管内形成高度的真空；然后，在两个电极之间加入高压。实验中，他清楚地看到了那诱人的黄绿色的光，但发光位置仅限于梨形玻璃管的底部。然而，引起管壁发光的这种物质到底是什么，他仍然没有认识清楚。但是，有一点是可以肯定的，这种物质是从阴极发射出来的，因此，克鲁克斯把它叫做“阴极射线”；产生这种射线的玻璃管叫做“阴极射线管”，也就是前面谈到的克鲁克斯管。梨形管“阴极射线”的真实身份究竟是什么呢？它是一种“光波”，还是一种“粒子流”，这是大家非常关注的问题，关于这个谜团，人们曾经争论了长达20多年。在这期间，不少人设计过各种各样的实验，用来研究、观察这种射线的行为。有的科学家在真空玻璃管中的两个电极之间，放置一个用云母片制作的小风车，当接通电源时，可以看到小风车立即旋转起来。凡是亲手玩过风车的，或者看见别人玩过风车的人，都会有这样的常识：把小风车放在阳光下，不论照射的阳光有多强，只要没有刮风，风车是不会转动的；只有被风吹动，或者拿着风车向前跑动时，风车才会旋转起来。可见，要想使风车转动，必须给它一个推力。由此，人们联想到玻璃管中的小风车，一定是受到了足够大的作用力，才转动起来的。像光线那样的射线，显然没有那么大的冲击力能够让风车转起来。那么，使小风车转动起来的真正原因是什么呢？有人认为，一定是高速运动的粒子流在起作用吧！
进而，人们推断：从阴极发射出来的射线并不是一般的无形射线，如太阳光、灯光等，而应是粒子流。由此人们得出结论，阴极射线不是别的，而是由阴极发射出来的高速运动的粒子流，这些粒子被人们称为阴极射线粒子。至此，人们对阴极射线的认识取得了突破性的进展。马蹄形磁铁
然而，问题并没有了结。人们自然会问，阴极射线粒子到底是一种什么样的粒子呢？为了进一步揭开这个谜底，人们同样设计了不同形式的实验，对这种粒子的性质进行了深入细致地研究。其中具有代表性的一个实验是这样的：首先，在靠近阴极射线管的下方，放置一个马蹄形磁铁。当管中的电极板接通电源时，可以清楚地看到，玻璃管壁发光的位置向上偏移，表明射线粒子受到一种向上的作用力；随后，人们把磁铁拿开，而在射线管附近放置一对金属板。将金属板与电源的正、负极相接，这时，看到玻璃管壁发光部位向下偏移了。根据阴极射线粒子在电磁场中的运动情况，可以清楚地知道，这种粒子带有电荷，并且带的电荷是负的。这样，人们经过一系列的实验研究，终于对阴极射线粒子的性质有了更加深入的认识，克鲁克斯为此做出了重要的贡献；同时，也为人们进一步彻底认清阴极射线粒子的真面目，奠定了坚实的基础。
“宇宙之砖”神话的破灭
在对阴极射线大量研究工作的基础上，为了进一步揭示电与实物的联系，英国一位著名的物理学大师约翰·汤姆逊从1886年起，对气体放电现象和阴极射线便开始了长期深入的研究，并且为揭开原子的秘密，进行了具有划时代意义的探索工作。
2000多年以来，人们一向认为原子是构成世间万物的最基本单元，是无法再分割的最小微粒。人们通过对阴极射线粒子性质的测定，已经知道它带有负电荷。而原子是呈中性的，显然，阴极射线粒子绝不是“原子流”。既然如此，它究竟是什么呢？这一令世人关注的难题，汤姆逊经过近十年的潜心研究，终于找到了明确的答案。
事情是这样的，1897年，汤姆逊使用一只真空玻璃管，对阴极射线粒子的电荷与质量的比值进行了精确的测定。他在玻璃管内安装上两个电极，玻璃管右端的内壁涂有荧光物质，一旦有粒子打在这种物质上，立刻有闪光发出，这样便于人们观察与测量；另外，在玻璃管的中部平行放置两块金属板。汤姆逊的真空玻璃管
将电极与电源接通，于是有粒子从阴极发射出来，这些粒子穿过阳极板后，直接打到玻璃管右端中间的位置，人们能够清楚地观察到黄绿色的光斑。然后，将金属板与电源相接，玻璃管周围空间建立起电场。这时，若有带电粒子从中穿过，必定受到电场力的作用，使粒子的运动方向发生改变，粒子会向上或向下偏转，这样，玻璃管右端发光位置也会跟着上下移动。
倘若把玻璃管置于磁场中，那么，带电粒子在磁场中运动时，要受到磁场力的作用，粒子的运动方向也会发生改变。于是，人们可以根据阴极射线粒子在电场力和磁场力作用下的偏转情况，测量出粒子所带电荷与它的质量之比，这个比值称为粒子的“荷质比”，不同的粒子，这个比值是不一样的。因此，人们常常把荷质比视为一个粒子的标志量。只要在实验中，将一个粒子的荷质比测定出来了，就意味着这种粒子已经被找到了，这是人们确定粒子和区分粒子的非常重要的方法。
汤姆逊当时发现的这种粒子，正是如今人们非常熟悉的“电子”。由此不难看出，阴极射线是由电子组成的粒子流。至此，长期以来披着神秘面纱的阴极射线，终于被人们彻底认清了它的真面目。
由于汤姆逊最先确认了电子的存在，因而，他常常被人们赞誉为“电子之父”。
电子的发现，意义非常深远。人类对于物质微观结构的探索，经历了漫长的岁月，走过了坎坷的历程。电子发现之前，人们一直认为原子是自然界中不能再分的最小单元。原子的英文是“atom”，在希腊文中就是不可分割的意思。氢原子是原子大家族中最轻的成员，有“宇宙之砖”的美称。然而，通过阴极射线粒子荷质比的测定，知道这种粒子的质量非常小，仅有氢原子质量的两千分之一。言外之意，自然界中还存在着比氢原子小得多的粒子。这样，氢原子“宇宙之砖”的美称也就破灭了。
众多的科学家，由于受到长期以来传统观念的束缚，对于汤姆逊给出的实验结果，他们不敢相信。在这些人的心目中，自然界不可能存在着比原子更小的粒子。因此，他们认为汤姆逊的测量结果是荒唐可笑的；甚至，有些人竟然把汤姆逊的这一重大发现，嘲讽为江湖骗子。
面对着世俗的偏见和一些人的冷嘲热讽，汤姆逊并没有退缩，这正是他与众不同之点，也正是他的可贵之处。他敢于面对实验事实，勇于打破“宇宙之砖”的神话，果敢地承认：自然界存在着比原子更小的粒子。英国科学家汤姆逊
电子是人类认识的第一个“基本粒子”，电子的发现具有划时代的意义。因此，汤姆逊因为这一杰出贡献而名扬天下。
汤姆逊1856年12月18日出生在英国曼彻斯特附近的市郊，他自幼聪明好学，14岁时就进入曼彻斯特的欧文学院学习。汤姆逊最突出的特点是善于独立思考，学习中遇到的新问题，他总是凭借自己的努力，使问题得到解决。
后来，汤姆逊又来到英国著名的剑桥大学三一学院学习。在这期间，由于他的学习成绩出类拔萃，他成了三一学院第二位“斯密斯奖学金”获得者。
1880年，汤姆逊开始攻读博士学位，毕业后留校工作。1884年，他被英国著名的实验室——卡文迪什实验室聘任为物理学教授，当时年仅28岁。
1918年，汤姆逊开始担任三一学院的院长，在这个职位上，他辛勤耕耘了22年，直至1940年8月30日逝世。
汤姆逊一生中，从事科学研究工作长达半个多世纪。在剑桥，他建立起规模庞大、设备非常完善的实验室，世界各地的科学家经常到这里开展研究工作，其中有7位科学家相继荣获诺贝尔奖，有55位成为各大学的教授。
汤姆逊的一生，可谓成绩卓著，他最具代表性的科学成果当属电子的发现。为人类探索物质微观世界的奥秘，他做出了开拓性的工作，也因此而荣获了1906年度的诺贝尔物理学奖。
另外，通过大量的实验，汤姆逊还发现了一个重要的现象：不管阴极板是用什么材料制作的，由阴极发射出的粒子总是一模一样的，这表明这种粒子是组成各种材料的共同成分。换句话说，电子是组成各种原子的共有成员。若事实果真如此，那么，必然会出现新的矛盾。人所共知，原子是呈中性的，如果原子内存在着带负电的粒子，显然，原子内必定还有带正电荷的成分。由此人们不难看出，原子不是一个简简单单的粒子，它一定有着复杂的内部结构。这样一来，“原子不可分”的传统观念也就不攻自破了，人们对原子的认识，从此将揭开新的篇章，这也标志着人类对于物质微观结构的探索迈入了崭新的阶段。因此，汤姆逊的重大发现，不仅在物理学发展史册上具有里程碑的意义，而且还有着非常重要的哲学意义，它无可争辩地证实了，物质无限可分的观点是正确性的。
因此，汤姆逊被人们赞誉为最先打开原子物理学大门的伟人。
二、X射线之谜
一个重要自然现象的发现，往往会影响和带动一个甚至几个科学技术领域的研究与发展，19世纪末X射线的发现就是一个很好的范例。X射线发现之后的第二年，人们便发现了天然放射现象，从而为人类探索物质的微观结构，开辟了一条崭新的途径。此后不久，X射线又开始应用于医学领域，从而为医学领域的诊断和治疗带来了一场深刻的革命，给人类带来了莫大的福音。X射线从发现到临床应用，只经历了短短几个月的时间，创下了科学发展史上的奇迹。伦琴的礼物19世纪，是人类历史上一个非常重要的发展时期。工业革命的兴起，带动了基础理论的研究；反过来，基础理论的研究成果，又进一步推动了工业的发展。特别是19世纪中期，随着电力的广泛应用，人们对于生产过程中出现的放电现象，产生了浓厚的兴趣，其中对阴极射线的研究，到19世纪的后期，已经形成了热潮。
这一研究领域中，具有代表性的人物当属德国杰出的科学家伦琴了。威廉·康瑞德·伦琴于1845年3月27日出生在莱茵河靠近荷兰边界的伦内普，从小伦琴就喜欢到野外活动和参加一些手工劳动。1862年，年满16岁的伦琴进入乌德勒支技术学校学习；两年以后，他考取了苏黎世科技学校，成为一名机械工程专业的学生。
在校学习期间，他的一位老师——物理学教授孔脱，希望他能够放弃技术职业方面的学习，专门从事纯科学方面的研究工作。孔脱教授的指引，对于伦琴一生跋涉科学旅途起了决定性的作用。常言道：有千里马，还需要有伯乐；做千里马难，做伯乐更难。
1868年伦琴取得了机械工程文凭之后，第二年他又取得了哲学博士学位。完成学位以后，他作为孔脱教授的助手，开始从事教学和科学研究。在孔脱老师的支持与帮助下，加上自己的刻苦努力，伦琴的事业取得了极大的成功，他先后被霍恩海姆农学院、施特拉斯堡大学、乌德勒之大学、维尔兹堡大学等院校聘为教授。1894年，伦琴担任了维尔兹堡大学的校长。1895年，伦琴在前人工作的基础上，继续深入研究阴极射线的有关问题。在一个严冬的夜晚，伦琴正在维尔兹堡大学的实验室里全神贯注地做实验，实验中，他发现了一种意想不到的现象，这使他感到格外的兴奋。
实验的过程是这样的：当伦琴把高压线圈产生的几万伏特的电压，接到真空玻璃管内的电极上时，在两个电极之间产生了一种看不见的，但性质又非常特别的射线。这种射线，能够使涂在玻璃管壁上的荧光物质——氰化铂钡发出黄绿色的光。若把涂有这种物质的屏幕离开玻璃管一段距离，并且中间用一块硬纸板把玻璃管挡住，依然可以看到屏幕上发出的荧光，这是以前实验中从未遇到过的现象。
根据有关阴极射线的实验，人们已经知道，阴极射线是一种粒子流，它绝不会跑到玻璃管外面来，更没有本事穿过这样厚的硬纸板。伦琴对这一实验结果感到很奇怪，他觉得真是难以理解。伦琴和他的实验室
为了进一步研究这种新射线的性质，搞清楚这个不速之客的真实“身份”，伦琴在玻璃管与屏幕之间放了一本比较厚的书，结果照样可以看到荧光。随后，他又把一块薄木板放在了书的后面，仍可清楚地观察到荧光，只是荧光的亮度有所减弱。
通过这一连串的实验，我们不难看出，这种新射线具有相当强的穿透能力。因此，伦琴断定，这种射线绝不是从阴极发射出来的，它是以前人们从未遇到过的一种新的射线。
伦琴继续进行实验时，更有趣的事情发生了，当他把自己的左手放到玻璃管与屏幕中间时，惊奇的一幕展示在他的面前：他的手指骨清晰地出现在屏幕上，好像是五根黑糊糊的干树枝拼凑起来的一样。毫不夸张地说，这是他一生中最惊奇的发现。实际上，伦琴是世界上第一位透过人的皮肤和肌肉组织，能够直接看见骨头的人。
后来人们为了纪念伦琴为科学事业做出的重大贡献，便以他的名字命名这种新射线，即“伦琴射线”，伦琴也因为发现伦琴射线而荣获了1901年度诺贝尔物理学奖。他是自诺贝尔奖颁发以来第一位获此殊誉的人。伦琴把获得的奖金赠送给了维尔兹堡大学，用以促进学校科学研究事业的发展。
伦琴的一生，致力于物理教学和科学研究工作，发表的论文达365篇。在物理学的不少领域，特别是力学、电学、热力学等方面，取得的成就尤为突出，为物理学的发展做出了杰出的贡献。
伦琴新射线的发现及其重要的实验成果，引起了人们广泛的关注和极大的兴趣。尤其是医学界，更为重视，很快给医学领域带来了一场深刻的革命，这也是给世人带来的福音。伦琴做出的贡献，是向人类、向新世纪奉献的最可贵的礼物。
揭开新射线的谜团
伦琴发现的新射线到底是什么呢？为了认清它的本质，人们从各方面对射线的性质进行了深入的研究。然而，十几年过去了，仍然没有给出肯定的答案。于是，人们便采用了数学语言中的未知量“X”，赋予这种射线一个奇怪的名字——“X射线”。这样一来，使这种新射线从发现时起，就披上了一层神秘的面纱，而这个名称却一直沿用至今。
德国物理学家劳厄在前人工作的基础上，继续对X射线进行仔细地研究。他将X射线照射到晶体制作的靶上，于是，他在屏幕上观察到了非常熟悉的衍射图样。依据这种衍射现象，劳厄指出，X射线不是别的，而是一种波长非常短的电磁波。这一重要论断，犹如拨开乌云见晴天，困惑人们多年的谜团终于被揭开了。劳厄由于发现了X射线在晶体中的衍射现象，并进一步揭示了X射线的本质，因而在科学界享有很高的声誉，并且荣获了1914年度的诺贝尔物理学奖。
如今，人们对于X射线已不陌生，已经知道它是高速运动的电子与固体相撞时产生的一种电磁辐射。同人们熟悉的可见光相比，X射线的波长是非常短的，一般在0.001纳米到10纳米。人们把波长大于0.1纳米的称为软X射线；而把波长小于0.1纳米的叫做硬X射线。伦琴夫人的手指X线照片
X射线除了具有可见光波的一般特征，诸如反射、折射、干射、衍射等现象以外，它还具有一些特殊的性质，主要表现有：
第一，由于X射线波长非常短，因此，它具有很强的穿透本领。在伦琴发现X射线的实验中，我们已经看到了这一点，它能够穿透比较厚的硬纸板和书。X射线的这一重要特征，有着广泛的应用。伦琴把发现X射线的实验过程和观察到的现象写成了论文，发表在医学杂志上，并将他夫人手指骨的照片也公布于世，这引起了各方面强烈的反响，特别是医学界，对此尤为重视。X射线发现后仅3个月的时间，维也纳的一家医院在外科治疗中，首先采用X射线给患部拍片，用来诊断病情。这一方法的应用，不仅缩短了诊断时间，而且使病情的诊断也更加准确，这样更有利于疾病的治疗。从X射线发现到实际临床应用，周期如此之短，这在科学技术发展史上是前所未有的。
第二，X射线具有很好的感光作用。它能够使氯化锌、硝酸银等荧光物质发光，也很容易使照相胶片感光。X射线的这一性质，也得到广泛的应用，为医生做胸透、断层分析、诊断外科病情等提供了简便而有效的方法，对于病人来说，也没有任何痛苦的感觉。
第三，X射线有很强的电离作用。当X射线从气体中穿过时，它能够使气体电离，从而将中性的气体变成了带电的离子。X射线的这一作用在纺织、印刷等行业中有着重要的意义。纺织、印刷等生产过程，由于摩擦使物体及周围空间积累大量的电荷，气体电离后产生的电子和离子，能够将这些电荷中和掉，从而消除了静电隐患，保证了生产安全进行。另外，还常常运用这种方法进行静电除尘，使周围环境得到净化，有益于人们的身心健康。
探析精巧的晶体结构
谈到晶体，人们会马上联想到冬天下雪时飘落的雪花，那是水蒸气在空中凝结而成的晶体。尽管雪花的形状各异，但当你仔细观察时，不难看出，它们都是规则的六角形图案。金刚石和石墨晶体的空间结构，可谓巧夺天工，令人赞叹不已；水晶的结构更是让人耳目一新，独放异彩……每一种晶体都有自己独特的造型，真可谓千姿百态，人们被晶体结构那神奇的构造、巧妙的组合所倾倒。
对晶体结构的研究，是人类探索物质微观结构的重要组成部分。随着科学技术的发展，探测手段的改进，人们对于晶体结构的认识也在不断地深入。矿物的开采等，使人们对晶体的外部特征有了一些感性的知识，而妙趣横生的晶体外形，又必然驱使人们去进一步探究它内部巧妙的结构。雪花
早在17世纪初，著名的天文学家开普勒在《六角形的雪》一书中就曾指出：雪是由许多球体紧密堆积而成的。荷兰的一位名叫惠更斯的物理学家，于1690年也提出：方解石晶体是由椭圆形的小微粒组成的。
到19世纪中期，人们对晶体内部结构的研究取得了突破性的进展，已经认识到晶体是由原子组成的。而组成晶体的这些原子，它们按照一定的规则排列得整整齐齐，原子之间的距离很小，晶体这种有规则的内部结构，常常被人们称做“空间点阵”。
有关晶体的这些看法，在那个时候由于缺乏足够的实验依据，还只是作为一种假设提出来的。晶体的内部结构究竟是什么样子，还有待于进一步地研究。X射线的发现，无疑对这一问题的解决发挥出了重要的作用。
20世纪初期，德国物理学家劳厄曾对X射线进行过深入的探索。劳厄明确指出，如果把晶体的点阵结构视为一个光栅的话，当X射线照射到晶体上时，在晶体中离子的作用下，便会产生衍射现象，如同一束普通的光，照射到光栅上产生的衍射现象一样。在劳厄这种思想的引导下，一些科学家成功地进行了这方面的实验，并且取得了令世人瞩目的成果。
实验中使用了能够产生X射线的X射线管，由射线管发出的X射线，通过铅板之间的狭缝以后变成了一窄束。当X射线照射到晶体上时，屏幕上能够清楚地看到X射线产生的衍射图样。在X射线照射下形成的衍射图样，称为“劳厄斑”。这一实验结果，充分证明了人们关于晶体内部结构的假设是正确的，同时，也进一步证实了X射线是一种波长很短的电磁波。至此，人们对于X射线的性质有了更加清楚的认识。
劳厄关于X射线在晶体中衍射现象的发现具有重要的意义，它为人类研究、探索物质的微观结构，开辟了一条崭新的途径和有效的方法。故此，劳厄荣获了1914年度诺贝尔物理学奖。爱因斯坦称赞劳厄的发现“在物理学中是一种最优秀的发现”。X射线晶体衍射
父子同获诺贝尔奖
在劳厄研究工作的基础上，英国著名的物理学家亨利·布拉格和劳伦斯·布拉格父子俩对X射线在晶体中的衍射现象，进行了更加细致的研究，并做出了突出的贡献，为揭示晶体内部的结构，开拓了新的途径。
劳伦斯·布拉格1890年3月31日，出生在澳大利亚南部的阿德莱德。他在阿德莱德大学学习期间，数学学习非常出色，成绩名列前茅。1909年，年轻的劳伦斯·布拉格来到了英国剑桥大学三一学院学习，他希望把自己培养成为一名出色的数学家。然而，一年之后，布拉格改变了自己原来的想法，他对物理学产生了浓厚的兴趣。这一改变，对于他后来的成长产生了非常大的影响。兴趣爱好，对一个人来说，在他成长过程中所起的作用，往往是难以估量的。这方面的事例不乏其人。每一位年轻的读者，都会从布拉格的成长经历中获取有益的启迪。
1912年，劳伦斯·布拉格在三一学院获得了第一级荣誉学位。这一年的秋天，他开始研究劳厄关于X射线在晶体中的衍射问题，并取得了新的进展。在以后的两年中，他又与其父——亨利·布拉格密切合作，共同研究X射线在晶体衍射中更深层次的问题。英国科学家劳伦斯·布拉格
他们通过这一衍射现象发现，在晶体内部，原子或离子都是按照一定的格式，在空间有序地排列着，形成了一组组平行的平面，也就是前面谈到的“空间点阵”结构。它是人类运用X射线技术，研究晶体结构取得的重大成果。
在以后的工作中人们还发现，利用同样的方法，借助于X射线的衍射结果，还可以研究大分子的结构特征……在大量实验工作的基础上，布拉格父子还总结出了认识晶体结构的重要规律，被世人称为“布拉格公式”，从而为人们开展这方面的研究工作提供了有益的理论依据。
由此可以看出，X射线的发现，为透析晶体结构、探索物质微观的奥秘提供了非常好的方法和手段。
另一方面，如果人们知道了某种晶体的结构，那么，反过来也可以利用布拉格公式，很容易计算出X射线的波长。由此，人们找到了一种能够测定X射线波谱的有效方法，通常称为“晶体法”。
随着研究工作的深入，布拉格父子于1913年的3月创造性地研制出了第一台X射线摄谱仪。这台仪器有着多方面的用途，用它既可以进行X射线的光谱分析，也可用来探求X射线与普朗克常数之间的关系等。不仅如此，他们还把复杂的晶体结构有关问题进行简化，然后制成标准程序，并编写成书——《X射线与晶体结构》，为人们从事这方面的研究，提供有益的方法和理论依据。
鉴于布拉格父子利用X射线分析研究晶体结构方面做出的卓越贡献，他们二人共同分享了1915年度诺贝尔物理学奖。获此殊荣时，劳伦斯·布拉格年仅25岁。时至今日，他依然保持着诺贝尔奖获奖者中年纪最轻的记录，成了年轻一代学习的楷模。
父子俩共同研究、探索同一个课题，并且同时获此殊荣，这在诺贝尔奖颁发的历史上尚无先例。这也成为科学史上的一段佳话。从前人那里发现智慧，从前人那里受到启迪，对于青少年一代的成长将是有益的。
原子的“指纹”
在人类探索物质微观结构的进程中，人们认识最早的粒子便是原子。从15世纪下半叶起，随着自然科学的不断发展，人们通过对大量的物理现象和化学现象的深入研究，已经认识到了原子的实在性。特别是通过物质化学运动方面的研究，人们不仅认识了原子许多基本的特性，而且，也认识到原子本身是多种多样的。但是，那个时候人们一向认为，原子是构成世间万物的、不能够再分的“原始物质”。正是这些原子构成了天体、我们的地球以及自然界中的一切，也包括了声、光、电，甚至连社会现象和思维现象都可以归结为原子的机械运动。总之，人们认为原子是构成世间一切一切的最小单元。这幅“原子世界图景”，虽然可以使人们了解到原子世界的绚丽多彩，但是它却制约着人们对物质世界更深层次的认识与探索。
按照原子论的学说，各种原子没有质的区别，只有大小、形状和位置的差异，这些原子始终处于永不停息的运动之中，它们以各种不同的方式相互结合，从而可以构成五颜六色的大自然。
截止到目前，人们已经认识到，自然界中的各种物质是由100多种最基本的物质单元构成的，人们通常称这些单元为“元素”，比如，氧元素、氢元素、铁元素……好像音乐简谱中的七个音符，由这几个小小的音符，便可以组成人间众多的、美妙动人的旋律；同样，由这些元素也可以构成种类繁多的物质世界。
每一种元素都有一种原子与之对应，同一种元素的原子具有相同的性质，它们的大小、形状和质量完全一样；而不同元素的原子，它们的性质则各异。目前，连同各种元素的同位素在内，原子的总数已多达几百种，其中大部分是自然界存在的。在元素周期表中，92号元素以后的各个元素，都是通过人工方法制造出来的。
电子发现以后，揭开了原子的秘密。原子世界仅仅是物质微观结构中的一个层次。随着现代科学技术的飞速进步，尤其是原子核物理学科的建立与发展，原子世界内部的奥秘越来越多地被揭示出来。短短的几十年间，人们在探索原子世界方面已经取得了巨大的成果，一幅幅美妙的图画已展现在世人的面前。
原子内部是一个非常复杂的系统，它是由更微小的粒子构成的。1911年，英国物理学家卢瑟福在前人工作的基础上，结合实验研究的成果，大胆地提出了原子有核模型的新思想，把原子划分为原子核与核外电子两部分。原子核仅占据原子中心很小一部分，但是，它却集中了原子99.9%的质量。原子核密度之大，真是令人惊讶，每立方米高达1017千克。如果把原子核一个一个地排列起来，装满一个小小的火柴盒，那么，这个火柴盒的质量相当于整个喜马拉雅山的总质量。这样高密度的物体，在地球上，人们还从未发现过。只有在浩瀚无垠的宇宙间，才能够找到它们的踪影，像中子星、黑洞等这些天体，它们的质量密度可以达到这样的数量级。发现原子“指纹”的英国科学家巴克拉
自然界中为数众多的原子，它们的结构类似，长得模样都差不多，那么，人们怎样才能准确地区分它们呢？要想做到这一点，需要设法找到每一种原子，它们最具代表性的特征是什么。只要知道了这些不同原子的特征标记，就等于掌握了分辨它们的方法。原子的这种“特征标志”就好比人的“指纹”一样，尽管每个人的手外形长得都差不多，然而，它们的“指纹”却截然不同。每个人都有自己独特的指纹，因此，指纹便是区分每一个人非常重要的标记。读者会有这样的常识，公安人员在办案的时候，常常会在蛛丝马迹当中，依据作案人员留下的小小指纹，可以获得意想不到的结果，对侦破案情往往会起到关键的作用。
对于原子来说，究竟什么是区分它们的标记呢？也就是说，原子的“指纹”是什么呢？英国的一位物理学家、诺贝尔物理学奖获得者格洛维·巴克拉圆满地解决了这个神秘的问题。
科学家们在实验中发现，任何一个带电粒子，当它做加速运动的时候，会不断地以发射光子的形式，向外辐射能量。若将X射线管与电源相联接，阴极发射出来的电子，在电场力的作用下，会获得很高的能量。这些电子在与阳极板相撞时，由于遇到了障碍物，电子运动急剧改变，会产生很大的加速度。这样，电子就会不断地向外释放能量，这正是前面讲到的X射线产生的情况。
科学家们进一步研究发现，当X射线管接入的电压比较低的时候，产生的X射线光谱是连续变化的，而且，不论阳极板是用什么金属材料制成的，产生的光谱是一样的，均为连续光谱。但是，如果接入的电压足够高的话，情况就完全不同了，这时，形成的X射线光谱不再连续变化，而是形成独立的光谱，即光谱线是一条一条分开的，人们将这种光谱称为“线状光谱”。采用不同材料制作的阳极板，实验中观察到的线状光谱完全不同。例如，用金属钼制作的阳极板与金属钨制作的阳极板，产生的线状光谱存在着明显的差异。这一实验结果，给予人们很大的启示，为探寻区分原子的方法指出了方向。
因为任何一种阳极板，制作它的材料都是由原子组成的，使用的材料不同，其原子自然不一样。比如，钼原子与钨原子是性质不同的两种原子。由此表明，不同的原子形成的线状光谱是不一样的。通过大量的、反复的实验，人们惊奇地发现：每一种原子都有自己特定的线状光谱；不同的原子，它们的线状光谱彼此都是不一样的。因此，人们通常把这类光谱称为原子的“特征光谱”，或者叫做原子的“标识光谱”。
原子特征光谱的发现，为人们区分和鉴别原子提供了有效的方法和手段。这正如人的指纹一样，特征光谱就是原子的“指纹”，是原子“身份”的标志，这也就是原子“标识光谱”名称的由来。
如今，通过实验，人们已经将每一种原子的标识光谱制作出来了。这样，在鉴别原子的时候，只需制出这种原子的特征光谱，再与已知的各种原子的标识光谱相对照，按号入座，即可确定原子的“身份”了。
巴克拉这一杰出的研究成果，具有非常重要的意义。在以后的学习中，我们会逐渐地认识到，它不仅为以后几年中发展X射线波谱奠定了有力的基础，而且，还导致了一些新现象的发现，从而拓宽了X射线应用的领域。
X射线标识光谱的研究，则是巴克拉一生中主要的追求方向，他也为此付出了许多艰辛的劳动，取得了令世人瞩目的成就。在这方面，他成为负有国际声望的先驱者，荣获了1917年度的诺贝尔物理学奖。
至此，有人会进一步提出这样的问题，原子的特征光谱究竟是怎样产生的呢？广大读者一定很关心这个话题。为了让大家搞清楚这个问题的来龙去脉，还得从原子的内部结构谈起。
原子中的电子，分布在以原子核为中心的一个一个的壳层上；每个壳层中，允许容纳的电子数是一定的。原子的这种结构，被人们称做原子的“壳层结构”。当电子填满某个壳层或支壳层以后，这些填满了电子的壳层或支壳层，与原子核一起形成了一个稳定的集体，叫做“原子实”。对于原子实来说，丢掉一个电子，或从原子实外得到一个电子，都是不容易的。
如果原子实受到外来的高能量光子流的照射，或者受到高能量粒子的撞击，原子实中的某个电子被电离了，那么，这个电子脱离了原子实以后，它原来占据的位置就空了出来；由于出现了空位，原子实以外的电子就有机会跳到这个空位中。电子这么一跳，随着电子位置的改变，电子的状态发生了变化，电子前后相应的两个状态的能量自然不一样，改变的能量便以光子的形式向外释放，从而产生了一条光谱线。
如果一个原子实中，同时有多个电子的位置发生了改变；或者不同的原子实中，都有电子的位置发生改变，这种情况下，便会产生许多条光谱线，从而形成了线状光谱。
不同的原子，具有各自的壳层结构。因而，它们的原子实的构成也存在着一定的差异；当不同的原子实内部发生电子跃迁的时候，就产生了各自不同的X射线光谱。这样，每一种原子都会有自己独特的光谱——标识光谱。
可见，这种光谱是原子内层电子跃迁产生的，与价电子无关。原子“指纹”的存在，对于物质结构的研究、分辨各种不同的原子、鉴别新原子等方面，都有着重要的作用。运用这种方法，不仅简便、省时、易行，而且其灵敏度和准确度都非常高。这种方法在采矿、冶金、化工等许多部门有着广泛的应用。
神秘的DNA
2000年6月26日，在人类发展的史册上是永远值得纪念的日子。由美、英、德、日、法和中国等国千余名科学工作者，经过近10年艰苦卓绝的工作，绘制出的第一幅人类基因组工作草图，在这一天公布于世了。这一庞大的科研项目，合作国家之多，参与人数之广，在科学研究领域是前所未有的。这一复杂系统工程研究的成果，标志着人类基因组遗传密码已基本破译。人类对于自身的了解和认识，从此揭开了崭新的篇章。
人们对于遗传现象的认识，可以说由来已久。“种瓜得瓜，种豆得豆”真可谓一语中的，这是人们对于遗传现象一种非常朴素的表达。随着科学技术的发展，社会的进步，人类对于遗传现象的研究也在不断地深入。但是，遗传学真正作为一门独立发展起来的学科，却始于20世纪初期。尤其是作为遗传物质基因的发现，为遗传现象的深入研究增添了新的内涵，也给遗传学的发展带来了勃勃生机。
美国著名的生物学家沃森博士和英国杰出的物理学家克里克，经过多年的研究，于1953年4月提出了闻名于世的DNA双螺旋结构模型。他们指出，基因组的成分就是DNA分子。这样，基因的化学本质就一目了然了。遗传学的研究也从此步入了一个全新的阶段——分子遗传学发展的新时代。
沃森和克里克的发现，堪称现代生物学最重大的成就之一，完全可以与达尔文的进化论、孟德尔的遗传定律相媲美。他们的这一重大发现，深刻地改变了传统遗传学的面貌，将遗传学的研究从细胞的水平，一下提升到了分子的水平，遗传学的研究开始旧貌换新颜，这为分子遗传学的建立和发展，奠定了有利的基础。
DNA是什么呢？这是人们非常关心的一件事情，也是近年来人们谈论最多的一个话题。DNA是“脱氧核糖核酸”英文名字的缩写形式。它是绝大多数生物体的遗传物质。当然，也有少数的生物，它们的遗传物质不是DNA，而是另外一种物质，称为核糖核酸，英文名字的缩写是“RNA”。
遗传物质的单元是基因，作为基因载体的染色体，它的主要成分就是DNA和组蛋白。我们通常所说的遗传信息就蕴藏在DNA分子中。DNA这种遗传物质，在亲代和子代之间具有连续性，它携带着亲代的全部基因，控制着子代的生长发育。这就是“种瓜得瓜，种豆得豆”的秘密所在。由此人们不难看出，DNA这种物质，在遗传中扮演着多么重要的角色。因此，关于DNA结构、性质及其功能的研究，是分子遗传学中一项基础工程。
早在19世纪60年代，瑞士一位化学家米歇尔，就在细胞核中观察到一种前人还不曾知道的物质，这种物质里面含有丰富的磷，当时取名为核酸。到了20世纪初期，人们经过反复研究发现，核酸普遍存在于动植物的细胞中。按照核酸的结构，它被划分为两大类：一类是核糖核酸（RNA）；另一类是脱氧核糖核酸（DNA）。这两类核酸的化学成分几乎是一样的，它们之间仅存在着一些微小的差别。然而，正是由于在化学结构方面它们表现出来的这微小差异，使得它们在生物功能方面，却表现出很大的不同：
首先，DNA几乎全部存在于染色体上，而染色体只存在于细胞核内；RNA则不一样，它存在于细胞核的外部，位于原生质中。
其次，DNA分子基本结构的单元是脱氧核苷酸，它含有碱基、磷酸和脱氧核酸。其中的碱基有四种，它们分别是腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胞嘧啶（C）和胸腺嘧啶（T）。
DNA分子的功能主要表现在两个方面：一个是自我催化功能——通过亲代DNA分子严格的碱基顺序的复制，把产生的遗传信息传给下一代；另一个功能是异体催化作用——DNA分子通过控制或主导有机体一系列的生化反应，将遗传信息表达出来。
这些遗传功能，DNA分子是怎样完成的呢？为了揭开其中的奥秘，人们需要对DNA分子的内部结构进行深入的研究。不仅要知道DNA分子的化学组成，而且还需要详细探索DNA分子在三维空间的结构特征。只有这样，才能够很好地认识遗传信息传递过程的物理基础。
对DNA分子结构的研究，X射线发挥了非常重要的作用。前面我们曾经谈到过，布拉格父子在X射线研究方面取得了很大的成就。后来，在X射线晶体衍射的基础上，他们又创立了X射线晶体学。运用这套比较完整的结构分析理论和方法，人们成功地测定了一些相当复杂的分子的结构。这些基础性的工作，为揭开DNA生物大分子内部结构的秘密，提供了有利的条件。
科学研究如同接力赛跑，在前人工作的基础上，人们又开始对X射线在DNA分子中的衍射图像进行了分析。经过了十几年的努力，人们终于搞清楚了DNA分子在三维空间的结构图像。
20世纪最伟大的发现
1953年，沃森和克里克依据X射线在DNA分子中获得的衍射图像，以及查可夫于1951年提出的“碱基互补配对规则”，建立了DNA分子双螺旋结构模型。双螺旋的两条扁带表示糖和磷酸骨架；连接两个骨架的平行短线，代表碱基对，通过这些碱基对，把两条长链联系在一起。
一条链上的碱基与另一条链上的碱基，通过氢键连接在一起，这两个链条围绕着一个共同的纤维轴，按照右手螺旋的方向旋转。这样缠绕的结果，使两个链条相互盘绕成一个双螺旋状的稳定结构，样子好像一个螺旋状的旋梯。
科学家们利用DNA分子这种双螺旋结构模型，就能够很好地解释遗传现象中的自我复制的问题了。如果知道了一条链中的碱基排列顺序，人们就可以按照严格的碱基配对法则，准确地找出另一条链的碱基排列次序，因为它们是互补的。
假如连接两条链的氢键一旦断开，那么，分开以后的两条链又会依照互补性规则，各自建立起一条新的互补链。这样原来的一对链条，通过自我复制后，就变成了两对链条。
另外，科学家们进一步研究还发现，DNA分子双螺旋结构中，这种严格的碱基排列次序，实际上是携带遗传信息的密码。在一个比较长的分子中，通过交换不同的碱基，可以组成多种不同的排列顺序，而碱基不同的排列顺序，则表现出不同的遗传信息。由此可见，碱基的排列顺序与遗传现象有着密切的关系。
正是这些遗传信息，决定着氨基酸的排列次序，进而决定着蛋白质的化学结构和生物学功能。科学家们还发现，三个碱基可以决定一种氨基酸；三个碱基组成一个三联体，每个三联体称为遗传的密码子；不同的三联体，表示不同的密码子。
如今，科学家们通过大量的实验已经证明，尽管地球上存在着差异巨大的各种各样的生命，但是所有生物体的DNA分子，它们的四种碱基和20种氨基酸却都是相同的。由此人们可以推断：整个生物圈存在着同样的遗传密码。倘若事实果真如此，那么，人类关于遗传密码的研究和破译工程，将被视为自达尔文时代以来，在生物学领域中最令人瞩目的重大事件。在人类发展的史册上，人体密码的破译工程是最重要的科研工程之一，堪称20世纪最伟大的发现，这其中的功劳很大程度上得益于X射线对DNA分子“锐利的洞察力”。
三、放射线背后的故事
天然放射性是19世纪末物理学领域的重大发现之一，它不仅标志着人类认识物质世界达到了一个新的阶段，而且放射性的研究对其他一些领域也产生了深远的影响。X射线、放射性和电子的发现，为现代物理学的建立与发展奠定了重要的实验基础。
博物馆的“世袭”教授
X射线的发现打开了一个全新的研究领域，这自然引起了社会的轰动，引起了众多科学家的兴趣与关注，人们纷纷开展了对这种射线本性的深入研究。1896年的元旦刚过，法国著名科学家亨利·彭加勒收到伦琴寄给他的论文，其中介绍了X射线的发现及照片。彭加勒非常关心当时物理学研究的前沿，也对阴极射线的讨论非常关注，他是支持阴极射线是粒子的观点的。看过伦琴的文章后，彭加勒觉得伦琴的发现是有利于粒子的观点的。
在1896年1月20日的法国科学院例会上，彭加勒介绍了伦琴的新发现，并出示了伦琴寄来的照片。在院士们传看时，这些照片引起了安东尼—亨利·贝克勒尔的格外注意。他问彭加勒，X射线是从阴极射线管的哪个位置发出的呢？彭加勒答道：“似乎是从管子中阴极对面有荧光的地方发出的。”这对贝克勒尔有很大的启发，他想，X射线很可能与真空管壁上的荧光有关系，看上去X射线就好像从那里发射出来的。贝克勒尔很想知道X射线与荧光之间是否有关系。为了认清事情的真相，他开始潜心研究，积极探索。正是这一研究方向的确定，贝克勒尔经过艰苦卓绝的深入探究，终于取得了世人瞩目的业绩，他也因此成为放射性研究领域的一位先驱者。
贝克勒尔为什么对荧光如此有兴趣呢？这要从他的祖父安东尼·塞萨尔·贝克勒尔和父亲亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔说起。安东尼·塞萨尔·贝克勒尔曾是著名的巴黎综合工科学校的首批毕业生，毕业后曾在拿破仑的指挥下参加了1810～1812年对西班牙的战争。在滑铁卢战役失败后，拿破仑下台，安东尼·塞萨尔·贝克勒尔也从军队退役了。由于在军队作战时受过伤，有人预言他活不了多久，这样他就转向了物理学的研究。不久他当上了自然史博物馆的物理学教授，但令人惊异的是他非但不短命，而且是很长寿，一直活到90岁的高龄。安东尼·塞萨尔·贝克勒尔在电学和电化学的研究中取得了很大的成绩，对电化学的创立做出了重要贡献，他尤其感兴趣的是磷光和荧光现象的研究。后来，他还当上了自然史博物馆馆长。
亚历山大·埃德蒙·贝克勒尔也毕业于综合工科学校，毕业后就到自然史博物馆做父亲的助手，后来还继承了父亲的教授席位。他主要研究光的化学作用、太阳光谱和荧光现象。他最先拍摄了太阳光谱，并设计出荧光计，借此可以测量铀荧光的强度和寿命。他还设计出测量温度的仪器，这是利用高温物体发光来测量的。
亨利·贝克勒尔也继承了自然史博物馆的教授席位，后又由其儿子让·贝克勒尔继承下来。后来，让·贝克勒尔在一篇文章中写到，贝克勒尔一家四代生活在居维叶房前植物园的“同一幢房子、同一座花园、同一个实验室里”，并“世袭”了博物馆的教授席位。让·贝克勒尔提到的居维叶是法国一位著名的生物学家，当过博物馆的生物学教授。
在伦琴发现X射线时，亨利·贝克勒尔已当上了博物馆的教授，并且到此时，贝克勒尔家族已对磷光和荧光进行了长达60年的研究。在实验室中收集了大量的荧光物质。为了验证自己的猜想，贝克勒尔着手做了一些实验，但并未发现荧光与X射线有什么关联。在此时，彭加勒撰写了有关X射线的论文。彭加勒指出：“是否所有荧光足够强的物质，不管其荧光是如何产生的，都既发射明亮的可见光线，又同时发射出X射线来呢？”
果真如此的话，这类现象就与是否通电无关了。
坏天气带来的好运气
彭加勒的假设促使贝克勒尔要做进一步的实验，他选用了父亲曾研究过的铀盐。1896年2月初的一天，贝克勒尔将一块铀盐放在阳光下暴晒了几个小时，直到看见铀盐能够发出很强的荧光。这时他把这块铀盐与用黑纸包紧的照相底片放在一起。经过一段时间，使他感到意外的是，照相底片已经感光。这一发现，充分表明在荧光中确实含有X射线。正是这种射线才使得底片感光。贝克勒尔将实验结果报告给了科学院。这个实验结果使贝克勒尔相信，铀化合物在发出荧光的同时也发射了X射线。但只一个星期，贝克勒尔就改变了看法。
开始，贝克勒尔考虑，铀盐产生的荧光，作用能够持续多长时间呢？对此，贝克勒尔做了进一步的实验：经阳光照射的铀盐，发出荧光的时间是比较短的。当荧光大为减弱以后，他把铀盐与包裹严密的底片又放在一起，结果他惊奇地发现，照相底片仍然被感光了。这说明，这一现象与X射线是无关的。如果荧光中含有X射线，当荧光消失时，X射线也就自然不存在了，没有X射线，感光现象不会发生。然而，事情并非如此。由此可见，彭加勒的看法是不妥当的。那么，究竟是什么原因引起底片感光的呢？只能有一种解释：铀盐本身能够发射出一种不能被人看见的射线，正是这种射线导致了底片感光。发现神秘射线的贝克勒尔
为了进一步验证这种想法的正确性，贝克勒尔想再做一次实验。可是，天公不作美。从2月26日开始，连续几天乌云密布，有时阴雨连绵。没有阳光，实验无法进行，心情不悦，非常扫兴。于是，他顺手就把包着的底片放进书桌的抽屉里，铀盐块也随手放进了抽屉内的底片上。到3月1日那天，由于第二天是科学院的例会，这实验无论如何也要做出来。可天上下着大雨，仍是无可奈何。这时，贝克勒尔突发奇想：没有阳光，铀盐是否也会对底片产生影响呢？他打开抽屉，取出底片，到暗室冲洗。他发现底片果真感光了，这是一个重要的发现，并使他大为惊讶。这次底片的感光与荧光和太阳光毫不相干，这只能是铀盐发射的射线所产生的作用。如同X射线一样，这些射线也能够穿透黑纸而影响到底片。
接着，贝克勒尔又把一个约0.1毫米厚的十字形铜片插在铀盐与黑纸包裹着的底片之间，在底片上观察到了不那么明显的十字形铜片的影像，显然，射线已经穿透了铜片。实验不论是白天，还是黑夜，都会产生同样的感光效果。这一系列实验充分表明：铀盐能够不断地、自发地向外放射出某些射线。铀盐的这种性质不受周围环境的影响，不论是阳光明媚还是阴雨连绵，不管是白天还是黑夜，铀盐都是旁若无人，时时刻刻都在向外辐射出射线。
同年5月，贝克勒尔发现一个纯铀的盘子也会产生穿透力很强的射线，表明铀盐放射的射线性质与铀所处的状态没有关系，只要有铀元素存在的地方，不论是纯的，还是化合物，都会有射线产生。由于贝克勒尔最先发现了铀盐发出射线的现象，并研究了发出射线的性质，人们便把这种射线叫做“贝克勒尔射线”，以区别于X射线。
凭借这些简单而又平常的实验，贝克勒尔发现了天然放射性现象。这似乎是偶然的巧合，常常被世人看作是科学史上最为典型的偶然发现事例了。然而，贝克勒尔自己却不这样看待。他常喜欢回敬这样的一句话：“在我的实验室里发现放射性是完全合乎逻辑的。”的确如此，他出生在研究荧光的世家中，这一成长环境对他无疑是会产生很大的、潜移默化的影响，实际在这偶然的发现中是孕育着必然的东西的。
贝克勒尔的发现，是人类第一次在实验室中观察到的原子核现象。虽然这一重大发现没有引起像伦琴发现X射线那样的轰动效应，但这一事件的影响也许将是深远的，它标志着人类认识物质世界已经达到了一个新的起点。
失败的英雄
在科学研究中，有许多人参与热点问题的研究，并把研究结果发表，在研究人员之中相互交流。像伦琴发现X射线之后，执意叫它“X”，一方面说明他很谦虚，但如果仅就认识的程度来说，这也说明他对这种射线知之甚少，并不是说这种射线如何如何神秘。这时有数十位不同国籍的科学家积极参与X射线的研究，以图将X射线的各种性质和各种功用发掘出来。这期间科学期刊上发表了数以千计的论文。这些文章有的谈到了X射线的性质，有的谈到了产生X射线的种种方法，有的人还发现了许多新的射线，甚至命名为“Z射线”、“黑射线”、“N射线”等。“射线狂”弥漫在欧美的科学实验中。
在研究X射线时，亨利·贝克勒尔发现了铀的放射性，这是研究X射线中取得的重要发现。其实，在贝克勒尔研究的同时，一些法国研究人员也参与到其中。当彭加勒发表了对X射线的看法时，一些科学家也尝试着用磷光或荧光物质做实验。一位名叫沙尔·昂利的研究人员马上动手加以检验。
磷光现象并不新鲜，古时候就有人发现用光线照射磷光物质，磷光物质就发出光来。这种光与火光、烛光之类既发光又放热的现象不一样，只发光不放热，所以又叫冷光。此外，腐烂的树木、尸骨、鸡鸭蛋也可发出冷光。磷在空气中慢慢氧化时也会发出绿色的冷光。由此可见，发出磷光的起因并不是单一的，但彭加勒却认为，不管起因如何，只要能发出磷光，就一定可以发出X射线。
昂利用一种硫化锌物质做实验，以检验彭加勒的观点。这种硫化锌一经日晒就可以发出很强的磷光。实验很简单，他用黑纸包好底片，而后拿一些小块硫化锌放在阳光下晒，晒过后，他把小块硫化锌摆放在黑纸包上，再将底片拿到暗室中显影，结果在底片上出现了几个深色斑点。这些斑点正好是摆放小块硫化锌的地方。可见彭加勒的看法是对的，即凡是能发出磷光的物质，的确都能发出不可见的、能自由穿越黑纸的X射线。
1896年2月10日，昂利在科学院的例会上报告了他的实验结果。在一星期后的又一次例会上，一位名叫涅文格罗夫斯基的法国研究人员也报告了实验结果，他没有用硫化锌，而是用的硫化钙，但也得到了与昂利同样的结果。此后，每次例会都有人报告，以确认从磷光物质中发射出了X射线。
从上面的例子可以看到，这种实验很简单，只是将底片包在黑纸内，在黑纸上摆放几块硫化物，经日光一晒就去显影。所以，许多科学家都争先恐后地去做实验。这些实验表明，X射线并不神秘，连表盘上的荧光物质都发射X射线。当然，这些太粗糙的实验得到的结果是大错而特错的。他们过于匆忙地下结论，却成就了另一位法国人，这就是上面提到的贝克勒尔。
当贝克勒尔的实验报告出来后，人们终于明白，彭加勒是真的错了。铀盐辐射的射线与铀盐是否一定要经过日晒无关。可是昂利和涅文格罗夫斯基的“发现”应做何解释呢？他们使用磷光物质做实验，那些物质没有发出射线吗？可为什么底片曝光了呢？真是谜团重重啊！
贝克勒尔也要打破这个沙锅纹（问）到底了。他也用硫化锌和硫化钙重复了一下昂利他们的实验。像他们一样，用黑纸包好底片，纸上摆好小块硫化锌或硫化钙，经日晒后在暗室中去显影。结果发现，底片上是斑点皆无，连个小黑点都没有。重做一遍，还是一样的结果。再做时，不用日光晒，改用人造强光照射，比如夺目的镁光或电弧光，可是显影后还是没有斑点。
贝克勒尔又将硫化物加热或降温，显影的底片也没有什么变化。这样，贝克勒尔就去找一位曾报告过类似现象的一位院士，院士得到过那些有趣的“斑点”。他们一起做实验，但那斑点仍是踪迹全无。反过来，再用铀盐做实验，铀盐在黑屋子中放上一个月，再把它与包着黑纸的底片放在一起，照样可使底片曝光。那奇妙的射线未曾看出有丝毫的减弱。
看样子，贝克勒尔的解释是对的，奇妙的射线与磷光或荧光物质无关。化学家们对铀的了解更多，他们把铀的氧化物，以及铀盐或铀酸一一查过，射线依旧，甚至纯铀也能发出射线。这样，人们的怀疑逐渐就消失了，铀或铀的化合物都能发射与X射线不同的射线，但与磷光或荧光物质无关。
我们再说说那几位实验家的工作过程。为什么他们都犯了同样的错误呢？我们今天已经看不到他们的实验记录了，只能分析或猜测了。一是可能他们使用的底片有瑕疵，二是可能显影液的质量有问题，三是黑纸可能不够厚，阳光一晒，光线就“渗透”其间，但这光线无论如何也与X射线是不沾边的。有人还猜测，暴晒时，硫化物分解了，分解的物质中有二氧化硫，二氧化硫易挥发，它透过黑纸把底片给弄坏了。
不管是哪种可能，实验肯定是做得不够细致，或实验者的设计有不周全之处，或许还有一些未曾料到的东西在起作用。这些因素使实验者走上了一条错误的道路。贝克勒尔并不盲从别人，他依据自己熟悉的铀盐性质，正确分析和理解了未经日晒产生的偶然效应，仔细地进行实验，正确地断定磷光或荧光物质与X射线无关，它们对黑纸内的底片无作用。
在比较之后，人们发现，在大家都得到彭加勒的“错误”启发时，一些人在这启发之下，沿着这错误的方向走了下去，所做的实验也为这错误提供了“证据”。独有贝克勒尔将“错误”只用于启发，在探索未知的东西时，不囿于原有的认识，认真实验，在看到偶然现象时，仔细分析，最终得到了正确的结论。
这里需要说明的是，铀射线与X射线虽然都是不可见的射线，都能使底片曝光，也都能使空气导电，但实际上它们有一些很不同的性质。例如，X射线可以轻而易举穿透障碍物，如人体、木板、薄墙等，而铀射线就差多了，只能穿透厚纸、薄铝片等。由于X射线的这种穿透本领，在相当长的一段时间内，人们一直对它抱有兴趣，它的穿透本领像魔术一样不可思议。X射线非常时髦，很多有钱的人掏腰包买一架X射线机，放在客厅展示。客人来了，有兴趣的话，可以照射一下，看看自己的优美体形，或看看那“美丽”的骨骼。还可以隔着皮革，看看自己包里的东西。甚至清朝的洋务大臣李鸿章在德国访问时，还做了照射X射线的检查，看看自己体内存留的弹片。
科学家们知道大众对X射线照射的奇妙景象只是看热闹，而贝克勒尔的发现要奇异得多。X射线是带电粒子打在管壁上产生的效应，铀发出的射线则不然，它是铀自发产生的，当时还不能找到产生这些射线的原因。特别是无须加热、日晒，铀可以经年累月地不停地放出射线、放出能量，但这辐射却对原来的物质（铀）似乎不产生任何影响。这真是个奇迹，可这究竟又是为什么呢？
物理学界的“皇后”
当贝克勒尔发现新的射线后，由于当时的研究热点在X射线上，许多人对铀射线并不在意，但是它却引起了一位波兰科学家的注意，这就是玛丽·斯考罗多夫斯卡。
1867年11月7日，玛丽出生于波兰华沙的一个教师家庭。她的父亲曾在俄国彼得堡大学学习，后又在华沙高等学校学习数学和物理学。他学识渊博，热心教育事业。玛丽的母亲是一位钢琴家，并多年领导一所女子学校，因此，父母非常重视子女的教育问题。玛丽9岁时，母亲去世了，父亲也由于不满沙俄的统治而被学校解职。为了孩子的成长和学习，他开办了一所寄宿学校，可学校没有办好。后来父亲又买了一些股票，花光了家里的积蓄，结果炒股票也失败了，使家里生活陷入困境。
在玛丽的家中，孩子们都像父亲，性格顽强，有雄心壮志，爱祖国，十分关心祖国的命运，不满沙皇的统治。在学校读书时，玛丽非常厌恶殖民主义式的教育，尽管学校规定只能用俄语教学，但玛丽却始终坚持学习波兰语。玛丽天资聪颖，在学习中表现出了非凡的记忆力和理解能力，学习成绩一直很好。在中学毕业时，玛丽获得了金质奖章。
毕业后，她与姐姐都想去法国求学，可是家里连一个人的费用都付不起。这样，玛丽就留下来做家庭教师，以便挣钱帮助姐姐读书，等姐姐毕业后自己再去法国学习。
玛丽到远离华沙的一个乡村去做家庭教师。尽管主人很势利，表现出很强的等级观念，但她还是尽心尽职。在教学之余，她还教一些贫苦人家的孩子学认字。她也抓紧时间学习，花了大量的时间阅读数学和物理学方面的书籍，为留学做着积极的准备。
当姐姐完成学业之后，玛丽在姐姐的帮助下来到巴黎学习。当到巴黎大学索邦学院注册后，她很为自己有幸进入科学的王国而兴奋，把这看作是求学征途上的一个起点。
在4年的学习中，玛丽在学业上极为认真和刻苦，但生活得却极为清苦。她住在一间顶楼上，冬天时既无取暖的炉灶，又无自来水。室内的温度很低，连盆里的水都结冰了，冻僵的手指连翻书和写字都很困难。她的全部生活乐趣都在读书上，并且涉猎很广，除了化学、物理学、数学，还有音乐、诗歌和天文。在艰苦的条件下，她依然保持着乐观的生活态度。玛丽在后来的回忆中写道：“这种诸多困难的生活对我来说曾充满了诱惑力。它给了我以自由和独立之感。我在巴黎举目无亲，自感是在大城市中被遗忘的人。我那自行其事和生活无援的境况，未曾使我苦恼过。如果说我有时也感觉孤单的话，那么我常常仍然是平静的和满怀内心喜悦的，因为我把我的全部精力集中在学习上了。”
在获得物理学硕士和数学硕士的同时，玛丽还获得了一份奖学金。当然，这并未使玛丽停步，她觉得这只是科学征途中一个新的起点。
在学习之余，玛丽接到的第一个研究任务是，测量各种金属的磁性。这是实验性很强的研究工作，因此她需要一些设备和一间实验室。在寻找帮助时，她在一位教授家遇到了皮埃尔·居里。
皮埃尔·居里是法国人。据说，他少年时资质迟钝，是在家中受的启蒙教育，后考入索邦学院。26岁时大学毕业，以后又获取了硕士学位。29岁时留在索邦学院物理实验室做助教。1880年，皮埃尔与兄弟雅克·居里合作，观察到所谓的压电现象。这种现象是，当在某些晶体上加了一些压力，晶体的两个侧面会积累不同的电荷。用导线将两个侧面连接起来，就可以测量出电压和电流等量值。随着压力的变化，所积累的电荷量也是不一样的。兄弟俩把能产生压电效应的材料叫做压电材料。如果反过来，在这些晶体两侧接上电源，也会引起材料形状的变化。如果电流迅速变化，晶体就会产生一种机械振动，进而使晶体产生超声波。此外，这种晶体经常用作一些声电装置上的重要器件，如用于留声机或话筒中。
1895年，皮埃尔·居里准备博士论文，他要研究磁与热的关系。他发现了一个温度值，当加热磁体超过这个温度时，它的磁性就消失了。因此，人们把这个温度叫做“居里温度”或“居里点”。
玛丽在居里的实验室中做金属磁性实验时，对居里产生了好感，两人之间逐渐产生了爱慕之情。虽然居里并不富有，职位也不高，但他在科学上的造诣却不寻常，在科学界已有了一定的声誉。然而，居里年轻时却有一种偏见。他认为，妻子是科学工作的障碍。不过玛丽却是个例外。就在这一年，皮埃尔·居里与玛丽·斯考罗多夫斯卡结婚了。按照习惯，玛丽就要在名字后面加上丈夫的姓氏，所以就要叫“玛丽·斯考罗多夫斯卡·居里”，或称她为居里夫人。他们不慕虚荣，结婚时不请律师，也不请神甫；没有金戒指，也没有华丽的衣服，二人只买了两辆自行车，并骑车去旅行，到巴黎郊外去度蜜月了。
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]