一、C60是如何发现的

C60是如何发现的

C60的发现最初始于天文学领域的研究，后经过试验制备得到的。

C60的发现最初始于天文学领域的研究，科学家们首先对星体之间广泛分布的碳尘产生了兴趣。学者们发现，星际间碳尘的黑色云状物中包含着由短链结构的原子构成的分子，也有一部分学者认为该云状物是从碳族星体红色巨星中产生的，理论天文学家推测，这些尘埃土中包含着呈现黑色的碳元素粒子。

后来英国的克罗脱为了探明红色巨星产生的碳分子结构，对星际尘埃中含有碳元素的几种分子进行了确认。美国的霍夫曼和德国的克拉其莫也制造出了宇宙中类似的尘埃。他们将其与煤炭燃烧后遗留的黑色物质进行比较，发现了气化物质在紫外线吸收实验中留下了清晰的痕迹，并称之为"驼峰光谱"。后来由美国的柯尔、史沫莱和英国的克罗脱解释出该现象的理由，并为此获得了诺贝尔化学奖。

C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，因此又名足球烯。 C60是单纯由碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形。其相对分子质量为720。 C60是80年代中期新发现的一种碳原子簇，它是单质，是石墨、金刚石的同素异形体。C60具有广泛的应用前景。

碳60是如何发现的

C60分子C60分子是一种由60个碳原子构成的分子，它形似足球，是一种很稳定的分子，主要应用于材料科学，超导体等方面。金刚石、石墨、C60分子的结构示意图.世人瞩目的足球烯－C60.C60分子是一种由60个碳原子结合形成的稳定分子，它具有60个顶点和32个面，其中12个为正五边形，20个为正六边形，它形似足球，因此又被称为足球烯。足球烯是美国休斯顿赖斯大学的克罗脱（Kroto, H.W.）和史沫莱（Smalley, R.E.）等人于1985年提出的，他们用大功率镭射束轰击石墨使其气化，用1MPa压强的氦气产生超声波，使被镭射束气化的碳原子通过一个小喷嘴进入真空膨胀，并迅速冷却形成新的碳原子，从而得到了C60。C60的组成及结构已经被质谱，X射线分析等实验证明。此外，还有C70等许多类似C60分子也已被相继发现。1991年，科学家们发现，C60中掺以少量某些金属后具有超导性，且这种材料的制作工艺比制作传统的超导材料——陶瓷要简单，质地又十分坚硬，所以人们预言C60在超导材料领域具有广阔的应用前景。碳60分子俗称布基球，由60个碳原子构成，它们组成一个笼状结构。这一分子于1985年被发现后因它具有特殊性质，一直是化学家们的热门研究物件。

DNA是如何发现的?

DNA的发现

自从孟德尔的遗传定律被重新发现以后，人们又提出了一个问题：遗传因子是不是一种物质实体？为了解决基因是什么的问题，人们开始了对核酸和蛋白质的研究。

早在1868年，人们就已经发现了核酸。在德国化学家霍佩·赛勒的实验室里，有一个瑞士籍的研究生名叫米歇尔（1844--1895），他对实验室附近的一家医院扔出的带脓血的绷带很感兴趣，因为他知道脓血是那些为了保卫人体健康，与病菌"'作战"而战死的白细胞和被杀死的人体细胞的"遗体"。于是他细心地把绷带上的脓血收集起来，并用胃蛋白酶进行分解，结果发现细胞遗体的大部分被分解了，但对细胞核不起作用。他进一步对细胞核内物质进行分析，发现细胞核中含有一种富含磷和氮的物质。霍佩·赛勒用酵母做实验，证明米歇尔对细胞核内物质的发现是正确的。于是他便给这种从细胞核中分离出来的物质取名为"核素"，后来人们发现它呈酸性，因此改叫"核酸"。从此人们对核酸进行了一系列卓有成效的研究。

20世纪初，德国科赛尔（1853--1927）和他的两个学生琼斯（1865--1935）和列文（1869－－1940）的研究，弄清了核酸的基本化学结构，认为它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。其中碱基有4种（腺瞟吟、鸟嘌吟、胸腺嘧啶和胞嘧啶），核糖有两种（核糖、脱氧核糖），因此把核酸分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。

列文急于发表他的研究成果，错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推汇出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连线成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了"四核苷酸假说"。这个错误的假说，对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用，也在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。人们认为，虽然核酸存在于重要的结构--细胞核中，但它的结构太简单，很难设想它能在遗传过程中起什么作用。

蛋白质的发现比核酸早30年，发展迅速。进人20世纪时，组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现，到1940年则全部被发现。

1902年，德国化学家费歇尔提出氨基酸之间以肽链相连线而形成蛋白质的理论，1917年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。于是，有的科学家设想，很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用，也必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此，那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传资讯的载体。

1928年，美国科学家格里菲斯（1877--1941）用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注人老鼠体内，结果他发现老鼠很快发病死亡，同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质，使无荚菌转化为有荚菌。这种假设是否正确呢？格里菲斯又在试管中做实验，发现把死了的有美菌与活的无荚菌同时放在试管中培养，无荚菌全部变成了有荚菌，并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸（因为在加热中，荚中的核酸并没有被破坏）。格里菲斯称该核酸为"转化因子"。

1944年，美国细菌学家艾弗里（1877--1955）从有美菌中分离得到活性的"转化因子"，并对这种物质做了检验蛋白质是否存在的试验，结果为阴性，并证明"转化因子"是DNA。但这个发现没有得到广泛的承认，人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质，残留的蛋白质起到转化的作用。

美籍德国科学家德尔布吕克（1906--1981）的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进人大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒，个体微小，只有用电子显微镜才能看到它。它像一个小蝌蚪，外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘，头的内部含有DNA，尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时，先把尾部末端扎在细菌的细胞膜上，然后将它体内的DNA全部注人到细菌细胞中去，蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面，再没有起什么作用了。进人细菌细胞后的噬菌体DNA，就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质，从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体，直到细菌被彻底解体，这些噬菌体才离开死了的细菌，再去侵染其他的细菌。

1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希（1908一）和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离，结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有32P标记的核酸全部注人大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传资讯的功能，而蛋白质则是由DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。

几乎与此同时，奥地利生物化学家查加夫（1905--）对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下，他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。因此，他对列文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。在1948－1952年4年时间内，他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。实验结果表明，在DNA大分子中嘌吟和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌吟A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌吟G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A与T、G与C是配对存在的，从而否定了"四核苷酸假说"，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。

1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志著分子生物学的诞生。

沃森（1928一）在中学时代是一个极其聪明的孩子，15岁时便进人芝加哥大学学习。当时，由于一个允许较早人学的实验性教育计划，使沃森有机会从各个方面完整地攻读生物科学课程。在大学期间，沃森在遗传学方面虽然很少有正规的训练，但自从阅读了薛定愕的《生命是什么？--活细胞的物理面貌》一书，促使他去"发现基因的秘密"。他善于集思广益，博取众长，善于用他人的思想来充实自己。只要有便利的条件，不必强迫自己学习整个新领域，也能得到所需要的知识。沃森22岁取得博士学位，然后被送往欧洲攻读博士后研究员。为了完全搞清楚一个病毒基因的化学结构，他到丹麦哥本哈根实验室学习化学。有一次他与导师一起到义大利那不勒斯参加一次生物大分子会议，有机会听英国物理生物学家威尔金斯（1916--）的演讲，看到了威尔金斯的DNAX射线衍射照片。从此，寻找解开DNA结构的钥匙的念头在沃森的头脑中索回。什么地方可以学习分析X射线衍射图呢？于是他又到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习，在此期间沃森认识了克里克。

克里克（1916）上中学时对科学充满热情，1937年毕业于伦敦大学。1946年，他阅读了《生命是什么？--活细胞的物理面貌卜书，决心把物理学知识用于生物学的研究，从此对生物学产生了兴趣。1947年他重新开始了研究生的学习，1949年他同佩鲁兹一起使用X射线技术研究蛋白质分子结构，于是在此与沃森相遇了。当时克里克比沃森大12岁，还没有取得博士学位。但他们谈得很投机，沃森感到在这里居然能找到一位懂得DNA比蛋白质更重要的人，真是三生有幸。同时沃森感到在他所接触的人当中，克里克是最聪明的一个。他们每天交谈至少几个小时，讨论学术问题。两个人互相补充，互相批评以及相互激发出对方的灵感。他们认为解决DNA分子结构是开启遗传之谜的关键。只有借助于精确的X射线衍射资料，才能更快地弄清DNA的结构。为了搞到DNAX射线衍射资料，克里克请威尔金斯到剑桥来度周末。在交谈中威尔金斯接受了DNA结构是螺旋型的观点，还谈到他的合作者富兰克林（1920--1958，女）以及实验室的科学家们，也在苦苦思索著DNA结构模型的问题。从1951年11月至1953年4月的18个月中，沃森、克里克同威尔金斯、富兰克林之间有过几次重要的学术交往。

1951年11月，沃森听了富兰克林关于DNA结构的较详细的报告后，深受启发，具有一定晶体结构分析知识的沃森和克里克认识到，要想很快建立DNA结构模型，只能利用别人的分析资料。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。1951年底，他们请威尔金斯和富兰克林来讨论这个模型时，富兰克林指出他们把DNA的含水量少算了一半，于是第一次设立的模型宣告失败。

有一天，沃森又到国王学院威尔金斯实验室，威尔金斯拿出一张富兰克林最近拍制的"B型"DNA的X射线衍射的照片。沃森一看照片，立刻兴奋起来、心跳也加快了，因为这种影象比以前得到的"A型"简单得多，只要稍稍看一下"B型"的X射线衍射照片，再经简单计算，就能确定DNA分子内多核苷酸链的数目了。

克里克请数学家帮助计算，结果表明源吟有吸引嘧啶的趋势。他们根据这一结果和从查加夫处得到的核酸的两个嘌吟和两个嘧啶两两相等的结果，形成了碱基配对的概念。

他们苦苦地思索4种碱基的排列顺序，一次又一次地在纸上画碱基结构式，摆弄模型，一次次地提出假设，又一次次地推翻自己的假设。

有一次，沃森又在按著自己的设想摆弄模型，他把碱基移来移去寻找各种配对的可能性。突然，他发现由两个氢键连线的腺膘吟一胸腺嘧啶对竟然和由3个氢键连线的鸟嘌岭一胞嘧啶对有着相同的形状，于是精神为之大振。因为嘌吟的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查加夫规律也就一下子成了DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。那么，两条链的骨架一定是方向相反的。

经过沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了DNA金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基因交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。由于缺乏准确的X射线资料，他们还不敢断定模型是完全正确的。

下一步的科学方法就是把根据这个模型预测出的衍射图与X射线的实验资料作一番认真的比较。他们又一次打电话请来了威尔金斯。不到两天工夫，威尔金斯和富兰克林就用X射线资料分析证实了双螺旋结构模型是正确的，并写了两篇实验报告同时发表在英国《自然》杂志上。1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。

DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。因此，基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等，这些生物技术的发展必将使人们利用生物规律造福于人类。现代生物学的发展，愈来愈显示出它将要上升为带头学科的趋势。

本文摘自《创造发明1000例》广西师范大学出版社2001年7月版

翡翠是如何发现的

现在只剩下故事可以追寻啦.

比较靠谱的说法是缅甸人自己发现的，因为现在接近产地的小镇勐拱名字的意思就是鼓城，传说此地发现有鼓型的蓝玉，应该就是翡翠了。

黑洞是如何发现的

黑洞看不见摸不著，天文学家主要是通过黑洞区强大的X射线源进行探索的。黑洞本身虽然不能发出任何光线，但它对于周围物体、天体的巨大引力依然存在。当周围物质被它强大的引力所吸引而逐渐向黑洞坠落时，就会发射出强大的X射线，形成天空中的X射线源。通过对X射线源的搜寻观测，人们就可找到黑洞的踪迹。

电子是如何发现的？

电子是构成原子的基本粒子之一，质量极小，带单位负电荷，不同的原子拥有的电子数目不同，例如，每一个碳原子中含有6个电子，每一个氧原子中含有8个电子。能量高的离核较远，能量低的离核较近。通常将电子在离核远近不同的区域内运动称为电子的分层排布。

早在1881年，电子就被剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·汤姆生发现了，他提出，任何电荷都由基本电荷组成，并给电荷的这一最小单位取名为电子。实际存在的电子是英国物理学家汤姆孙在1897年发现的。他在观测阴极射线在磁场和静电场作用下的偏转，并测定阴极射线中的粒子和氢离子的比荷(粒子电荷与粒子质量之比值)时，发现阴极射线微粒的比荷要比氢离子的大1000多倍。由于两者所带电荷一样，汤姆孙判定阴极射线微粒要比最轻的原子——氢原子还要轻许多。后来把这种微粒正式取名为电子。电子的发现打破了原子是不能再分割的物质最小单元的传统观念。因为电子来自原子，表明原子具有内部结构。随着对电子研究的深入，量子论的许多重要概念都由此萌发。例如，电子波动性的发现证实物质波假设是正确的;对正电子存在的预言引出反粒子、反物质等重要概念。狄拉克最早在理论上预言了正电子的存在。1932年，美国安德森在宇宙线实验中首次发现正电子。正电子是电子的反粒子，用e+表示，所带的电量与电子电量相等，符号相反，质量与电子质量相同。电子的应用 20世纪科学技术发展的动力很大程度上来自电子的应用，无线电电子学、微电子技术、亚微米电子束加工技术、电子管、电子计算机、电子显微镜、正负电子对撞机等带电子一词的学科与仪器装置，都是现代科技发展史上的一座座里程碑。其他如大规模积体电路、映象管、电晶体等仪器装置里，唱主角的也是电子，尽管它们的名字里没有电子两字。形形***的电子装置归根结底要有两种功能，一是如何产生电子，二是如何控制电子。电子通常由电子枪产生，电子枪一般由加热的电热丝(如钨丝)和涂层金属薄片的阴极及带高压的阳极组成，这些涂上涂层的金属片(如涂上氧化钡和氧化锶混合物的镍片)被加热后会发射大量电子，如果这些电子被带正电的阳极吸引，就形成一股电子流。电子在电场中要受电场力的作用，运动的电子在磁场中要受磁场力的作用，利用电场和磁场可按需控制电子的运动，从而制造出各种电子装置。电视机映象管里的电子枪，能发射成束的电子流，在电子枪到荧光屏间加一些电磁偏转装置，就能控制电子束打到荧光屏上指定的一点，使荧光粉发亮。让电子束高速扫描在荧光屏上，就能使荧光屏显示出一幅幅影象

电子是人们最早发现的带有单位负电荷的一种基本粒子。英国物理学家汤姆逊是第一个用实验证明电子存在的人，时间是1897年。

汤姆逊是一位很有成就的物理学家，他28岁就成了英国皇家学会会员，并且担任了有名的卡文迪许实验室主任。

X射线的发现，特别是它可以穿透生物组织而显示其骨骼影像的能力，给予英国卡文迪许实验室的研究人员以极大激励。汤姆逊倾向于克鲁克斯的观点，认为它是一种带电的原子。

导致X射线产生的阴极射线究竟是什么？德国和英国物理学家之间出现了激烈的争论。德国物理学家赫兹于1892年宣称阴极射线不可能是粒子，而只能是一种以太波。所有德国物理学家也附和这个观点，但以克鲁克斯为代表的英国物理学家却坚持认为阴极射线是一种带电的粒子流，思路极为敏捷的汤姆逊立即投身到这场事关阴极射线性质的争论之中。

1895年，法国年轻的物理学家佩兰在他的博士论文中，谈到了测定阴极射线电量的实验。他使阴级射线经过一个小孔进入阴极内的空间，并打到收集电荷的法拉第筒上，静电计显示出带负电；当将阴极射线管放到磁极之间时，阴极射线则发生偏转而不能进入小孔，集电器上的电性立即消失，从而证明电荷正是由阴极射线携带的。佩兰通过他的实验结果明确表示支援阴极射线是带负电的粒子流这一观点，但当时他认为这种粒子是气体离子。对此，坚持阴极射线是以太波的德国物理学家立即反驳，认为即使从阴极射线发出了带负电的粒子，但它同阴极射线路径一致的证据并不充分，所以静电计所显示的电荷不一定是阴极射线传入的。

对于佩兰的实验，汤姆逊也认为给以太说留下了空子，为此，他专门设计了一个巧妙的实验装置，重做佩兰实验。他将两个有隙缝的同轴圆筒置于一个与放电管连线的玻璃泡中；从阴极A出来的阴极射线通过管颈金属塞的隙缝进入该泡；金属塞与阴极B连线。这样，阴极射线除非被磁体偏转，不会落到圆筒上。外圆筒接地，内圆筒连线验电器。当阴极射线不落在隙缝时，送至验电器的电荷就是很小的；当阴极射线被磁场偏转落在隙缝时，则有大量的电荷送至验电器。电荷的数量令人惊奇：有时在一秒钟内通过隙缝的负电荷，足能将1.5微法电容的电势改变20伏特。如果阴极射线被磁场偏转很多，以至超出圆筒的隙缝，则进入圆筒的电荷又将它的数值降到仅有射中目标时的很小一部分。所以，这个实验表明，不管怎样用磁场去扭曲和偏转阴极射线，带负电的粒子又是与阴极射线有着密不可分的联络的。这个实验证明了阴极射线和带负电的粒子在磁场作用下遵循同样路径，由此证实了阴极射线是由带负电荷的粒子组成的，从而结束了这场争论，也为电子的发现奠定了基础。

如何成功地使阴极射线在电场作用下发生偏转？早在1893年，赫兹曾做过这种尝试，但失败了。汤姆逊认为，赫兹的失败，主要在于真空度不够高，引起残余气体的电离，静电场建立不起来所致。于是汤姆逊采用阴极射线管装置，通过提高放电管的真空度而取得了成功。通过这个实验和提高放电管真空度，汤姆逊不仅使阴?

电子的发现和阴极射线的实验研究联络在一起的，而阴极射线的发现和研究又是以真空管放电现象开始的．早在1858年，德国物理学家普吕克在利用放电管研究气体放电时发现了阴极射线．普吕克利用真空泵，发现随着玻璃管内空气稀薄到一定程度时，管内放电逐渐消失，这时在阴极对面的玻璃管壁上出现了绿色荧光．当改变管外所加的磁场时，荧光的位置也会发生变化，可见，这种荧光是从阴极所发出的射线撞击玻璃管壁所产生的。

阴极射线究竟是什么呢?在19世纪后30年中，许多物理学家投入了研究．当时英国物理学家克鲁克斯等人已经根据阴极射线在磁场中偏转的事实，提出阴极射线是带负电的微粒，根据偏转算出阴极射线粒子的荷质比(e／m)，要比氢离子的荷质比大1000倍之多．当时，赫兹和他的学生勒纳德，在阴极射线管中加了一个垂直于阴极射线的电场，企图观察它在电场中的偏转，为此他们认为阴极射线不带电．实际上当时是由于真空度还不高，建立不起静电场．

J．J．汤姆生设计了新的阴极射线管(图1)，在电场作用下由阴极C发出的阴极射线，通过Α和B聚焦，从另一对电极D和E间的电场中穿过．右侧管壁上贴有供侧量偏转用的标尺．他重复了赫兹的电场偏转实验，开始也没有看见任何偏转．但他分析了不发生偏转的原因可能是电场建立不起来。于是，他利用当时最先进的真空技术获得高真空，终于使阴极射线在电场中发生了稳定的电偏转，从偏转方向也明确表明阴极射线是带负电的粒子．他还在管外加上了一个与电场和射线速度都垂直的磁场(此磁场由管外线圈产生)，当电场力eE与磁场的洛仑兹力evB相等时，可以使射线不发生偏转而打到管壁中央。经过推算可知，阴极射线粒子的荷质比e／m≈1011C／kg．通过进一步的实验，汤姆生发现用不同的物质材料或改变管内气体种类，测得射线粒子的荷质比e/m保持不变．可见这种粒子是各种材料中的普适成分。

1898年，汤姆生又和他的学生们继续做直接测量带电粒子电量的研究．其中之一就是用威尔逊云室，测得了电子电荷是1．1x10-19C，并证明了电子的质量约是氢离子的千分之一．于是，汤姆生最终解开了阴极射线之谜．这以后不少科学家较精确地测量了电子的电荷值,其中有代表性的是美国科学家密立根，在1906年第一次测得电子电荷量e=l．34X10-19C，1913年最后测得e=1.59x10-19C．在当时条件下，这是一个高精度的测量值．近代精确的电子电荷量e=1.60217733(49)x10-19C(括号中的值是测量误差)．

“X射线”是如何发现的

X射线的发现者威廉·康拉德·伦琴于1845年出生在德国尼普镇。他于1869年从苏黎世大学获得哲学博士学位。在随后的十九年间，伦琴在一些不同的大学工作，逐步地赢得了优秀科学家的声誉。1888年他被任命为维尔茨堡大学物理所物理学教授兼所长。1895年伦琴在这里发现了X射线。

二、元素周期表中的元素是如何排列的

元素周期表的排列规律是依据元素原子的电子层数，以及最外电子层上的电子数目。电子层数相同的元素排列在同一横行，最外电子层上的电子数目相同的元素排列在同一纵行。

详细资料如下：

人类天生就有将凌乱的知识材料整理、组织、系统化的渴求。元素周期律的发现史充分展现了人们追求真理时不倦的探索精神和坚韧不拔的毅力。

十九世纪初，戴维用电解法和热还原法制得了钾、钠、镁、钙、锶、钡、硼和硅，并证明了那种黄绿色的气体是元素氯而不是所谓的“氧化盐酸”。戴维使元素的种类增加了九种。在这前后，法拉第的好友、曾与戴维竞选英国皇家学会主席的武拉斯顿制得了铑和钯；贝采里乌斯发现了铈、硒和钍；库特瓦用浓硫酸处理海藻灰母液，制得了单质碘；本生的老师斯特罗迈耶用烟怠还原氧化镉制得金属镉；首先合成并研究尿素的维勒用金属钾还原无水氯化铝，制得了纯净的金属铝；溴是用氯气氧化制得的。十九世纪上半叶，由于化学分析方法的丰富，人们还发现了钽、锇、铱、锂、钒、镧、铌、钌、铽、铒。及至本生和基尔霍夫创造光谱分析法，在1860年到1863年的四年间人们发现铯、铷、铊、铟四种元素，掀起了元素发现的又一个高潮。到此，人们已经发现了63种元素。

在对物质、元素的广泛研究中，关于各种元素的性质的资料，积累日愈丰富，但是这些资料却是繁杂纷乱的，人们很难从中获得清晰的认识。整理这些资料，概括这些感性知识，从中摸索总结出规律，成为当时化学家面前一个急待解决的课题

道尔顿提出科学原子论之后，许多化学家都把测定各种元素的原子量当作一项重要工作，并逐渐明确了原子价（化合价）的概念。这样就使元素原子量与性质（包括化合价）之间存在的联系逐渐展露出来。早在1829年，德国化学家德贝莱纳就提出了“三元素组”观点。他把当时已知的54种元素中的15种，分成5组，指出每组的三种元素性质相似，而且中间元素的原子量等于较轻和较重的两个元素原子量之和的一半。例如钙、锶、钡，性质相似，锶的原子量大约是钙和钡的原子量之和的一半。氯、溴、碘以及锂、钠、钾等元素也有类似的关系。然而这样的关系即使是当时的54种元素也不能普遍适用，所以没有引起化学家们的重视。

1862年，法国矿物学家尚古多提出一个“螺旋图”的分类方法。他将已知的62种元素按原子量的大小顺序标记在绕着圆柱体上升的螺旋线上，这样某些性质相近的元素恰好出现在同一母线上。因此他第一个指出了元素性质的周期性变化。但是他没有区分主族和副族，一些性质迥异的元素，如硫和钛、钾和锰都跑到同一条母线上了。

两年内尚古多先后把有关的三篇论文、图表、模型送交巴黎科学院，都遭到了拒绝。直到元素周期律已被普遍接受的1889年，他的报告才得到出版。

1865年，英国工业化学家纽兰兹提出了“八音律”。他把当时已知的元素按原子量递增顺序排列成表：

发现元素的性质有周期性的重复，第八个元素与第一个元素性质相近，就好象音乐中八音度的第八个音符有相似的重复一样。纽兰兹这个表的前两个纵列相应于现代周期表的第二、三周期，但从第三纵列以后就不能令人满意了，有六个位置同时安置了两种元素，还有些顺序考虑到元素的性质而大胆地颠倒了，但并不恰当。纽兰兹没有充分估计到原子量值会有错误，更没有考虑到那些未被发现的元素应该预先留出空位。他只是机械地将元素按原子量大小的顺序连续地排列起来。结果锰和氮、磷、砷排成了性质相似的一排；钴和镍在氯、溴之间，也属于了卤素！——也只好由它们这样。这样做把事物内在的本质规律掩盖起来了。

当时纽兰兹的同行、英国化学家们普遍把八音律斥之为幼稚的滑稽戏，佛斯特教授甚至挖苦说：“为什么不按元素的字母顺序排列呢？那样，也许会得到更加意想不到的美妙效果。”纽兰兹因而对理论问题的研究感到失望，转而研究制糖工艺。

从“三元素组”到“八音律”（期间包括多位化学家的探索）都从不同的角度，逐步深入地探讨了各元素间的某些联系，使人们一步步逼近了科学的真理。然而探索者的脚步却是歪歪斜斜、迂回曲折的，甚至成为冷眼旁观者的笑料。

在这些探索者中，迈耶尔第一个区分了主族和副族元素。

迈耶尔著述《近代化学理论》

尤利乌斯·洛塔尔·迈耶尔1830年8月19日出生于德国一位医生的家庭，从小就受医疗知识和医疗手段的熏陶。1854年他获得维尔兹堡大学医学博士学位。毕业后的迈耶尔发现自己对科学研究的兴趣比开业当医生要强烈得多。在他的导师、生理学教授卢德维希的鼓励下，迈耶尔转向研究生理化学，后来又在海德尔堡大学化学教授本生的指导下进行研究。本生对气体的研究启发迈耶尔于1856年完成了研究论文《血液中的气体》。文中指出，氧气在肺部被血液吸收的量与压力无关，这不是简单的溶解，而是因为氧与血液之间存在着较为松弛的化学结合力。同时，一氧化碳与血液之间存在着较强的化学结合力，所以一氧化碳能够排挤掉已经与血液结合的氧。

1859年迈耶尔担任布雷斯劳大学讲师期间，首先接受了严格的史学研究的训练，他重点研究了十九世纪上半叶的化学发展史，写成了《贝托雷和贝采里乌斯的化学理论》。这项研究使他对当时各种化学思想的交锋有了比较和鉴别。

1860年迈耶尔出席了卡尔斯鲁厄国际化学会议。在这第一次国际化学界的盛会上，30岁的迈耶尔听到了意大利化学家康尼查罗关于利用阿佛加德罗定律和原子热容定律测定原子量、分子量的论文，后来他又认真研究了康尼查罗散发的这篇论文，感到疑云顿消，接受了阿佛加德罗的分子论，并且认为这次会议将成为化学理论发展的一个转折点。这些认识促使他系统总结当时的化学理论，于四年后的1864年写成了著名的《近代化学理论》，宣扬了科学原子—分子论。这本书前后再版了五次，并被译成英文、法文和俄文。许多人正是通过这本名著，认识了分子论。

《近代化学理论》（第一版）的另一大贡献是发表了迈耶尔的第一张元素周期表。表中列出了28种元素，它们按原子量递增的顺序排列，周期性地分成6个族，这6族元素相应的化合价是4，3，2，1，1，2。化合价明显地呈现出周期性的变化，同族元素也明显地呈现出相似性。迈耶尔还计算了同族元素的原子量之间的差值，发现第二横排元素的原子量与第三横排相应元素原子量的差值几乎都是16，其他横排之间也有类似的规律。他对此很感兴趣。他还指出硅与锡之间有未发现的元素存在，它的原子量可能是73.1。

四年后，在《近代化学理论》第二版中，迈耶尔发表了他的第二张元素周期表，新增加了24种元素和9个纵行，共计15个纵行，明显地把主族和副族元素分开了，这样就使过渡元素的特性区别于主族而独立地表现出来了，同时也避免了由于副族元素的加入而使同一主族元素的性质迥异。

1870年迈耶尔又发表了他的第三张元素周期表（见下图），重新把硼和铟列在表中,并把铟的原子量修订为113.4。预留了一些空位给有待发现的元素，但是表中没有氢元素。同时发表的还有著名的《原子体积周期性图解》，图中描绘了固体元素的原子体积随着原子量递增而发生的周期性变化。一些易熔的元素（如Li、Na、K、Rb、Cs）都位于曲线的峰顶；而难熔的元素（如C、Al、Co、Pd、Ce）则位于曲线的谷底。迈耶尔吸取前人的研究成果，主要从化合价和物理性质方面入手独立地发现了元素周期律。

1895年4月11日，正在担任蒂宾根大学校长的迈耶尔去世。讣文高度评价他的名著《近代化学理论》：“在开始出版这本书时，并不感到她特别出色，但是随着岁月的增长，这本书对于化学家们产生愈来愈大的影响。这本书从小册子终于发展成为堂堂巨著。在物理化学这门学科建立以前，这本书一直被认为是化学基础理论的代表作。”

门捷列夫提出元素周期律

与迈耶尔相似，以先行者提供的借鉴为基础，门捷列夫通过自己顽强的努力，于1869年2月编成了他的第一张元素周期表。1869年3月18日，俄国化学会举行学术报告会，门捷列夫因病未能出席，他委托他的同事、彼得堡大学化学教授门许特金代他宣读他的论文《元素性质和原子量的关系》。在论文中，他指出：

(1)按照原子量大小排列起来的元素，在性质上呈现明显的周期性变化。

(2)化学性质相似的元素，或者是原子量相近（如Pt，Ir，Os），或者是依次递增相同的数量（如K，Rb，Cs）。

(3)各族元素的原子价（化合价）一致。

(4)分布在自然界的元素都具有数值不大的原子量值，具有这样的原子量值的一切元素都表现出特有的性质，因此可以称它们是典型的元素。

(5)原子量的大小决定元素的特征。

(6)应该预料到许多未知元素将被发现，例如排在铝和硅后面的、性质类似铝和硅的、原子量位于65～75之间的两种元素。

(7)当我们知道了某些元素的同类元素的原子量后，有时可借此修正该元素的原子量。

(8)一些类似的元素能根据其原子量的大小被发现出来。

正如门捷列夫所指出的，周期律的全部规律性都表述在这些原理中。其中最主要的是元素的物理和化学性质随着原子量的递增而做着周期性的变化。

他的卓见没有立即被接受。他的老师、俄国化学家齐宁甚至训诫他是不务正业。在这种压力下，门捷列夫没有象纽兰兹那样伤心地放弃对新理论的研究，他不顾名家的指责和嘲笑，继续为周期律的揭示而奋斗。经过两年的努力，1871年他发表了关于周期律的新论文。文中他果断地修正了前一个元素周期表。例如在前一表中，性质类似的各族是横排，周期是竖排；而在新表中，族是竖排，周期是横排，这样各族元素化学性质的周期性变化就更为清晰。同时他象迈耶尔那样，将那些当时性质尚不够明确的元素集中在表格的右边，形成了各族元素的副族。在前表中为尚未发现的元素留下的4个空格，在新表中则变成了6个。

门捷列夫深信他所发现的周期律是正确的。他以周期律为依据，大胆指出某些元素的原子量是不准确的，应重新测定。例如当时公认金的原子量为169.2，按此，在周期表中，金应排在锇、铱、铂（当时认为它们的原子量分别是198.6，196.7，196.7）的前面。而门捷列夫根据金的性质认为金在周期表中应排在这些元素的后面，所以它们的原子量应重新测定。重新测定的结果是：锇为190.9，铱为193.1，铂为195.2，金为197.2。实验证明了门捷列夫的意见是对的。又例如，当时铀公认的原子量是116，是三价元素。门捷列夫则根据铀的氧化物与铬、钼、钨的氧化物性质相似，认为它们应属于一族，因此铀应为六价，原子量约为240。经测定，铀的原子量为238.07，再次证明门捷列夫的判断正确。基于同样的道理，门捷列夫还修正了铟、镧、钇、铒、铈、钍的原子量。

门捷列夫对于各种元素的单质和化合物的化学性质十分了解，并清楚多种原子量的测定方法，这些知识使他对周期律怀有坚定的信念。而他在周期表中留下空位，并详细预言尚未发现元素的种种性质，则是他在揭示元素周期律的道路上迈出的最出色、最具胆略的一步。

预言的元素被发现

1875年，法国化学家布瓦博德朗在分析比里牛斯山的闪锌矿时发现一种新元素，他将新元素命名为镓，以表达他对他的祖国法兰西的热爱，并把测得的关于镓的主要性质公布了。不久他收到了门捷列夫的来信，门捷列夫在信中指出：关于镓的比重不应该是4.7，而是5.9-6.0。当时布瓦博德朗很疑惑，他是唯一手里掌握金属镓的人，门捷列夫是怎样知道镓的比重的呢？1876年9月，布瓦博德朗重作了实验，将金属镓提纯，重新测定，结果镓的比重确实为5.94（现代值为5.91），这结果使他大为惊奇。他认真地阅读了门捷列夫的周期律论文后，感慨地说：“我没有什么可说的了，事实证明了门捷列夫这一理论的巨大意义。”

镓是用光谱分析法发现的

镓的发现是化学史上第一个事先预言的新元素被发现，它雄辩地证明了门捷列夫元素周期律的科学性。1880年瑞典的尼尔森发现了钪，1885年德国的文克勒发现了锗。这两种新元素与门捷列夫预言的类硼、类硅也完全吻合，门捷列夫的元素周期律再次经受了实践的检验。

预言被证明极大地鼓舞了门捷列夫。1889年，门捷列夫应邀参加伦敦化学会举办的法拉第演讲会，他在关于周期表的报告中说道：“我预见到某些新元素的存在，在这里我提供一个例子，虽然至今我对它了解得还不太透彻。包括汞、铅、铋在内的第六周期元素中，我设想有一个与碲相类似、应排在碲下面的元素存在，可以把它叫做‘类碲’。”

果然，‘类碲’又在1898年被居里夫人发现，她为了纪念她的祖国波兰，把这种世界上首次通过追踪放射性而发现的元素命名为钋。钋的性质与门捷列夫预言的‘类碲’的性质也是一致的。

化学元素周期律是自然界的一条客观规律。它揭示了物质世界的一个秘密，即这些似乎互不相关的元素间存在相互依存的关系，它们组成了一个完整的自然体系。从此新元素的寻找，新物质、新材料的探索有了一条可遵循的规律。元素周期律作为描述元素及其性质的基本理论有力地促进了现代化学和物理学的发展。

门捷列夫为元素周期律的揭示做出了卓越的贡献。他的出色之处是敢于对当时公认的原子量提出质疑，并大胆地给未发现元素预留空位，还准确地预言了这些元素的性质。对此他自己曾评价到：

“定律的确证只能借助于由定律引申出来的推论。这种推论，如果没有这一定律便不能得到和不能想到，其次才是用实验来检验这些推论。因此我在发现了周期律之后，就多方面引出如此合乎逻辑的推论，这些推论就能证明这一定律是否正确，其中包括未知元素的特征和修改许多元素的原子量。没有这种方法就不能确证自然界的定律。不论法国人所推崇为周期律发现人的尚古多也好，英国人所推崇的纽兰兹也好，另一些人认为的周期律创始人迈耶尔也好，都没有象我从最初（1869年）起就做的那样，敢于预测未知元素的特性，改变‘公认的原子量’，或一般说来，把周期律认做是一个自然界中结构严密的新定律，它能够把散乱的材料归纳起来。”

从这段话可以看出，门捷列夫当时就将各元素的性质、周期律、推论和实验验证看成一体，他自觉或不自觉地具有普遍联系的辩证思想。他提出周期律运用的是综合归纳的方法，而他验证周期律用的却是演绎推理的方法。

1882年，门捷列夫与迈耶尔共同作为元素周期律的发现人获得了英国皇家学会的最高荣誉——戴维奖章。五年后，英国皇家学会将同样的荣誉颁发给它自己的会员——纽兰兹，以表彰他的“八音律”对周期律的揭示所起的承前启后的作用。

门捷列夫小传

继十六位哥哥、姐姐之后，门捷列夫于1834年2月8日出生于俄国西伯利亚的托波尔斯克市。他父亲是位中学校长。在他出生后不久，父亲双眼因患白内障而失明，一家的生活全仗着他母亲经营一个小玻璃厂而维持着。1847年双目失明的父亲又患肺结核而死去。意志坚强的母亲不管生活多么困难，坚持让孩子们接受了学校教育。

1825年12月，俄国十二月党人发动反对沙皇的武装起义。新登基的沙皇尼古拉一世镇压起义后，将许多革命者流放到西伯利亚。一位爱好自然科学的被流放者和门捷列夫的姐姐结了婚。这使儿童时期的门捷列夫就接触了自然科学知识。

门捷列夫读小学时，对数学、物理、历史课程感兴趣，对语文、尤其是拉丁语很讨厌，因而成绩不好。他特别喜爱大自然，曾同他的中学老师一起作长途旅行，搜集了不少岩石、花卉和昆虫标本。他善于在实践中学习，中学的学习成绩有了明显的提高。

中学毕业后，他母亲决心要让这最小的儿子象他父亲那样接受高等教育。于是她变卖了工厂，经过2千多公里艰辛的马车旅行来到了彼得堡。因为门捷列夫不是出身于豪门贵族，又来自边远的西伯利亚，彼得堡的一些大学拒绝他入学。好不容易，门捷列夫考上了医学外科学校，然而当他第一次观看到尸体时，就晕了过去。他只好改变志愿，通过父亲的同学的帮忙，进入了亡父的母校——彼得堡高等师范学校物理数学系。那时的师范学院里有一些学识渊博的教授，化学家伏斯克列辛斯基的教学和研究工作尤其鼓舞了这位年轻的大学生。门捷列夫的天才在这里获得了迅速和多方面的发展。

母亲终于实现了愿望。她在彼得堡陪着门捷列夫度过了最后的两年。在门捷列夫就要毕业、马上能够回报母亲的时候，母亲却带着对他的祝福走完了艰辛的一生。门捷列夫永远忘不了这最悲痛的时刻。他后来在一部有关溶液的著作的前言中写下了这样一段话：

“这部著作是一个小儿子献给母亲的纪念品。为了使这个儿子能得到很好的科学教育，她曾经耗尽了最后的精力。临终时，她还说，‘不要幻想，要坚持工作，耐心地寻求科学的真理吧。’——我将永远记着母亲临终的遗言。”

1855年以优异的成绩从学校毕业后，门捷列夫先后到过辛菲罗波尔、敖德萨担任中学教师。在教师的岗位上他并没有放松自己的学习和研究。1856年他又以突出的成绩通过化学学位的答辩。他刻苦学习的态度、钻研的毅力以及渊博的知识得到老师们的赞赏，彼得堡大学破格地任命他为化学讲师，当时他年仅22岁。

在彼得堡大学，门捷列夫任教的头两门课程是理论化学和有机化学。当时流行的教科书几乎都是大量关于元素和物质的零散资料的杂乱堆积。怎样组织才能讲好课？门捷列夫下决心考察和整理这些资料。

1859年他获准去德国海德尔堡本生实验室进行深造。两年中他集中精力研究了物理化学。他运用物理学的方法来观察化学过程，又根据物质的某些物理性质来研究它的化学结构，这就使他探索元素间内在联系的基础更宽阔和坚实。

因为他恰好在德国，所以有幸和俄国化学家一起参加了在德国卡尔斯鲁厄举行的第一届国际化学会议。会上各国化学家的发言给了门捷列夫以启迪，特别是康尼查罗的发言和小册子。门捷列夫是这样说的：“我的周期律的决定性时刻是在1860年，我参加卡尔斯鲁厄代表大会。在会上我聆听了意大利化学家康尼查罗的演讲，正是他发现的原子量给我的工作以必要的参考材料，……而正是当时，一种元素的性质随原子量递增而呈现周期性变化的基本思想冲击了我。”从此他有了一个目标，并为此付出了艰巨的劳动。

从1862年起他对283种物质逐个进行分析测定，这使他对许多物质和元素的性质有了更直观的认识。他重新测定一些元素的原子量，因而对元素的这一基本特征有了深刻的了解。他对前人关于元素间规律性的探索工作进行了细致的分析。

1867年，担任了彼得堡大学化学系主任的门捷列夫着手编写一本化学基础知识教科书——《化学原理》。物质种类繁多，怎么分类呢？他先后研究了根据元素对氧和氢的化合关系所作的分类；研究了根据元素电化序所作的分类；研究了根据化合价所进行的分类，特别研究了根据元素的综合性质所进行的元素分类。

他坚信元素原子量是元素的基本特征，同时发现性质相似的元素，它们的原子量并不相近。相反，一些性质不同的元素，它们的原子量反而相差较小。他紧紧抓住原子量与元素性质之间的关系作为突破口，反复测试，不断思索。他在每张卡片上写出一种元素的名称、原子量、化合价、化合物的化学式和主要的性质。就象玩一副别具一格的元素纸牌一样，他反复排列这些卡片，终于发现每一行元素的性质，尤其是元素的化合价，都在按原子量的增大而逐渐变化，周而复始，也就是说元素的性质随原子量的增加而呈周期性的变化。第一张元素周期表就这样产生了。

随着周期律广泛被承认，门捷列夫成为闻名于世的卓越化学家。各国的科学院、学会、大学纷纷授予他荣誉称号、名誉学位以及金质奖章。具有讽刺意义的是，在封建王朝的俄国，科学院推选院士时，竟以门捷列夫性格高傲有棱角为借口，把他排斥在外。后来因门捷列夫不断地被选为外国的名誉会员，彼得堡科学院才被迫推选他为院士，但门捷列夫拒绝加入科学院，从而出现俄国最伟大的化学家反倒不是俄国科学院成员的怪事。

门捷列夫除了发现元素周期律外，还研究过气体定律、溶液化学理论、气象学、石油工业、农业化学、无烟火药、度量衡，在这些领域他都能辛勤劳动、大胆探索。1887年发生日食的时候，为了观察天象的变化，他不顾家人和朋友的劝阻，一个人乘着气球上升到空中。这个气球被风刮到很远的地方才降落下来，许多人替他捏了一把汗。他这种为科学不顾生命危险的精神鼓舞了许多俄罗斯青年。

他还热爱文学艺术，每晚阅读文艺作品。他的夫人波波娃善于绘画，他们家里挂了许多著名科学家的画像，都出于他夫人的手笔。他们的家庭生活是美满的，一共有六个儿女。

象任何伟人一样，门捷列夫也不可能不犯错误。1903年快七十岁的时候，他又预言了Newtonium和Coronium两种元素。他说：“当我在1869年设计元素周期表的时候，曾经设想存在着比氢还要轻的元素，但当时没有来得及认真思考，现在要发展这一思想。”他预言Newtonium位于氢的上方，原子量约为0.170；而Coronium则应该是能在日晷中找到的新元素，它的原子量约为0.4。他产生这种想法可能是受了两方面的影响：第一，这时周期表中出现了新的一族稀有气体元素，于是他想预言“超轻稀有气体元素”的存在；第二，当时“以太”（ether）理论风行，认为“以太”可能是另一种稀有气体元素，它非常轻、运动速度非常快。

另外，周期表中Co和Ni、Te和I的位置与它们原子量大小顺序的矛盾令门捷列夫不解，他一直怀疑是原子量测定有错误。这些问题只有在莫斯莱提出原子序数的概念，人们认识了原子核内部的结构之后，才能得到解决。

热爱真理的科学家，常常同时热爱正义和民主。1890年，彼得堡大学当局秉承反动沙皇的旨意，加紧压迫校内的民主运动，门捷列夫和其他正直的教授向学校当局提出了抗议，眼见抗议无效他愤而辞职。五年后，为了敷衍社会的公愤和舆论的谴责，沙皇政府才不得不请门捷列夫担任国家度量衡局的局长。他通过度量衡标准的鉴定和检查，把自己的科学知识贡献给俄罗斯的工业生产。他在度量衡局一直工作到他光辉生命的最后一天。

1907年2月2日，这位享有世界盛誉的俄国化学家因心肌梗塞与世长辞，那一天距离他的73岁生日只有六天。

他的名著、伴随着元素周期律而诞生的《化学原理》，在十九世纪后期和二十世纪初，被国际化学界公认为标准著作，前后共出了八版，影响了一代又一代的化学家。