考虑到木星远大于地球, 对木星有4颗卫星而地球只有1颗卫星就不会感到惊奇了。事实上, 如果木星的卫星没有那么多, 或地球的卫星不是那么少, 那才是一件令人奇怪事情。
4颗伽利略卫星合在一起是月球质量的6.2倍, 但仅是它们所环绕的木星质量的1/4200。月球质量则是它所环绕的地球的1/81。
通常行星所拥有的卫星和自己比起来都非常小--如木星的卫星。在所有行星中, 金星和水星根本没有卫星, 尽管金星和地球大小差不多; 火星有两颗, 但是非常小; 地球的卫星非常大, 地球和月球几乎可以被看成是一对双行星。
在伽利略发现木星的4颗卫星之后, 将近3个世纪, 没有再发现任何木星的卫星, 虽然这段时间内发现了别的行星的15颗卫星。
最后, 1892年, 美国天文学家E.E.巴纳德探测到了一个靠近木星的光点, 非常暗淡, 在木星光的闪耀下几乎无法看到。它就是木星的第五颗卫星, 也是用眼睛观察发现的最后一颗卫星。从那以后, 卫星都是通过从地球上或由探测器所拍摄的照片发现的。
这第五颗卫星被命名为阿玛尔忒亚 (中文名为木卫五。阿玛尔忒亚是希腊神话中的一个水中仙女, 她被想象为曾在宙斯婴幼时哺过他奶) 。这个名称直到20世纪70年代才被正式承认。
木卫五距离木星中心只有180, 000公里 (112, 000英里) , 以11.95小时的周期运行。 它比任何一颗伽利略卫星都更靠近木星, 在那样近的距离上木星的光亮使得它黯然失色, 这也是经过这么长的时间才发现它的一个原因。 另一个原因是它的直径只有250公里 (155英里) , 是最小的伽利略卫星的1/13, 所以非常暗。
虽然如此, 后来发现木星还有许多比木卫五还小因此也更暗的其它卫星。这些卫星大部分距离木星很远, 远在任何一颗伽利略卫星的轨道之外。在20世纪, 发现了8颗这样的外层卫星。 第一颗在1904年, 第八颗在1974年。在那时, 这8颗卫星仅按它们的发现次序以罗马数字来表示, 从木星Ⅵ到木星ⅩⅢ。
美国天文学家珀赖因于1904年12月发现了木星Ⅵ, 1905年1月发现了木星Ⅶ。木星Ⅵ的直径大约是97公里 (60英里) , 而木星Ⅶ的直径大约是32公里 (20英里) 。
木星Ⅷ于1908年被英国天文学家梅洛特发现, 而美国天文学家尼科尔森1914年发现了木星Ⅸ, 1938年发现了木星Ⅹ和木星Ⅺ, 并于1951年发现了木星Ⅻ。 这后面4颗的直径大约是24公里 (15英里) 。
最后, 1974年9月10日, 美国天文学家科瓦尔发现了木星ⅩⅢ--平均距离木星1, 126万公里 (700万英里) 左右, 大约是木星到木卫四的6倍, 外面的4颗平均距离木星2, 253万公里 (1, 400万英里) , 大约是里面4颗距离木星的2倍。
伽利略卫星都是在木星的赤道面上以几乎正圆形的轨道绕木星运行。这是可以预料到的情形, 这是由木星对这些卫星的潮汐效应造成的 (我将在下一章中进一步讨论这个问题) 。如果某个卫星的轨道不在赤道面上 (即轨道倾斜) , 或者不是正圆 (即偏心圆) , 那么木星的潮汐效应会在一定的时间内将卫星拉回赤道面, 并使其轨道变圆。
但是, 潮汐效应和作用物的质量成正比, 却随着距离的增加而迅速减弱, 并和被作用物的大小成反比。因此尽管木星的质量很大, 对很小的外层卫星却只有很弱的潮汐效应。这样, 虽然有4颗卫星和木星的平均距离差不多, 另外4颗又几乎都在另一个距离上, 却没有碰撞的迫切危险。因为每一个轨道都有不同的斜角和不同的偏心率, 所以, 这些卫星在环绕行星的运行中永远不会和其它任何一个打交道。
在外层卫星中的那4颗靠外的卫星, 它们的轨道倾斜的程度, 科可以说是把它们扭转得颠倒了过来。它们以反常的方式绕木星公转, 也就是顺时针运行 (从木星北极的上方看) , 而不像其它木星的卫星那样逆时针运行。
这些小的外层卫星可能是被俘获的小行星 (我将在本章的后面加以论述) , 而它们不合常规的轨道可能是由于它们加入木星卫星系统的时间还不长, 潮汐效应还没有来得及修正它们的轨道。此外, 天文学家能够证明, 如果一个卫星以反常的轨道接近行星, 就比较容易被这颗行星俘获。
最近几年, 所有木星的外层卫星都以冷僻的神话人物正式命名。离木星最远的卫星是木星Ⅷ, 现在叫做帕西法厄 (中文名木卫八) 。它的轨道偏心率相当大, 以致在轨道最远的那一点, 离木星有3300万公里 (2060万英里) , 是月球离地球最远时的80多倍。这是我们所知环绕行星的卫星当中距离最远的一颗。
木星Ⅸ称为西诺普 (中文名木卫九) 。它的平均距离稍大于木卫八, 因此环绕木星一周的时间更长一些。木卫九环绕木星一周要758天, 差不多相当于两年又一个月。 我们所知道的其他卫星没有一颗有这样长的公转周期。
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木星的形状和表面
木星本身的情况又是怎样的呢? 1691年, J.D.卡西尼用他的望远镜研究木星, 发现它不是一个光亮的圆而是一个相当确切的椭圆。从三维的角度来看, 这一观察意味着木星不是一个圆球, 而是一个扁球, 很像一个橘子。
这实在令人惊讶, 因为太阳和月亮 (满月时) 都是完美的光圆, 因此似乎是完美的圆球。然而, 牛顿的理论 (当时还是非常新的) 可以圆满地解释这种现象。我们在下一章里将会看到, 一个旋转着的圆球有可能成为扁球。因为旋转会使圆球在赤道区域隆起而在两极之处扁平。旋转得愈快, 就愈不像一个圆球。
因此, 从赤道上的一点到赤道对过的另一点的直径 (赤道直径) 必然比从北极到南极的直径 (极直径) 长。木星的赤道直径, 也就是通常在天文书中所给的直径, 是142800公里, 但是它的极直径只有134000公里。两者相差8800公里, 大约是地球直径全长的2/3。这个差距除以赤道直径所得的数字叫扁率。 木星的扁率是0.062, 或者以分数来表示为1/16。
水星、金星和我们的月球, 由于转动十分缓慢, 所以没有可测量的扁率。太阳以中等的速率旋转, 强大的引力吸引使它保持不太隆起, 因此它也没有可测量的扁率。地球转动得快一些, 有0.0033的很小的扁率。火星的转动速度中等, 但使赤道保持不隆起的引力吸引比较小, 所以它的扁率是0.052。
虽然木星的引力吸引比地球大得多, 它的扁率却几乎是地球的19倍, 因此我们可以估计, 木星绕着它的轴旋转得相当快。事实确是如此。1665年, J.D.卡西尼追踪木星表面上稳定移动着的标志, 发现木星自转周期不到10小时。 (现在的数字是9.85小时, 或2/5地球日) 。
虽然木星自转周期比地球短得多, 但木星的体积远大于地球。在地球赤道上的一个点, 用24小时绕一整圈, 所以它1个小时要走1670公里 (1040英里) 。木星赤道上的一个点, 要用9.85小时转一整圈, 1个小时要走45000公里 (28000英里) 。
J.D.卡西尼看到的那些斑点 (后来也有一些天文学家观察到) 一直在变化, 因此似乎不是固体表面的一部分。这些天文学家所看到的很像是金星外围那样的云层, 而那些斑点可能是各种风暴系统。另外还有平行于赤道的带色的条纹, 这些可能是盛行风造成的。木星绝大部分是黄色的, 而带色的条纹则变化不定, 从橙色到褐色, 有时带点白色、蓝色或灰色。
英国科学家胡克1664年首先看到木星表面上最引人注目的标志; 到了1672年, J.D.卡西尼绘制木星图时, 标明这个标志是一个大圆斑。这个斑在以后几年的木星图中也曾出现; 但直到1878年, 德国天文学家坦普尔才对它加以戏剧化的描述。当时他觉得那个斑很红, 从那时以来, 它一直以大红斑著称。其实它的颜色不断地随时间而变化, 有时颜色非常暗淡, 质量差的望远镜就会看不到。从地球上看, 它是一个卵形物, 从东至西长48 000公里 (30 000英里) ; 由南至北宽13 000公里 (8 000英里) 。
图: 大红斑
有些天文学家怀疑大红斑是一个巨大的陆龙卷。事实上, 木星体积和质量如此之大, 竟使一些人怀疑木星可能比其他的行星热得多--热到接近炽热的程度。大红斑可能真是这样一个炽热的区域。然而, 虽然木星的内部无疑是非常热的, 但它的表面却并非如此。1926年, 美国天文学家门泽尔证明, 我们能看到的木星云层, 温度是-135℃。
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木星的物质
由于木星的密度低, 所以木星必然富有密度比岩石和金属低的物质。
宇宙间最常见的物质通常是氢和氦。氢原子占全部原子的90%, 氦原子占9%。这并不令人惊讶, 因为氢原子是存在的最简单物质, 而氦原子仅次之。在剩余的原子中, 大部分是碳、氧、氮、氖和硫。氢原子和氧原子结合形成水分子; 氢原子和氮原子结合形成氨分子。
这些物质的密度在正常情况下和水相等或者比水低。如果在强大的压力下, 如在木星的内部, 它们的密度可能会比水高。如果木星是由这些物质组成的话; 倒是可以解释它的低密度。
1932年, 一位德国天文学家维尔特研究从木星反射的光, 发现某些波长被吸收了--正是会被氨和甲烷所吸收的波长。因此他推断, 至少这两种物质存在于木星大气之中。
图: 木星大气图像, 根据伽利略探测器发回的数据绘制
1952年, 木星正从白羊座 σ 星前面通过时, 两位美国天文学家鲍姆和科德仔细地观察了这一事件, 发现当这颗星接近木星的球体时, 它的光穿过了木星云层上方薄薄的大气。从光变暗的方式可以证实, 这种大气主要是氢和氦。1963年, 美国天文学家斯平拉德研究发现还有氖。
在地球的状况下, 这些物质都是气体。如果木星结构的绝大部分是由这些物质组成的话, 那么将木星叫做气体巨行星似乎非常合适。
第一批木星探测器是先驱者10号和先驱者11号, 分别于1972年3月2日和1973年4月5日发射。 先驱者10号于1973年12月3日通过木星, 在木星可见表面上方仅136, 800公里 (85, 000英里) 。先驱者11号则在1年之后的1974年12月2日从木星上方仅42, 000公里 (26, 000英里) 的地方通过。它通过了木星北极的上方, 于是人类第一次看见了木星的北极。接着又发射了一对更为先进的探测器。它们是旅行者1号和旅行者2号, 分别于1977年的8月20日和9月5日发射, 于1979年3月和7月通过木星。
这些探测器证实了以前对木星大气的推断。木星大气大部分是氢和氦, 比例大约是10: 1 (正好是宇宙通常的状况) 。 有些成分在从地球上探测时没有测到, 其中包括乙烷和乙炔 (两者都是碳氢化合物、水、一氧化碳、磷化氢以及锗烷。
无疑, 木星大气含有相当复杂的组成和化学性质, 除非能够向木星大气中发射一枚探测器, 并让探测器在木星大气中长期存留以发回足够的资料, 否则对木星的大气不会有充分的了解。大红斑 (正如大多数天文学家所猜测的) 是一股巨大的飓风, 比地球还要大而且几乎永久不衰。
整个木星似乎都是液体。温度随着深度迅速升高, 强大的压力也会促使氢变成炽热的液体。在木星的中心可能有一个固态的白热的金属核心。 (到目前为止, 木星深处的状况在地球上仍无法复制, 可能还需要一些时间才能对它作出肯定的推断。)
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木星探测器
木星探测器在逼近4颗伽利略卫星的地方拍下了它们的照片, 使人的眼睛第一次看到它们比普通的小圆盘略大一点。 图: 伽利略卫星, 哈勃望远镜摄
后来得到关于它们的实际大小和质量的更精确的资料, 尽管发现伽利略卫星中最里面的木卫一的真正质量比原来猜想的增加了1/4, 可是也证明了以前的其他估计只需要一些小的修正。正如人们从木卫三和木卫四的低密度所能猜想的那样, 木卫三和木卫四是由轻物质 (如水) 组成的。由于距离太阳遥远 (同时因为是小天体, 没有像木星或地球那样巨大的内热能) , 因而处于低温之下, 使这些物质呈现固体状态而被称为冰。两个卫星上都散布着许多陨星坑。
木星的潮汐作用能把这些卫星加热, 因为潮汐作用有反复弯曲卫星上物质的倾向, 因而使物质摩擦生热。但潮汐作用随着距离的增加而迅速减小。木卫三和木卫四距离木星太远, 潮汐生热极少, 所以依然保持冰冻的状态。
木卫二离太阳比较近, 在其历史上的某个早期阶段, 由于太热无法聚集很多的冰; 或者, 即使聚集了很多冰, 在那一段历史过程中, 大部分已被融化、蒸发, 散失到空间。 (伽利略卫星的引力场太小, 无法在潮汐生热时保留住大气。) 可能是因为无法聚集大量的冰, 或者是在聚集之后又失去, 才使木卫二和木卫一明显地比木卫三和木卫四小。
但是木卫二仍然有足够的冰而形成一个全是海洋的世界 (如同以前想象的金星那样) 。在木卫二的温度下, 这个海洋是一个冰川的世界。而且, 这个冰川非常平滑 (木卫二是天文学家们至今所看到的最平滑的固体世界) , 然而在它上面有纵横交错的细而暗的斑纹) 使它看起来非常像洛威尔的火星图。
木卫二的表面冰川光滑而没有陨星坑的事实, 使人们猜测在它的下面可能存在着由潮汐生热融化的液体水。陨星的碰撞 (如果够大的话) 可能击碎冰的表层, 但是随后水将冒出而再冰冻, 重新封住裂口。较小的碰撞可能造成短暂的裂缝; 这些裂缝也可能是由潮汐效应或其他因素造成的。尽管如此, 总的说来木卫二的表面一直保持平滑。
伽利略卫星中最靠近木星的木卫一得到的潮汐生热最多, 因此很明显它是完全干燥的。就在探测器到达之前, 人们仍然对它感到困惑。1974年, 美国天文学家布朗报告说, 木卫一被一层钠原子的黄霾所围绕。确实, 木卫一运行的整个轨道上似乎弥漫着一层稀薄的霾, 像是环绕木星的一条黄色的彩带。这些黄霾必定来自木卫一, 但没人知道是怎样形成的。
先驱者号探测器证实, 木卫一的确有一层稀薄的大气, 密度约为地球的1/20000, 后来旅行者号探测器解开了这个谜。旅行者号拍摄的照片表明, 木卫一有活火山。除了地球上的活火山之外, 这些是人们知道存在的仅有的活火山。很明显, 岩石熔化的区域 (被木星的潮汐作用所加热) 潜伏于木卫一的表面之下, 而在不同的地方以喷射钠和硫的方式穿过外壳, 形成大气和轨道上的黄彩带。木卫一的表面覆盖了一层硫, 使它的颜色由黄到褐。木卫上的环形山不多, 因为大部分环形山被火山物质填满了。只有几个较暗的斑点表示一些新近出现的环形山尚未填充。
在木卫一轨道内侧的是木卫五, 从地球上看它只不过是一个小光点。旅行者号探测器证实, 同火星的两颗卫星一样, 木卫五也是一个不规则的天体, 但是比较大。它的直径变化在266～140公里 (166～87英里) 之间。
还发现了另外3颗卫星, 每一颗都比木卫五更靠近木星, 也都比木卫五小得多。它们是木星ⅩⅣ、木星ⅩⅤ和木星ⅩⅥ, 据估计它们的直径分别是24、80和40公里 (15、50和25英里) 。在目前的条件下, 由于它们太小和太靠近木星的光芒、从地球上无法看到这些卫星。
木星ⅩⅥ最靠近木星, 距木星中心只有128, 700公里 (80, 000英里) --也就是在木星云层表面上方仅58, 000公里 (36, 000英里) , 它每7.07小时绕木星公转一周。木星ⅩⅣ只稍远一点儿, 以7.13小时的周期绕木星公转。两者的公转都比自转快。所以如果从木星云层上看的话, 将会发现两颗卫星都是西升东落。
图: 木星光环。巨大的蓝色弧线是木星轮廓, 左边的两道橙色线是光环
在最内层的卫星轨道内, 有一些岩屑, 像是围绕着木星的一条零碎的又薄又稀的光环。由于光环太薄太稀, 所以用一般的方法在地球上看不到。
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土星
土星是古人所知道最远的一颗行星, 它虽然距离我们很远, 却相当地明亮。在最亮的时候, 它可以达到－0.75星等, 此时除了天狼星之外, 比任何恒星都要亮。它的亮度也超过了水星, 而且无论如何, 它也比水星更容易观察, 因为土星比我们距离太阳更远, 不像水星那样只能保持在太阳的周围, 以致无法在半夜的星空中出现。
土星与太阳的平均距离是 14.3×108公里, 是木星平均距离的1.833倍; 绕太阳公转一周约需29.458年, 与木星公转周期11.862年相比, 土星年大约是木星年的2.5倍。
在许多方面, 土星都亚于木星。就拿大小来说, 它是太阳系中的第二大行星, 次于木星。赤道直径为120000公里, 仅为木星的5/6。由于土星体积比较小, 距离太阳又比较远、因而照射到土星上的太阳光的强度仅为木星的一半, 使土星比木星暗了许多。但是在另一方面, 土星仍然大得足以使它有相当大的亮度。
图: 土星
土星的质量是地球的95.1倍, 成为仅次于木星的第二个质量最大的行星。它的质量只有木星的3/10, 而体积却为木星的6/10。
这样大的体积中只有这么少的质量, 土星的密度一定非常低。确实, 土星的密度仅是水的0.7倍, 是我们知道的太阳系中密度最小的行星。如果我们设想能够用塑料布把土星包起来, 以防止它融化或散开, 然后将它放进一个能够容得下的海洋里, 它将会浮在水面上。因此可以推测, 土星较木星含有更多的氢, 而其他的含量则较少。同时, 由于土星的重力很弱, 因此对组成它的物质也不能像木星压缩自己的物质那样压缩得那么紧。
虽然土星的体积较小, 自转速度却很快, 但比起木星还是慢了些; 土星的自转周期是10.67天, 所以土星日比木星日长8%。
尽管土星的自转比木星慢, 但是土星外层的密度较低, 吸住外层的引力吸引也较小; 结果, 土星在赤道附近隆起较大, 而成为太阳系最扁的一颗行星。它的扁率为0.102, 比木星扁1.6倍、比地球扁30倍。虽然土星的赤道直径有120, 000公里, 而极直径却仅有108, 000公里, 相差12, 000公里, 几乎是地球直径的全长！土星环
从另一个角度来看, 土星反而独具丰姿。伽利略第一次透过他原始的望远镜观察土星时, 发现它的形状有点奇怪, 好像在其球体的两侧还有两个小球。他继续观察, 发现那两个小球渐渐变得很难看见, 到1612年年底时, 终于同时消失不见了。
其他天文学家也报告过土星的这种奇怪现象; 但直到1656年, 惠更斯才提出了正确的解释。他宣称, 土星外围环绕着一圈又亮又薄的光环; 光环与土星不接触。
图: 土星的光环 (点击放大图片)
土星的自转轴和地球一样, 也是倾斜的, 土星的轴倾角是26.73°, 地球则是23.45°。由于土星的光环和赤道是在同一平面上, 所以它是对着太阳 (也对着我们) 倾斜的。当土星运行到其轨道的一端时, 我们可由上往下看见光环近的一面, 而远的一面仍被遮住。当土星在轨道的另一端时, 我们就可由下往上看到光环近的一面, 而远的一面依然被遮住。土星从轨道的这一侧转到另一侧需要14年多一点。在这段时间内, 光环也逐渐由最下方移向最上方。行至半路时, 光环恰好移动到中间位置, 这时我们观察到光环两面的边缘连接在一起, 状如"一条线"。随后; 土星继续运行, 沿着另一半轨道绕回原来的起点, 这时光环又逐渐地由最上方向最下方移动; 移到正中间时, 我们又看见其边缘连接在一起。因为土星环非常薄, 所以当光环状如"一条线"时就好像消失了一样。1612年年底伽利略看到的正是这种情景; 据说由于懊恼, 他没有再观察过土星。
1675年, J.D.卡西尼发现, 土星环并不是一个完整的光环。在光环的周围有一条暗线, 把光环分成内外两部分。外面的一部分比较窄, 而且不如里面那一部分亮, 看起来像是两个环套在一起。从那以后, 土星环一直被认为是由几个环组成的, 这条暗线现在叫做卡西尼缝。
1826年, 德国血统的俄国天文学斯特鲁维把外面的环命名为Ａ环, 把里面的环命名为Ｂ环。1850年, 美国天文学家W.C.邦德宣称, 还有一个比Ｂ环更靠近土星的暗淡光环。这个暗淡光环就是Ｃ环, Ｃ环与Ｂ环之间并没有明显的分界。
在太阳系的任何地方都没有像土星环那样的东西, 或者说, 用任何仪器我们也看不到任何地方有像土星环那样的光环。诚然, 我们现在知道, 围绕着木星有一个稀薄的物质光环, 且任何像木星和土星这样的气体巨行星都可能有一个由靠近它们的岩屑构成的光环。然而, 如果以木星的光环为标准, 这些光环都是可怜而微不足道的, 而土星的环系却是壮丽动人的。从地球上看, 从土星环系的一端到另一端, 延伸269, 700公里 (167, 600英里) , 相当于地球宽度的21倍, 实际上几乎是木星宽度的2倍。
土星环到底是什么呢? J.D.卡西尼认为它们像铁圈一样是平滑的实心环。可是, 1785年拉普拉斯 (后来他提出了星云假说) 指出, 因为环的各部分到土星中心的距离不同, 所以受土星引力场吸引的程度也会不同。这种引力吸引的差异 (即我前面提过的潮汐效应) 会将环拉开。拉普拉斯认为, 光环是由一系列的薄环排在一起组成的, 它们排列得如此紧密, 以致从地球的距离看去就如同实心的一样。
可是, 1855年, 麦克斯韦 (后来他预言了电磁辐射宽频带的存在) 提出, 即使这种说法也未尽圆满。光环受潮汐效应而不碎裂的惟一原因, 是因为光环是由无数比较小的陨星粒子组成的, 这些粒子在土星周围的分布方式, 使得从地球的距离看去给人以实心环的印象。麦克斯韦的这一假说是正确的, 现在已无人提出疑义。
图: 土星光环的精细结构
法国天文学家洛希用另一种方法研究潮汐效应, 他证明, 任何坚固的天体, 在接近另一个比它大得多的天体的时候, 都会受到强大的潮汐力作用而最终被扯成碎片。这个较小的大体会被扯碎的距离称为洛希极限, 通常是大天体赤道半径的2.44倍。
这样, 土星的洛希极限就是2.44乘以它的赤道半径60, 000公里, 即146, 400公里, Ａ环的最外边缘至土星中心的距离是136, 500公里 (84, 800英里) , 因此整个环系都处在洛希极限以内。 (木星环也同样处在洛希极限以内。)
很明显, 土星环是一些永远也不能聚结成一颗卫星的岩屑 (超过洛希极限的岩屑会聚结成卫星--而且显然确实如此) , 或者是一颗卫星因某种原因过分靠近土星而被扯碎后留下的岩屑。无论是哪一种情况, 它们都是余留的一些小天体。 (被作用的天体越小, 潮汐效应也就越小, 碎片小到某个程度之后, 就不再继续碎裂了, 除非两个小天体相互间偶尔碰撞。) 据估计, 如果将土星环所有的物质聚合成一个天体, 结果将会是一个比我们的月亮稍大的圆球。
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土星的卫星
土星除了光环之外, 也和木星一样拥有一族卫星。1656年, 在发现土星光环的同一年, 惠更斯第一次发现了土星的一颗卫星。两个世纪以后, 这颗卫星才被命名为提坦 (中文名土卫六) 。在希腊神话中提坦是一个神族, 称为提坦诸神, 萨图耳努斯 (土星的命名) 就是希腊神话中的克罗诺斯, 他也属于这个神族。土卫六的体积很大, 和木卫三的大小差不多, 但密度比木卫三小, 所以它们彼此的质量相差甚远; 尽管如此, 土卫六无论在质量或是直径上, 仍然是太阳系中的第二大卫星。
图: 土卫六
有一点土卫六至今仍居同类的首位。虽然土卫六的表面重力很小, 但是由于它比木星的卫星离太阳更远, 因而也更冷, 所以它能更好地保留住那些因受冷而变得不活跃的气体分子。1944年, 在德国出生的美国天文学家柯伊伯探测到了土卫六周围的不可否认的大气, 并发现大气中含有甲烷。甲烷是地球上天然气中的主要成分, 它的分子 (CH4) 是由1个碳原子和4个氢原子结合而成的。
在发现土卫六的时候, 已经知道的其他卫星共有6颗; 它们分别是月球和木星的4颗伽利略卫星, 这5颗卫星大小都差不多, 比起已知的行星来它们的大小都非常相似。然而, 在1671－1684年期间, J.D.卡西尼又发现了不少于4颗土星的卫星, 每一颗的直径都比伽利略卫星中最小的木卫二还要小得多。J.D.卡西尼发现的这些卫星中, 最大的直径有1400公里 (900英里) , 现已被命名为伊阿佩托斯 (中文名土卫八) , 最小的直径只有1000公里 (650英里) , 名为忒梯斯 (中文名土卫三) 。从此以后, 人们知道了卫星可以是很小的。
想象图: 土星及其卫星
到19世纪末的时候, 土星卫星的数目已经增加到9颗。 最后发现的第九颗被称为福柏 (中文名土卫九) , 是由美国天文学家W.H.皮克林首先探测到的。它是目前已知的最远的一颗卫星, 与土星的平均距离为1300万公里 (800万英里) 。土卫九以逆行的方向每549天绕土星公转一周。它也是最小的一颗卫星 (因为小, 自然就暗, 所以这么晚才被发现) , 直径约为190公里 (120英里) 。
1979年～1981年, 先驱者11号、旅行者1号和旅行者2号三枚探测器先后通过木星, 奔向土星, 为我们提供了精密观察土星本体、土星环和土星卫星的机会。
土卫六因为拥有自己的大气, 当然是我们探测的主要目标。旅行者 1 号发射的无线电信号在通往地球的途中掠过土卫六的大气, 一些信号能量被吸收了; 根据吸收的具体成分来计算, 结果发现土卫六的大气意想不到的浓密。从地球上探测到的甲烷含量来估计, 土卫六的大气密度和火星大气差不多。事实上并非如此。土卫六的大气密度是火星大气的150倍, 大约是地球大气的1.5倍。
之所以会有这样令人惊讶的数字, 是因为从地球上探测到的仅是甲烷, 如果土卫六的大气中只有这一种成分的话, 土卫六的大气会是稀薄的, 但是, 甲烷仅占土卫六大气全部含量的2%, 其余的是氮, 而氮气很难利用其吸收特征探测出来。
土卫六大气云雾弥漫, 根本看不见固体表面。然而这种云雾却非常有趣。甲烷是一种容易聚合的分子, 即能够自我结合成更大的分子。于是, 科学家们随意推测, 土卫六可能具有由相当复杂的含碳分子构成的海洋或泥沼。实际上, 我们甚至可以自得其乐地想象, 上卫六的表面覆盖着沥青, 固体石油露出地面, 甲烷和乙烷湖冒着气泡。
正如人们可以预想的那样, 其余的土星卫星都有陨星碰撞的坑。 9 颗卫星中最内层的土卫一有一个坑非常大 (相对于卫星的大小而言) ; 可以想象, 产生这个坑的撞击必定差一点儿把这整个星球粉碎。
土卫二在 9 颗卫星中排行老二, 但它的表面相当平滑, 可能是由于潮汐生热致使部分融化的结果。土卫七是一个最不圆的卫星, 直径变化从110公里到190公里 (70～120英里) , 形状看起来很像火星的卫星, 但比它们大得多, 正因为它足够大, 所以人们认为, 在其自身的引力作用下, 土卫七应该变得相当圆。它现在之所以不圆, 大概是新近分裂出来的缘故。
从1671年首次发现土卫八时起, 土卫八就有自己的特色, 在土星西侧时比在东侧时要亮5倍。因为土卫八总是保持一面朝向土星, 所以它在上星的一侧时, 我们看到的是它的半球, 到了另一侧时, 看到的是它的另一半球, 由此人们自然会猜想, 一半球对阳光的反照率是另一半球的5倍。旅行者1号传送回来的照片证实了这种猜想。由照片上可以看出。土卫八有明有暗, 好像一面是冰, 另一面却覆盖着暗色的尘土。这种差异的原因尚不清楚。
图: 土星的小卫星
土星探测器也成功地发现了8颗小卫星, 它们都太小, 从地球上探测不到, 这样就使土星的卫星总数增加到了17颗。最靠里的卫星距离土星中心仅137, 000公里 (85, 000英里) , 高出土星的云层77, 000公里 (48, 000英里) , 大约14.43小时绕土星公转一周。
在土卫一轨道的内侧, 有两颗卫星异乎寻常地共轨, 即两颗卫星共用同一轨道, 绕着土星不停地互相追逐, 这是我们知道的这种共轨卫星的第一个例子, 它们距离土星中心150, 000公里 (94, 000英里) , 公转周期为16.68小时。1967年法国天文学家多尔夫报告说, 他在土卫一的轨道内侧发现了一颗新卫星, 并命名为伊阿努斯 (中文名土卫十) 。他看到的可能是这共轨卫星中的一颗。因为在不同的时间会看到不同的卫星, 致使他得出了错误的轨道资料。如今在土星卫星的名单上已不再使用伊阿努斯这个名字了。
其余的3颗新发现的卫星也呈现了前所未有的奇特现象。 在很久以前被J.D.卡西尼发现的土卫四, 被探测到还有一颗微小的共轨伴星, 土卫四的直径是1120公里 (700英里) , 而伴星土卫四-B的直径仅有32公里 (20英里) , 并且保持在超前土卫四60°的位置环绕土星运行。结果, 土星、土卫四和土卫四-B分别位于等边三角形的三个顶点上。这就是特罗央情形, 我将在下面的叙述中解释其中的原因。
这种情形只有当第三个天体远远小于前两个天体时才可能发生。发生这种情形时, 小的天体必须超前或落后大的天体60°。超前要在L-4位置, 落后要在L-5位置。土卫四-B位于L-4位置。 (英文字母L是为了纪念意大利出生的法国天文学家拉格朗日, 1772年, 他计算出这种位形在引力上是稳定的。)
接下来是土卫三, 也是卡西尼卫星之一, 它有两颗共轨伴星: 土卫三-B在L-4位置, 土卫三-C位于L-5位置。
很明显, 土星的卫星家族是我们迄今所知太阳系中数目最多而且情况最复杂的一个。扫校者注: 此后又陆续发现了许多新卫星, 到2001年年中, 土星已经有30颗卫星, 仍在太阳系中居首。但估计很快会被木星超过。
土星环远比我们想象的复杂得多。从近距离的观察可以看出, 它是由上百个甚至上千个的细环组成的, 就像唱片上的沟槽一样, 有些地方的暗纹像车轮的辐条一样垂直于环上。在更外层的地方还有一个好像是由三个缠绕在一起的小环组成的微弱光环。以上的这些现象迄今还无法解释。不过一般都认为, 由于电效应, 简单的引力解释一定会变得复杂起来。
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最外围的行星
在望远镜尚未诞生的年代里, 土星是人类所知道的最远而且移动最慢的一颗行星。它也是最暗的一颗行星, 但它仍然是一星等的星。在人们知道行星存在以后的几千年中, 似乎从来没有人想到, 可能会有些行星离我们太远, 因而太暗, 我们无法看到。天王星
虽然伽利略曾经指出, 天上还有数以万计的星星亮度太小, 不使用望远镜就看不到、但是可能存在着暗行星这件事并未引起人们的关注。
后来1781年3月13日, W.赫歇耳在测量恒星的位置时, 在双子星座中看到了一个天体, 不是一个光点, 而是一个小光盘。起初他以为那是一颗遥远的彗星, 因为在用望远镜观察时, 除了行星之外只有彗星才会像圆盘。然而彗星是模糊的, 而这颗星的轮廓非常清晰, 而且, 它在天空中相对于恒星背景的移动速度比土星还要慢, 因此, 这颗行星必定比土星更遥远更暗淡。这颗新的行星最终被命名为乌剌诺斯 (中文定名为天王星, 乌剌诺斯是古希腊神话中的天神, 即萨图耳努斯之父) 。
图: 天王星
天王星与太阳的平均距离为2.9×109公里, 差不多正好是土星到太阳平均距离的2倍。天王星比土星小, 直径为51, 800公里, 是地球直径的4倍。天王星的质量是地球的14.5倍, 但只是土星质量的1/6.6, 木星质量的1/22。
因为它距离遥远, 体积也比较小, 所以看上去比土星、木星暗得多。但是肉眼也不是完全不能看到。只要我们在黑暗的夜晚找一个适当的方位观察, 即使不用望远镜也可以看到这颗微亮的星。难道古代的天文学家们从来没发现过它吗? 当然不是, 只不过当时大家都认为行星应该是很亮的, 因而对这样一颗非常暗的星没有在意罢了。即使人们连夜地观看它, 也不会看到它的位置变化, 因为它的移动太小了。再者, 早期的望远镜也不太好, 即使瞄准了正确的方向, 也不会将天王星显现成一个清楚的小圆盘。
早在1690年时, 英国的科学家弗拉姆斯蒂德在金牛座中列出了一颗星, 还命名为金牛座34。以后天文学家们却找不到这颗星。天王星被发现后, 它的轨道也被计算了出来、按今天已知的天王星轨道逆推回去, 在弗拉姆斯蒂德时代, 天王星确实在他所报告的金牛座34的位置上。半个世纪之后, 法国的天文学家勒莫尼埃也曾在13个不同的时刻观察到天王星, 并把它记在了13个不同的位置上, 他误以为看到的是13颗不同的恒星！
对于天王星的自转周期, 现在有两个相冲突的说法。通常都认为是10.82小时; 但是, 1977年有人提出是25小时。我们大概要等收到探测器的资料后才能确定 (根据1986年旅行者 2 号发回的资料, 初步确定为16.8小时±18分 --译注) 关于天王星的自转有一点是可以肯定的, 就是它的自转轴倾斜。倾斜角为98°, 略大于直角。因此, 在天王星每84年绕太阳公转一周的过程中, 它看上去好像是在沿着自己的一侧滚动一样: 它的两极每个极都是42年的连续光照, 跟着是42年的连续黑夜。
天王星距离太阳遥远, 这种情形对它并没有什么影响。如果地球这样自转的话, 四季将会发生剧烈的变化, 地球上能否出现生命就大可怀疑了。
W·赫歇耳在发现天王星之后, 每隔一段时间都要观察它。1787年, 他又发现了两颗命名为蒂但尼亚 (中文名天卫三) 和奥伯龙 (中文名天卫四) 的卫星。1851年, 英国的拉塞尔又发现了两颗更内层的卫星, 分别起名为阿里尔 (中文名天卫一) 和昂布里尔 (中文名天卫二) 。最后, 柯伊伯于1948年发现了第五颗卫星米兰达 (中文名天卫五) (1986年旅行者2号飞临天王星, 又发现10颗天王星卫星--译注) 。
这些卫星全都在天王星的赤道面上绕天王星公转, 所以不仅天王星, 而且它的卫星系统, 也像是在沿着自己的一侧滚动。它们绕天王星南北运行, 而不像通常那样东西运行。 (因为天王星的赤道面几乎和黄道面垂直, 所以, 这里的南北东西是对黄道面而言的。如果像地球那样, 站在天王星上, 以天王星自转轴方向为南北, 顺天王星赤道方向为东西, 则天王星卫星仍是绕天王星东西运行, 而非南北运行。--译注)
天王星的卫星离天王星都很近, 至少, 我们所能看到的卫星中没有一个远的。５颗当中最远的是天卫四, 它距离天王星中心586, 000公里 (364, 000英里) , 仅是地球到月球距离的一半, 天卫五距离天王星中心仅130, 000公里 (80, 800英里) 。
这些卫星的体积也都很小, 没有一颗可以和伽利略卫星、土卫六或月球相提并论。最大的天卫四直径也不过1600公里 (1000英里) , 而最小的天卫五直径只有240公里 (150英里) 。
在很长一段时间里, 天王星的卫星系统似乎没有什么特别激动人心的东西; 但是后来1973年, 英国的天文学家G.泰勒计算出, 天王星将通过一颗九等恒星SA0158687的前方。这一事件使得天文学家们兴奋不已, 因为在天王星从这颗恒星前面通过的过程中, 就在这颗恒星消失之前, 恒星星光将会在一段时间里, 穿过天王星的高层大气。同样, 当这颗恒星从天王星后面出现时, 恒星星光也将穿过天王星的高层大气。星光在穿透大气过程中的变化, 可以清楚地告诉天文学家关于天王星大气的温度、压力和成分。这次掩星过程预计发生在1977年的3月10日。为了观察这次掩星, 那天晚上, 美国的天文学家埃利奥特和他的几位同事, 乘飞机升上高空, 以避开低空大气的畸变及遮掩效应。
在天王星到达这颗恒星之前, 星光突然变暗大约 7 秒钟, 随后又变亮了。在天王星继续接近恒星的过程中, 又有 4 次变暗, 每次都为1秒钟。 在恒星从天王星的另一侧出现时, 也发生了同样变暗的情况, 只是顺序相反。解释这个现象的惟一方法, 就是假设天王星也是被一些稀薄的光环围绕着, 这些光环太薄、太疏、太暗, 在地球上一般是看不到的。
在掩星期间对天王星的仔细观察, 如1978年4月10日的一次观察, 发现天王星共有9个光环, 最里面的环和天王星中心相距40, 500公里 (25, 200英里) , 最外面的环距离天王星中心49, 100公里 (30, 500英里) ) 整个环系都完全在洛希极限之内。
图: 天王星与其暗淡的环
天王星的光环非常薄, 非常疏, 非常暗, 我们可以计算出, 天王星光环的亮度仅为土星环的1/3, 000, 000。无怪乎除了这种间接的方法外, 用任何方法都看不到天王星的环。
后来, 在木星的光环被发现以后, 人们开始认为光环根本不是一种特殊的现象, 大概所有的气体巨行星除了有很多颗卫星外, 都有自己的环系。土星之所以特殊, 并不是因为它具有环系, 而是因为它的环系分布广泛而又非常明亮。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·海王星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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海王星
发现天王星后不久, 就计算出了它的轨道。但是, 经过几年的观察, 发现它并没有完全按照算出的轨道运行。1821年, 法国天文学家布瓦尔考虑了弗拉姆斯蒂德等人的观察结果, 重新计算了天王星的轨道, 但是天王星也不完全按照这条新的轨道运行。
其他行星对天王星的微小吸引 (摄动) 会轻微地影响天王星的运行, 使它稍微超前或落后于它理论上的位置。对于这些影响都仔细地进行了重新计算, 可是天王星的运行轨道仍然不准确。因此, 符合逻辑的结论是, 在天王星以外, 可能有一颗未知的行星对天王星施加着他们没有考虑到的引力吸引。
18利年, 英国剑桥大学一位22岁的数学系学生J.C.亚当斯开始利用课余时间解决这个问题。1845年9月, 他终于计算出了那颗未知行星应有的位置, 如果那颗行星那样运行的话, 就能说明天王星轨道不准确的原因。可是, 他的努力并未引起当时英国天文学家们的兴趣。
在同一时期, 另有一位法国的年轻天文学家勒威耶也在独立地研究这个问题, 他在亚当斯之后半年完成研究工作, 得出了与亚当斯相同的结果。勒威耶非常幸运, 他找到德国天文学家伽勒帮助检查他所指出的那片天区是否有一颗未知的行星, 伽勒正好有一张那片天区的新星象图。 伽勒于1846年9月23日夜晚开始搜寻, 他和他的助手迪阿雷斯特仅用了一个小时就找到了一颗星象图上没有标示的八等星。
图: 海王星
这正是那颗新行星！而且它的位置几乎就在计算出来的那个点上。由于它发出略呈绿色的光, 所以就以海洋之神命名为海王星。亚当斯和勒威那共同分享了发现海王星的荣誉。
海王星运行的轨道和太阳相距4.5×109公里, 比天王星和太阳距离的一倍半还要多 (相当于地球和太阳距离的30倍) 。它绕太阳公转一周需要164.8年。
如同金星和地球是孪生姊妹一样 (至少在大小上) , 海王星和天王星也可以说得上是孪生姊妹。海王星的直径是49, 500公里, 只比天王星稍小一点, 但是密度比天王星大, 质量比天王星多18%。海王星的质量为地球的17.2倍, 是绕太阳运行的第四颗气体巨行星。
海王星发现后不到3个星期, 即1846年的10月10日, 就发现了一颗海王星的卫星, 并以希腊神话中海神的一个儿子的名字命名为特里同 (中文名海卫一) 。后来发现海卫一是又一颗大卫星, 质量几乎与土卫六相等, 是被发现的第七颗大卫星, 也是从将近两个世纪以前发现土卫六以来发现的第一颗这样的卫星。
图: 海卫一
海卫一的直径有3860公里 (2400英里) , 略大于我们的月球; 与海王星中心相距355, 600公里 (221, 000英里) , 和地球与月球间的距离差不多。但是由于海王星的引力比较大, 所以海卫一的公转周期为5.88天, 约是月球的1/5。
海卫一是以逆向绕海王星公转的。它不是惟一的逆行卫星。可是其他的逆行卫星 (如土星最外层的卫星以及木星外层的 4颗卫星) 不但体积小而且距离环绕的行星都很远。海卫一是一个大而靠近它的行星的卫星。它为什么沿逆行轨道运行迄今仍是一个谜。
100多年来, 海卫一一直是海王星惟一已知的一颗卫星。1949年, 柯伊伯 (即在头两年发现天卫五的那个人) 观察到一个位于海王星附近的又小又暗的天体。这是另一颗卫星, 被命名为涅瑞伊得 (中文名海卫二) (涅瑞伊得是希腊神话中的海洋女神) 。
海卫二的直径大约有240公里 (150英里) , 由西向东绕海王星公转: 但它却是所有卫星中轨道偏心率最大的卫星。离海王星最近时有139, 000公里 (864, 000英里) , 最远时却可达9, 734, 000公里 (6, 050, 000英里) , 也就是说, 它和海王星的远近距离相差7倍。它的公转周期为365.21天, 只比我们地球的一年少45分钟。
海王星至今尚未有探测器到访过, 所以我们不知道海王星是否拥有其他的卫星或光环, 这也就没有什么奇怪的了。既然土卫六有大气, 海卫一也完全可能有大气, 到底有没有大气, 我们也不知道。
图: 海王星上的"大黑斑"
(译注: 1989年8月, 旅行者2号从距离海王星云端4800公里的地方飞越, 拍摄到海王星的详细情况, 发现了6颗新卫星和3个光环, 还发现海王星上有一巨大鹅卵形风暴, 直径大约1.28万公里。海卫一是其拍摄的主要目标之一, 发回的照片表明, 海卫一是太阳系中惟一一颗真正的"蓝色卫星", 在其赤道附近有一由冰冻的甲烷气体覆盖着的地带; 海卫一的温度为－400°F, 是现在知道的太阳系中最冷的天体; 海卫一有大气, 很薄, 是由氮和甲烷气体构成的; 海卫一上有活的冰火山, 喷出液态氮。)
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·冥王星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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冥王星
海王星的质量和位置已经说明了天王星轨道的大部分误差。但是, 要说明剩余的误差, 一些天文学家认为还应该搜寻一颗比海王星更远的未知行星。最努力计算和搜寻这颗行星的就是洛威尔 (即以发现所谓的火星运河而闻名的那个人) 。
这次的搜寻工作确实有许多的困难需要克服。首先, 这颗行星位于海王星之外, 所以必定很暗, 它会混同在同样暗的一般恒星之中; 其次, 这样一颗行星, 它会移动得非常慢, 因此会很难探测出它的位置变化。直到1916年洛威尔去世的时候, 他也没有找到这颗行星。
但是, 美国亚利桑那州洛威尔天文台的天文学家们, 在洛威尔死后, 继续了这项搜寻工作。1925年, 年轻的天文学家汤博接替了这项工作。他使用了一种新的望远镜, 能够非常清晰地拍下大片天空的照片。
他还使用了闪视比较镜, 这种仪器能够将相隔数日拍摄的同一星区的底片迅速地交替投影出来。调整底片, 使每张照片上的星星都对准在同一点上。在底片一张接一张地显现过程中, 真正的恒星位置会保持不变, 但是, 如果存在任何暗行星的话, 它会迅速交替地改变位置, 一会儿这里, 一会儿那里, 不停地闪动。
即使这样也不容易发现, 因为一张底片上就会有数万颗星星, 因此必须仔细地扫描每一部分, 在数万颗星星中看有没有一颗在闪动。
终于在1930年2月18日的下午4点钟, 汤博在研究双子座的一个区域时, 发现了一颗闪动的星。在追踪了将近一个月之后, 1930年3月13日, 终于宣布他发现了这颗新行星。由于这个行星远离太阳的光辉, 所以依照地狱之神, 把它命名为普卢同 (中文定名冥王星) (即希腊神话的中冥王哈得斯, 因为欧洲人忌讳说这个字, 因此改称他为普卢同 (财神) ) 。另外, 这个名字的前两个英文字母也是洛威尔英文名字的两个字首 (冥王星的英文名为Pluto, 洛威尔的英文名是Percival Lowell--译注) 。
图: 冥王星与冥卫一 (点击图片可放大)
冥王星的轨道计算出来以后, 发现有许多地方出人意料。它与太阳的距离并不像洛威尔和其他天文学家所预测的那么远。它与太阳的平均距离只有5.9×l09公里, 仅比海王星远30%。
还有, 它的轨道偏心率是所有行星中最大的。冥王星离太阳最远时为74亿公里 (46亿英里) , 最近时仅有43．44亿公里 (27亿英里) 。
冥王星的近日点比海王星实际上近了1600万公里 (1000万英里) 。冥王星的公转周期是247．7年, 但是其中约有20年的时间比海王星更靠近太阳, 而不是太阳系中最远的行星。碰巧, 这个现象在20世纪的最后20年中会出现一次, 也就是说, 现在冥王星要比海王星更靠近太阳。
冥王星的轨道实际上并不与海王星的轨道交叉, 但与其他行星相比要倾斜得多。冥王星的轨道对地球轨道的倾斜角约是17.2°, 海王星仅稍有倾斜。所以, 冥王星和海王星的轨道相交时, 两者与太阳的距离相等, 但一个远在另一个的下方。两个行星间的距离永远也不会少于24亿公里 (15亿英里) 。
最令人困惑的是冥王星出人意外的暗, 这马上表明它不是一个气体巨行星。如果它的体积近于天王星和海王星的话, 它应该比现在亮得多, 初步推测它只有地球般大小。
即使这样似乎还是高估它了。1950年, 柯伊伯设法使冥王星呈现为一个小光盘; 他测量了小光盘的直径以后, 认为它的直径只有5800公里 (3600英里) , 比火星的直径小得多。一些天文学家不大相信这个估计, 但是1965年4月28日, 冥王星非常靠近一颗微弱的恒星, 但并不掩它。如果冥王星的体积比柯伊伯所预计的大, 那么它会使这颗恒星变得模糊。
于是, 问题清楚了: 冥王星非常小, 它对天王星轨道的影响用任何方式也察觉不到。如果有一个遥远的行星可以说明天王星轨道的最后一点儿误差的话, 那么这颗行星一定不是冥王星。
1955年, 人们注意到, 冥王星的亮度变化很有规律, 每6.4天反复一次。人们推测它每6.4天自转一周--自转周期特别长。水星和金星的自转周期比冥王星更长一些, 但它们靠近太阳, 受到太阳的潮汐作用的强烈影响。冥王星自转周期长究竟有什么理由呢?
1978年6月22日的一项发现似乎提供了答案。 这一天, 美国天文学家克里斯蒂在仔细检查冥王星的照片时, 发现其侧面有一个明显的肿块。最后他断定冥王星有一颗卫星。它和冥王星非常靠近, 两者中心相距20, 000公里 (12, 500英里) 。在我们这么遥远的距离观察, 间隔小得看不出来, 因此迟延了这么长的时间才发现它。克里斯蒂将它命名为卡戎 (中文名冥卫一) , 在希腊神话中他是冥河上引渡亡魂通往冥府的船夫。
冥卫一每6.4天绕冥王星公转一周, 刚好是冥王星的自转周期。这并不是巧合。这必定是冥王星和冥卫一之间的潮汐作用使它们自转的速度互相减慢, 直至始终保持同一面朝向对方。它们现在绕着共同的重心旋转, 就好像用万有引力吸引在一起的两半哑铃一样。
这是惟一的哑铃式旋转的行星－卫星的组合体。就拿地球和月球来说, 虽然月球永远以同一面对着地球, 但是地球至今尚未慢到永远以同一面对着月球的程度, 因为地球比月球大得多, 所以自转的速度减缓得很慢。如果地球和月球的大小差不多的话, 同样也会形成哑铃式的公转。
从冥王星和冥卫一彼此间的距离和公转的时间, 可以推算出这两颗星的总质量: 原来仅有月球质量的1/8, 比我们最少的估计还要小得多。
从两者的亮度比较来推断, 冥王星的直径大概只有2940公里 (1850英里) , 和7颗大卫星中最小的木卫二差不多; 冥卫一的直径有1200公里 (750英里) , 和土星的土卫四差不多;
这两颗星的大小相差并不太大, 冥王星的质量大约只有冥卫一的10倍, 而地球的质量是月球的81倍。这一大小的差别说明为什么冥主星和冥卫一哑铃式地互相公转, 而地球和月球却不那样。冥王星和冥卫一是太阳系中最靠近的一颗"双行星"。直到1978年人们才认为地球和月球也是一颗"双行星"。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·火星轨道外的小行星群《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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火星轨道外的小行星群
在太阳系中, 每一颗行星和太阳的距离都大约是前一颗的1．3～2．0倍, 惟一的例外就是第五颗木星和太阳的距离为第四颗火星的3．4倍。
在天王星发现之后 (此时新行星的可能性令人兴奋) , 天文学家们对木星和火星之间的特大间隔感到迷惑不解。在这个间隔里会不会有一颗行星, 比方说, 一颗第4½ 行星, 一颗一直未被发现的行星呢? 德国天文学家奥伯斯领导一个小组计划系统地搜寻这样一颗行星。
当他们正在准备时, 意大利天文学家皮亚齐在完全没有考虑新行星的情况下观看天空, 无意中看到了一个每天都在改变位置的天体。从它移动的速度来估计, 好像位于土星和火星之间; 从它黯淡的程度来看, 它的体积必定非常小。发现的那一天是1801年的1月1日, 正好是一个新世纪的第一天。
德国数学家高斯根据皮亚齐的观察结果, 成功地推算出了这个天体的轨道: 它确实是颗新行星, 轨道在火星和木星的轨道之间, 恰好是使各个行星均匀分布所应该处的位置。因为皮亚齐的研究工作是在意大利的西西里岛上进行的, 所以他特别将这颗新行星命名为刻瑞斯 (中文名谷神星) , 罗马神话中古代意大利专司粮食的女神刻瑞斯与西西里岛有特别密切的联系。
图: 谷神星的红外照片
从它的亮度和距离来推算, 谷神星的确非常小, 比其他任何一颗行星都小得多。最新的数字表明, 它的直径大约是1000公里 (620英里) , 质量大概是月球的1/50, 比起较大的卫星就小得更多了。
在火星和木星的间隔中似乎不可能只有谷神星一颗行星, 因此虽然皮亚齐发现了谷神星, 奥伯斯仍继续搜寻。到了1807年, 果不其然, 他在这一间隔里又发现了三颗行星。它们分别被命名为智神星、婚神星和灶神星。其中最小的是婚神星, 直径仅有97公里 (60英里) 。
这些新行星非常小, 即使用当时最好的望远镜观察, 它们也显现不出小光盘。它们一直是一些光点, 就像恒星那样。所以W·赫歇耳建议把它们叫做小行星, 这个建议被采用了。
后来直到1845年, 德国天文学家亨克才又发现了第五颗小行星, 命名为阿斯特赖亚 (中文名义神星, 即小行星5号) 。此后, 新的发现接连不断。至今已经发现了1600多颗, 每一颗都比第一个被发现的谷神星小得多。它们几乎全都位于火星和木星的间隔之中, 所以这个区域现在被称为小行星带。
为什么会有这些小行星存在呢? 早期, 当奥伯斯发现前4颗小行星时, 他主张, 这些小行星是一颗爆炸了的行星所留下的残余碎片。可是, 其他的天文学家对这种可能性半信半疑。他们认为, 这些小行星很可能是一颗未形成的行星的前身。在其他的区域里, 一般的情形是, 原始的星云物质逐渐聚合成星子 (相当于小行星) , 然后再慢慢聚合成单独的行星 (最后聚合的那些星子会在行星表面上留下环形山标志) , 但是在小行星带内, 聚合永远不会超过星子阶段。人们认为, 这是附近巨大木星的摄动效应造成的。
到了1866年, 己发现的众多小行星足以表明, 它们在这个间隔里的分布并不均匀。有些区域没有小行星的轨道。在平均距离太阳37, 000万公里 (23, 000万英里) 、44, 000万公里 (27, 500万英里) 、49, 000万公里 (30, 500万英里) 、54, 700万公里 (34, 000万英里) 的地方没有小行星。美国天文学家柯克伍德1866年指出, 在这些轨道上, 这些小行星绕太阳的公转周期是木星的公转周期的一个简单分数。在这种情况下, 木星对小行星所产生的摄动效应会非常大, 迫使在那里运行的小行星不是更靠近就是更远离太阳。这些柯克伍德空隙更清楚他说明, 木星影响广泛, 而且能够阻止聚合。
1906年, 德国天文学家M.沃尔夫发现588号小行星后, 进一步弄清了木星和小行星之间更为密切的关系。 588号小行星之所以不寻常, 是因为它运行的速度出人意料的慢, 因此, 它距离太阳也必定出人意料的远。实际上, 它是目前我们所知道的最远的一颗小行星。它以特洛伊战争中的希腊英雄阿基里斯的名字命名。 (一般为小行星取名时都是以女性的名字为主, 只对那些具有特殊轨道的小行星才赋予男性的名字) 。
仔细的观察证明, 阿基里斯是在木星的轨道上运行, 而且还超前木星60°。同一年的年底, 又发现617号小行星, 也是在木星轨道上, 比木星落后60°。 617号小行星被命名为帕特罗克卢斯, 在荷马的史诗《伊利亚特》中, 他是阿基里斯的朋友。后来发现这两颗星附近又分别群集了许多小行星, 所有这些小行星都以特洛伊战争中的英雄人物来命名。木星、阿基里斯和帕特罗克卢斯是我们首次发现的3个天体分别位于等边三角形的3个顶点上稳定运行的实际例子。所以特别把这种状况称为特罗央位置, 而这些小行星则称为特罗央群小行星。阿基里斯及其星群在L-4位置、 而帕特罗克卢斯及其星群则占L-5位置。
图: 特罗央小行星群示意图 (点击放大)
看上去像是被木星俘获的那些木星外层卫星, 可能曾经一度是特罗央群小行星。
而土星最外层的土卫十和海王星外层的海卫二想来也可能是被俘获的卫星, 这表明在木星以外的区域至少也存在着零零星星的小行星。或许它们原来都在小行星带中, 由于某种摄动, 被迫外移, 终于被某个行星俘获。
例如, 1920年, 巴德发现了944号小行星, 他称之为希达尔戈。当计算出它的轨道以后, 发现它远在木星以外运行, 公转周期为13.7年, 是小行星平均周期的3倍, 甚至比木星的公转周期还长。
944号小行星的轨道偏心率高达0.66。在近日点时, 它和太阳仅相距30, 600万公里 (19, 000万英里) , 所以它正好在小行星带内; 而在远日点时; 和土星到太阳的距离差不多, 高达144, 000万公里 (89, 500万英里) 。但是, 由于它的轨道倾斜很厉害, 以至当它在远日点时, 它远在土星之下, 因此没有被俘获的危险: 然而在这种抛得很远的轨道上运行的其他小行星, 可能会更靠近土星; 而最终被土星或其他更外围的行星俘获。
难道没有一颗小行星因受引力摄动的影响永远在小行星带以远的轨道上运行吗? 1977年, 美国天文学家科瓦尔发现了一个在恒星背景上移动的非常暗淡的小光斑; 但速度只有木星的1/3, 它必定远在木星轨道之外。
科瓦尔继续追踪了它一段日子, 计算出了近似的轨道, 然后又从以前的底片上重新寻找它; 他在大约30张底片上确定出它的位置, 其中有一张底片是1895年拍摄的。这样他就能够画出这颗新星的精确轨道了。
结果表明这是颗相当大的小行星, 直径大约有190公里 (120英里) 。最靠近太阳时, 距离太阳大约和土星一样远, 最远时可达到天王星与太阳的距离。它虽然穿梭于土星和天王星之间, 但由于轨道是倾斜的, 所以不会太靠近它们。
科瓦尔根据希腊神话中一个马人 (半人半马) 的名字, 把它命名为半人马星。它的公转周期是50.7年, 现在它在接近远日点的途中。再过20年, 它和我们之间就会不到目前距离的一半, 那时我们就可以更清楚地看到它了。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·掠地小行星和阿波罗天体《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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阿西莫夫最新科学指南·太阳系
掠地小行星和阿波罗天体
如果说小行星会超越出木星轨道的话, 那么难道就没有进入火星轨道以内更靠近太阳的小行星吗? 第一个这样的例子是德国天文学家维特1898年8月13日发现的433号小行星。它的公转周期仅有1．76年, 比火星的周期少44天。因此, 它与太阳的平均距离一定比火星的距离小。这颗新小行星被命名为厄罗斯 (中文定名为爱神星) , 后来发现爱神星的轨道偏心率相当大。在远日点时, 它深入小行星带中; 但在近日点时, 和太阳相距仅16900万公里 (10500万英里) , 比地球远不了多少。因为它的轨道对地球的轨道倾斜, 两个轨道不在同一平面上, 所以不会太接近地球轨道。
图: 爱神星
尽管如此, 地球和爱神星在最接近的时候, 相距仅2500万公里 (1400万英里) , 比金星到地球的最小距离的一半略多一点, 就是说如果不考虑月球的话, 在发现爱神星的时候, 它是我们知道的最近的空间邻居。
爱神星的体积并不大, 由亮度来判断, 它的形状像砖块, 平均直径约16公里 (10英里) 。虽然它这么小, 却不可轻视。万一它与地球相撞那将是无法想象的大灾难。
1931年, 爱神星和地球相距仅2600万公里 (1600万英里) , 当时有一庞大的天文计划, 要精确地测定它的视差, 以便能够更精确地测定出太阳系的距离。这个计划成功了; 直到有了从金星反射回来的雷达波束, 才对这次测量的结果有所改进。
像这种能够比金星更靠近地球的小行星被称为掠地小行星 (略有夸张) 。在1898年～1932年, 仅发现了3颗掠地小行星, 都不像爱神星那样接近地球。
这个纪录直到1932年3月12日才被打破。 那一天, 比利时天文学家德尔波特发现了1221号小行星。他发现, 虽然这颗小行星的轨道与爱神星的轨道相似, 但它可以接近地球轨道至1600万公里 (1000万英里) 。他把这颗新小行星命名为阿莫尔 (厄罗斯的拉丁名字) 。
就在6个星期之后, 1932年4月24日, 德国天文学家莱因莫斯又发现了一颗小行星, 他命名为阿波罗 (小行星1862号) , 因为它是又一个掠地小行星。令人惊讶的是, 它的近日点仅有9650万公里 (6000万英里) , 不仅在火星的轨道以内, 而且在地球轨道以内, 甚至在金星轨道以内。但它的轨道偏心率非常大, 在远日点时, 和太阳距离34400万公里 (21400万英里) , 比爱神星的最远点还要远。它的公转周期也比爱神星多18天。 1932年5月15日, 阿波罗所在的位置仅和地球相距1094万公里 (680万英里) , 还不到月球和地球距离的30倍。这颗掠地小行星的直径不到1．6公里 (1英里) , 但是对"掠地"来说, 这已经是够大的了; 从那以后, 所有这种比金星更靠近太阳的小行星都称之为阿波罗天体。
1936年2月, 曾于4年前发现小行星阿莫尔的德尔波特又发现了一颗掠地小行星, 他命名为阿多尼斯 (小行星2101号) 。就在被发现的前几天, 阿多尼斯刚刚从距地球240万公里 (150万英里) 的地方经过, 只是月球与我们之间距离的6.3倍多一点。 更有甚者, 它的近日点是6600万公里 (4100万英里) , 在那个距离时小行星离水星的轨道很近。这是发现的第二颗属于阿波罗天体的小行星。
1937年11月, 莱因莫斯又发现了第三颗阿波罗天体, 取名为赫米斯 (小行星, 无号) 。它曾在80万公里 (50万英里) 的地方掠过地球, 仅略大于月球距离的两倍。根据他掌握的资料, 莱因莫斯计算出了大致的轨道, 从这条轨道来看, 如果赫米斯和地球都在它们轨道上的适当位置的话, 赫米斯会在离地球306, 000公里 (190, 000万英里) 以内的地方通过 (小于月球的距离) 。不过从那以后再也没有观察到这颗小行星。
1949年6月26日, 巴德发现了一颗更奇特的阿波罗天体。 它的公转周期为1．12年, 偏心率高达0．827, 是目前已知小行星中偏心率最大的, 在远日点时, 它位于火星与木星之间的小行星带中, 但在近日点时, 和太阳的距离只有2850万公里 (1770万英里) , 比任何行星 (包括水星在内) 都更接近太阳。巴德把它叫做伊卡鲁斯 (小行星1566号) 。在希腊神话中, 伊卡鲁斯是个青年, 曾利用他父亲代达洛斯制作的翅膀飞入空中, 因太靠近太阳, 致使太阳熔化了粘合羽毛的蜡, 而被摔死,
从1949年以来, 又陆续发现了其他的阿波罗天体。有些公转周期不足一年, 并且至少有一颗在其轨道的任何一点上都比地球更靠近太阳。1983年, 甚至还发现了一颗比伊卡鲁斯更接近太阳的阿波罗天体。
有一些天文学家估计, 空间存在着大约750颗直径大于0.8公里 (0．5英里) 的阿波罗天体, 据估计, 在今后的100万年中, 将有4颗会撞上水星、火星或是月球; 有7颗可能会改变轨道, 完全离开太阳系。但是, 阿波罗天体的总数会维持不变; 也可能由于小行星带中天体的引力摄动, 新的阿波罗天体会不断地增加。
阿西莫夫最新科学指南·太阳系·彗星《阿西莫夫最新科学指南·太阳系》
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阿西莫夫最新科学指南·太阳系
彗星
彗星是太阳系中的又一族成员, 有时会非常靠近太阳, 在人们的眼中, 彗星是一种横跨天空、光线柔和、云雾状的天体, 样子就像我在第二章中提到的那种长着长尾巴或披散着头发的怪星, 希腊人称之为毛星, 我们今天仍称之为彗星。
彗星不像恒星或行星那样沿着容易预测的轨道移动, 而似乎是来去无常, 没有规律。在科学以前的时代, 人们相信天上的星星与人类息息相关, 这些飘忽不定的彗星似乎与生活中的怪事有联系, 例如, 未知的灾祸。
当天空出现彗星时, 任何一个欧洲人都惊恐万状, 直到1473年, 情况才有改变, 那一年, 德国天文学家雷乔蒙塔努斯观察到了一颗彗星, 并夜复一夜地把它相对于恒星的位置都记录了下来。
1532年, 两位天文学家, 一位是意大利的弗拉卡斯托罗, 另一位是德国的阿皮安, 仔细研究了那一年出现的一颗彗星, 并且指出它的尾巴始终是背向太阳的。
到了1577年, 第谷看到了一颗新出现的彗星, 试图利用视差法测定出它的距离。如果按照亚里士多德的说法, 彗星是一种大气现象, 那么它的视差应该比月球的视差大。但是实验证明这个说法错了, 因为这颗彗星的视差太小了, 根本测量不到。彗星远在月球之外, 必定是一种天体。
但是彗星的出没为什么会如此地不规则呢? 1687年牛顿提出了万有引力定律之后, 问题似乎清楚了, 和太阳系中其他的天体一样, 彗星也应受太阳引力的束缚。
1682年, 天空中又出现了一颗彗星, 牛顿的一位朋友哈雷记录了它越过天空的路径。在查阅早期的记录时, 他想到, 1456年、1531年和1607年的彗星走了一条同样的路径, 这些彗星每隔75年或76年就会再来一次。
这使哈雷突然想到, 彗星同行星一样绕太阳运行, 但是在一个非常扁的椭圆形轨道上。它们大部分时间在非常遥远的远日点那部分轨道上, 所以太远太暗无法看到, 然后在比较短的时间内闪耀着通过近日点附近的轨道。彗星只有在这一段短时间内才能被看见; 因为其他时间任何人也无法看到, 所以显得来去不定。
哈雷预言, 1682年出现的那颗替星到1758年将会回来。虽然生前他未能亲眼看到那颗彗星回来, 但它真的回来了, 1758年12月25日首次被人们看见。由于它从木星附近通过时受到木星引力的吸引使它减慢了速度, 所以回来得稍迟了一点儿。从此这颗特殊的彗星被称为哈雷彗星。后来它又于1832年及1910年回来过, 并预计1986年还会再度出现。实际上, 在1983年初, 当它仍然非常遥远 (但已开始接近地球) 的时候, 知道往哪里观察的天文学家们就已经看到它的非常朦胧的身影了。
图: 哈雷, 1986年3月8日
此后又计算出了其他一些彗星的轨道, 不过它们都是在行星系统内的短周期彗星。哈雷彗星的近日点在金星轨道以内, 离太阳只有8790万公里 (5460万英里) , 远日点则在海王星轨道以外, 离太阳52.8亿公里 (32.8亿英里) 。
具有最小轨道的恩克彗星, 公转周期为3．3年。它的近日点离太阳5050万公里 (3140万英里) , 与水星的距离不差上下。远日点则在小行星带的外层, 离太阳61100万公里 (38000万英里) 。它是我们所知道的惟一一颗轨道完全在木星轨道以内的彗星。
但是长周期彗星的远日点都远在行星系统以外, 大约每百万年左右来太阳系一次。1973年, 捷克天文学家科胡特克发现了一颗引起大家关注的新彗星。原以为这颗彗星会格外明亮, 实际上并不很亮。在近日点, 它距离太阳仅3770万公里 (2340万英里) , 比水星还近。但是, 在远日点, 竟退到5000亿公里 (3110亿英里) 之外, 也就是相当于海王星与太阳距离的120倍 (如果轨道计算正确的话) , 科胡特克替星绕太阳公转一周要用217000年。毫无疑问, 还会有更大的绕行轨道的彗星。 1950年, 奥尔特提出, 从太阳向外延伸6.4×1012～1.29×1013公里 (4×l012～8×1012英里) (科胡特克彗星远日点的25倍) 的广大空间, 有上千亿个小天体, 大部分直径为0.8～8公里 (0.5～5英里) 。它们的质量总和还不到地球的1/8。
图: 彗木相撞 (根据观测数据进行的艺术加工图) , 1994年7月
这种物质是一种彗星壳, 是在将近50亿年前形成大阳系时凝聚的原始气体尘埃云遗留下来的。彗星与小行星的区别在于, 小行星本质上是岩石; 彗星则主要是由冰样物质组成的, 虽然在它们通常与太阳的距离时像石头一样坚固, 但一旦接近某种热源, 很快就会被蒸发 (1949年, 美国天文学家 F.L .惠普尔首先提出, 彗星基本上是冰样天体, 有一个岩石的核, 或者到处分布着砾石。这个理论被人们称为脏雪球理论。)
图: 百武, 1996年3月20日
在通常情况下, 彗星呆在它们遥远的老家, 以上百万年的公转周期绕着遥远的太阳缓慢地运行, 然而, 如果有一个偶尔的机会, 由于碰撞或某些较近恒星的引力影响, 有些彗星在非常缓慢地环绕太阳公转中加快了速度, 从而完全脱离了太阳系。其他的彗星则速度缓慢, 向着太阳运动, 同时环绕太阳运行并回到它们最初的位置, 然后再次下落。当这些彗星进入太阳系内部并从地球附近经过时, 我们就能够看见它们。
因为彗星发生在一个球形的壳中, 所以它们可以从任何角度进入太阳系内部, 而且逆行的可能性和顺行的可能性是一样的。例如, 哈雷替星就是逆向运行的。
彗星一旦进入太阳系内部, 太阳的热就会使组成彗星的冰样物质蒸发, 从而释放出陷入冰中的尘埃。蒸气和尘埃形成彗星周围的朦胧大气 (彗发) , 因而使彗星看上去像是一个巨大的有毛的东西。
于是, 在完全冻结的时候, 哈雷彗星的直径可能只有2．4公里 (1．5英里) 。当从太阳附近经过时, 在哈雷彗星周围形成的雾状物, 其范围直径可以高达40万公里 (25万英里) , 所占体积超过巨大木星体积的20倍, 但是雾状物中的物质散布得非常稀薄, 同雾状真空一模一样。
从太阳发出的比原子 (将在第七章中论述) 还要小的微粒射向四面八方。这股太阳风冲击围绕着彗星的雾状物, 把它们向外吹出一条长长的尾巴, 这条尾巴可以比太阳本身的体积还要大, 但其中的物质散布得更加稀薄。当然, 正如弗拉卡斯托罗和阿皮安450年前所注意到的那样, 这条尾巴总是背向太阳。
彗星每次绕过太阳, 由于蒸发或从尾巴上流失, 都会失去一些物质。 最后, 在经过太阳200次以后, 彗星就全部分解成尘埃而消失。或者, 留下一个岩石的核 (如恩克彗星部样) , 最后看上去不过是一颗小行星。
在太阳系的漫长历史中, 几百万颗彗星不是被加速从而被驱逐出太阳系, 就是被减速而落入太阳系内部, 最后衰亡毁灭。但是仍然还留有几万亿颗彗星, 因此彗星没有绝迹的危险。
阿西莫夫最新科学指南·元素·周期表·早期的理论《阿西莫夫最新科学指南·元素》
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周期表
至此我所述的都是一些相当大的物体--恒星、星系、太阳系、地球和它的大气层, 现在让我们看看组成它们的物质的特性。
早期的理论
早期希腊哲学家对于大部分问题都采取论证与推理的方法, 他们曾断言地球是由少数元素或基本物质组成的。大约公元前430年, 阿克雷加斯的恩培多克勒把这些基本物质假定为土、空气、水、和火4种。一个世纪后, 亚里士多德又提出天空中含有第五种元素--以太。中世纪研究物质问题的继承者是中世纪的炼金术士, 他们虽然陷入了幻术和骗术的泥坑, 但他们所做的结论比那些古希腊人更精明和合理, 因为他们至少处理过他们所推测的物质。
为了解释这些物质的不同性质, 这些炼金术士们列表增添控制元素, 并附上这些元素的各种特性。他们把水银看作是使 物质具有金属特性的元素, 而把硫看作是使物质具有可燃性的元素。16世纪的瑞士物理学家霍恩海姆是炼金术士中最好的一位, 他加了一种元素--盐, 并认为它是使物质具有抗热性的元素。
炼金术士们认为, 只要按合适的比例加入或取出某些元素, 就可以使该物质变成另一种物质。例如, 像铅这种金属, 只要加入适量的水银就可以转变成金。这种寻求把贱金属转变成金的精密技术持续了好几个世纪。在这期间, 炼金术士们又发现了大量比金更为重要的物质--譬如无机酸和磷。
无机酸--硝酸、盐酸, 特别是硫酸 (大约在公元1300年首次被制造出来) , 引项发现引起了炼金术实验中的重大革命。这些酸比以前知道的最强的酸 (醋里面的醋酸) 所具有的酸性要强得多, 而且不需要高温及长时间的等待就可以把物质分解。即使在今天这些无机酸在工业上的用途仍非常重要, 尤其是硫酸。据说, 一个国家的工业化程度, 可以从它每年消耗的硫酸量来判断。
然而, 几乎没有一个炼金术士愿意离开他追求的主要方向而转到这些重要方面, 其中一些无耻之徒, 耽溺于骗人的色当, 伪称他们会变出黄金以便从一些有钱的赞助人那里赢得我们今天所谓的经费, 因此使得这们行业声名狼藉而导致炼金术士这个名称遭人唾弃。到了17世纪左右, 炼金术士变成了化学家, 同时炼金术也一步步发展成称之为化学的科学。
波义耳是这门科学诞生时出现的化学家中的一位, 他建立了波义耳气体定律。在他的《怀疑的化学家》一书中 (1661年出版) , 波义耳第一次建立了元素的明确的新准则: 元素是一种基质, 它能与其他的元素结合成化合物, 相反地, 任何一种元素从一种化合物中分离出来后, 就不能再分解成任何更简单的物质了。
然而, 对什么是真正的元素, 波义耳仍保留了中世纪的观点。例如, 他认为金不是元素, 可用某种方法从其他的金属制得。事实上, 与他同时代的牛顿也这样认为。牛顿在炼金术上花了很多的时间 (的确迟至1867年, 奥匈帝王约瑟夫还发给他造金实验补助金) 。
在波义耳之后的一个世纪里, 实际的化学工作者开始弄明白了哪些东西可以分成更简单的物质, 哪些不可以。卡文迪什曾经指出, 氢可以和氧结合产生水, 所以水不是一种元素。后来拉瓦锡把被认为是元素的空气分解成氧和氮。如此一来事情就理加清楚了。以波义耳的元素准则来判断, 古希腊所提出的元素则都不是元素了。
至于炼金术士们认为是元素的水银和硫, 后来根据"波义耳准则"也证实确实为元素。其他如铁、锡、铅、铜、银、金和一些非金属如磷、碳、砷也如此。而巴拉赛尔苏斯认为是"元素"的盐, 则被分解成两种更简单的物质。
当然, 元素的定义取决于当时的化学水平。只要某种物质用当时的化学技术不能分解, 它便可以被视为一种元素。例如, 拉瓦锡的33种元素表中包含了石灰石和氧化镁等物质, 但是在他死于法国革命的断头台上之后14年, 英国化学家戴维使用电流来分解这两种物质, 他把石灰石分解成氧和称为钙的另一种新元素。同样地, 他把氧化镁分解成氧和另一种新元素--镁。
另一方面, 戴维已能够证实, 瑞典化学家舍勒从盐酸制出来的气体不像人们所想象的那样是盐酸和氧的化合物, 而是一种真正的元素, 并合名为氯 (源自希腊字"绿色") 。
阿西莫夫最新科学指南·元素·周期表·原子论《阿西莫夫最新科学指南·元素》
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原子论
19世纪初, 人们提出一套考察元素的全新方法, 此法可说是源于古希腊人的某些方法, 古希腊人毕竟提出了已被证实在了解物质方面是最为重要的独特观点。
希腊人曾展开过关于物质是连续或是不连续的辩论: 物质可以分割并无止境地分成愈来愈细的微粒, 还是最后发现它是由不可再分的质点组成的? 大约公元前450年, 留基伯和他的学生德谟克利物二人坚持物质是不可分的。事实上, 德谟克利特还把这些质点叫做原子 (意为"不可分割") 。他甚至认为, 不同物质是由不同的原子或不同的原子组合所组成的, 并且认为, 原子重新排列可以使一种物质转变成另一种物质。考虑到这一切只是聪明的猜测, 人们不免会对他的正确判断力感到震惊。虽然在今天这种观念是很明显的, 但是在当时这些观点是非常模糊的, 析拉图和亚里士多德断然拒绝接受这些观点。
然而, 上述观点在伊壁鸠鲁的讲义 (写于公元前300年) 及其学派 (伊壁鸠鲁学派) 之中存留了下来。罗马的哲学家卢克莱修是伊壁鸠鲁学说的重要信奉者, 大约于公元前60年, 他在自己的一首长诗《物性论》中具体地把原子观念写了出来。卢克莱修的诗的一个旧版本经过中世纪保存了下来, 这首长诗是印刷术问世后就印出来的最早著作之一。
原子的概念从来没有完全被西方学者遗忘过, 在现代科学诞生初期的原子论中, 最著名的是意大利的哲学家布鲁诺和法国哲学家伽桑狄。布鲁诺有许多非正统的科学观点, 例如, 他认为在浩瀚无边的宇宙里有无数颗恒星 (即遥远的太阳) , 而行星却围绕着各自的恒星运转。他大胆地表示了自己的观点, 结果在公元1600年, 以异端的罪名而被烧死。他是科学革命中的杰出殉难者。俄罗斯人为了纪念他, 还以他的名字来命名月球背面的环形山。
伽桑狄的气体可以压缩和膨胀的实验, 显示出气体必定是由分布很广的质点所组成。这个观点影响了波义耳, 并使波义耳和牛顿成为17世纪公认的原子论者。
1799年, 法国化学家普鲁斯特证明, 无论怎样制备碳酸铜, 其所含铜、碳和氧的重量比例都是一定的, 而且该比例是很小的整数比, 为5: 4: 1。对于其他一些化合物, 他也继续证明出有相似的情况。
假定化合物是由各元素能结合的完整物体小数目结合形成的, 可以恰当地解释这种情况。英国化学家道尔顿在1803年指出了这种情况, 并且在1808年出版了一本书, 该书的新化学资料都是过去100年来所收集的, 如果假设所有的物体都是由不可分割的原子所组成, 那么有一半的资料都可证实其意义 (道尔顿保留了古希腊字"原子"以表示对古代思想家的赞赏之意) 。原子论提出不久, 大部分的化学家都接受了这项理论。
根据道尔顿的学主, 每个元素都拥有一种特别的原子, 不论该元素的量有多少, 都是由这种相同的原子所构成的。而且一种元素之所以不同于另外一种元素, 是由于它们的原子性质不同, 这样, 硫原子比氧原子重, 而氧原子比氮原子重; 依次氮原子又比碳原子重; 碳原子双比氢原子重。
意大利化学家阿伏伽德罗曾将原子论应用在气体上, 以证明等体积的气体 (不论它的性质是什么) 是由等数目的质点所组成, 这就是阿伏伽德罗假说。最初认为这些质点是原子, 但是最后弄清, 在大部分情况下是由称为分子的小原子团所构成的。若一个分子含有不同种类的原子 (像水分子, 它含有1个氧原子和2个氢原子) , 它就是一种化合物的分子。
自然, 测量不同原子的相对重量--也就是找出各元素的原子重量就变得很重要了。靠19世纪以前的称重技术要想称得微小原子的重量是不可能的, 但是先称量从化合物中分离出来的每个元素的重量, 再根据各种元素的化学性质来推测, 就可能得到原子的相对重量。第一位系统地进行这项工作的就是瑞典的化学家贝采利乌斯。1828年, 他根据两种标准发表了一个原子量的表, 这两个标准是先任意地亿定氧的原子量为100和氢的原子量为1。
贝采利乌斯的系统在当时并没有立即引起人们的注意; 但是到了1860年, 在德国卡尔斯鲁厄召开的第一次国际化学会议上, 意大利的化学家坎尼札罗提出确定原子量的新方法, 应用了到那时为止一直遭到忽视的阿伏伽德罗假说。坎尼札罗在会议上激动地描述了他的观点, 当时曾使整个化学界都为之折服。
在那个时候, 被采用作为重量标准的是氧而不是氢, 因为氧较易与其它不同的元素结合 (在确定原子量的方法中, 与其他元素结合可算是一个关键的步骤) 。1850年, 比利时化学家史塔斯把氧的原子量定为16, 以使已知的最轻元素-氢的原子量大约为1, 精确地说是1.0080。
自坎尼札罗以来, 化学家们努力寻找更准确的原子量。就纯化学的方法来说, 美国化学家理查兹在这方面的研究达到了顶点。1904年及以后, 他以从未达到过的精确度测定了原子量, 因而得到了1914年的诺贝尔化学奖。基于稍后关于原子的物理结构的发现, 理查兹的数值被修正得更精确。在整个19世纪, 虽然大部分的工作都集中在原子和分子方面, 而且科学家们都相信其真实性, 但是却没有直接的证据可以证明它们是确实存在的而不是抽象的东西。一些著名的科学家, 像德国化学家奥斯特瓦尔德, 就拒绝接爱它们是实在之物, 他认为它们有用却不是"真实的"。
后来的布朗运动则澄清了分子的真实性。这是1827年首先由苏格兰植物学家布朗发现的。他注意到悬浮在水面上的花粉粹会不规则地轻轻移动, 以为这是由于藏在花粉粒中的小生合的缘故, 但是大小完全相同的染料质点也显示同样的运动。
1863年, 他首先指出移动是由于周围水分子以不同的力撞击质点。对于大的物体, 从右边和左边撞击物体的水分子数目虽然有些不同, 但对于物体本身却没有影响。而对于微小的物体, 也许每秒只受到几百个水分子的撞击, 某一边的分子稍微多几个--这边或那边--就可导致令人感觉得到的轻微移动。小质点的杂乱运动几乎成了水和一般物质的颗粒性的可见证据。
爱因斯坦对布朗运动作了理论分析, 并且指出如何根据染料颗粒轻微移动的程度来计算分子的大小。1908年, 法国物理学家皮兰研究了质点在重力的影响下, 下沉时通过水面的行为, 结果发现其下沉运动会被来自底下的分子碰撞所抵消, 所以布朗运动可说是地心引力的方向相反。皮兰利用这项发现, 并且根据爱因斯坦所导出的议程式, 算出了分子的大小, 这连奥斯瓦尔德也不得不接受这一观点。皮兰就因为这项研究获得1926年的诺贝尔物理学奖。
这样原子就从半神秘的抽象转变成为几乎实体的东西。的确, 今天我们已可以说"看到"原子了。这是借助于宾夕法尼亚州立大学的E.W.米勒在1955年发明的场离子显微镜实现的, 这种仪器可以从极细的针尖打出带正电荷的离子并把它们身到荧光屏上, 让它们产生500万倍的针尖放大影像。这个影像可以使构成针尖的个别原子成为明亮的小点, 后来又经过改进可得到每个单一原子的影像。美国的物理学家克鲁在1970年报导, 已借助扫描电子显微镜观察到铀和钍的单个原子。
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门捷列夫周期表
到了19世纪, 当元素数目增多时, 化学家们开始觉得他们好像陷入了一片浓密的丛林中。每个元素都有不同的性质, 但是他们却找不到依据把它们排列成表。由于科学的本质就是要在明显的混乱中试着找出次序, 所以科学家们仍然努力不懈地寻求元素性质的某种规律。
1862年, 紧接坎尼札罗确定原子量为化学上的一个重要研究手段之后, 法国地质学家比古耶·德·尚库图发现可以按原子量渐增的次序把元素排列成表, 这样一来, 性质相同的元素就排在同一行里了。过了两年以后, 英国化学家纽兰兹也得到相同的排法。但是这两位科学家却遭到嘲笑和轻视, 在那时他们都无法让自己的主张确切地发表出来。经过了许多年, 在大家普遍承认周期表的重要性之后, 他们的论文才得以发表。纽兰兹甚至还因此得到了奖章。
俄国化学家门捷列夫终于从杂乱无章的元素中理出了头绪。1869年, 他和德国化学家迈耶尔共同提出了元素表, 虽然基本上与比古耶·德·尚库图和纽兰兹已经做过的一样, 但是门捷列夫具有比他们更大的勇气和信心来宣扬他的观点, 因此得到了世人的承认。
首先, 门捷列夫的周期表 (之所以称为周期表是因为表中相似化学性质的元素周期性的重复出现) 比纽兰兹的元素表复杂, 而且也较接近目前认为正确的周期表 (见表6-1) 。其次, 按照元素性质的排法与根据原子量排成的次序有出入。然而门捷列夫认为性质重于原子量, 于是大胆地改变原来的次序。最后证实他是对的。例如, 原子量为127．61的碲, 若以原子量为准, 则应排在原子量是126．91的碘之后。但在该分栏的周期表中, 把碲放在碘的前面可以把它置于性质和它极为相似的硒的下方; 同时, 这样一来, 也就把碘置于和它性质相似的溴的下面了。
最后, 也是最重要的, 门捷列夫毫不犹豫地在周期表上留下一些空格, 并且信心十足地宣称一定还可以发现属于这些空格的元素。他还用表中待填补的元素的上下元素的性质作为参考, 指出三个待补元素的大致性状。门捷列夫非常幸运, 在他有生之年, 他所预测的三个元素都被发现了, 因此他能亲眼目睹自己所建立的系统的成功。1875年, 法国化学家勒科克·德·布瓦博德朗发现了遗漏的三个元素中的第一个, 并命名为镓 (是以"法国"的拉丁文来命名的) 。1879年, 瑞典化学家尼尔森发现了第二个, 并命名为钪 (是以"斯堪的纳维亚"来命名的) 。而在1886年, 德国化学家温克勒发现了第三个, 并命名为锗 (当然是以"德国"这个名字来命名的) 。这三个元素的性质几乎和门捷列夫所预测的一样。
阿西莫夫最新科学指南·元素·周期表·原子序数《阿西莫夫最新科学指南·元素》
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原子序数
随着伦琴发现了X射线之后, 周期表的历史展开了新的纪元。1911年, 英国物理学家巴克拉发现, 当X射线受到一块金属散射时, 散射光有一定的穿透力, 其大小随金属而有所不同。换句话说, 每种元素可产生特征X射线。由于这项发现, 巴克拉获得了1917年的诺贝尔物理学奖。
然而, X射线究竟是微小的质点束, 还是像光一样的波状辐射, 仍然是一个悬而未决的问题。有一种鉴定方法就是看X射线是否能借助含有一系列细线的衍射光栅而衍射 (即改变射线方向) 。要想得到适当的衍射, 这些细线的间距必须大致与辐射线的波长大小相等。目前最密的人工衍射光栅, 一般光线刚好适用, 但是由X射线的穿透力得知, 若X射线像波一样, 则其波长一定远小于一般光线。因此一般的衍射光栅不能使X射线产生衍射。
当时德国物理学家劳厄想到, 晶体是远比人工光栅更细小的天然光栅。晶体是一种几何形状整齐的固体, 而在固体平面之间有一定的特定角度, 并且有特定的对称性。这种规律是构成晶体结构的原子有次序地排列的结果。有理由认为, 一层原子和另一层原子之间的距离大约是X射线波长的大小。如果这样, 晶体会使X射线衍射。
劳厄做实验发现, X射线通过晶体时确实会产生衍射, 而且在照相底片上形成一种图案, 显示它们具有波的性质。同一年间, 英国物理学家W．L．布喇格和他的父亲W．H．布喇格研究出计算衍射图案上各种X射线波长的方法。反过来, X射线衍射图案最后用来决定使X射线衍射的原子层的确切方向。这样一来, X射线便打开了了解晶体原子结构新知识的大门。由于在X射线方面的研究, 劳厄终于获得1914年的诺贝尔物理学奖, 而布喇格父子则在1915年同享该奖。
1914年, 年轻的英国物理学家莫塞莱测定出由不同金属产生的特征X射线的波长, 并且发现周期表中各元素的波长随周期表中的排列顺序有规则地递减。
这使每个元素在周期表上有了固定的位置。假定在周期表上位置邻近的两个元素, 其所得X射线波长相差了某一期待值的2倍, 那么它们之间一定有一个属于未知元素的空位。
如果差3倍的话, 一定缺两个元素。换句话说, 如果两个元素的特征X射线波长相差正好为期待值, 则我们可确定它们之间没有缺少元素。
这样就可能给出元素的确定数目了。在这以前, 常有某个新发现的元素打破这种序列, 但是到了现在, 就不会再有未预计到的空位了。
化学家把元素从1 (氢) 排到92 (铀) 。发现这些原子序数与原子的内部构造有相当重要的关系 (见第七章) , 而且重要性超过原子量。例如, 由X射线资料证明, 门捷列夫不管碲的原子量比较高而硬把碲 (原子序数定为52) 排在碘 (原子序数53) 的前面, 这种做法是正确的。
莫塞莱的新系统几乎立即就显出其价值。法国化学家欧本在发现镥 (以"巴黎"的古拉丁名字命名) 不久之后, 他又宣称发现另一个元素, 称之为" Celtium"。根据莫塞莱的体系, 镥是71号, Celtium应该是72号。但是当莫塞莱分析Celtium的特征X射线时, 发现它本来就是镥。直到1923年, 丹麦物理学家科斯特和化学家赫维西才在哥本哈根实验室里发现了原子序数为72的元素, 命名为铪 (源于"哥本哈根"的拉丁名字) 。
莫塞莱测定法的准确度获得证实之时, 他已不在人世了; 他1915年死于战火之中, 享年28岁--莫塞莱无疑是第一次世界大战中丧生的最有价值的人之一。或许因为他的早亡, 莫塞莱失去了获得诺贝尔奖的机会。瑞典物理学家西格班扩大了莫塞莱的研究, 结果发现新的X射线系列, 并且很精确地定出各种元素的X射线光谱, 因此获得了1924年的诺贝尔物理学奖。
1925年, 德国的3位学者诺达克、塔克和帕格在周期表上填补了另一空位。他们是经过3年对他们要寻找的这种元素的矿砂深入地研究后才找出75号新元素的, 为了表示对莱茵河的崇敬之意, 因此命名为铼。这就使周期表只剩下4个空格: 元素43号、61号、85号和 87号。
追踪这4个元素花了20年的时间。那时候化学家们尚不知他们找到了最后一个稳定的元素。至于缺少的都是不稳定的元素, 在今天的地球上是很少存在的, 因而除其中一个元素外都必须在实验室中来辨认, 因此大有文章。
阿西莫夫最新科学指南·元素·放射性元素·识别元素《阿西莫夫最新科学指南·元素》
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放射性元素
识别元素
在1895年发现X射线之后, 许多科学家都兴致勃勃地去研究这些具有巨大穿透能力的辐射。其中有一位就是法国物理学家A．H．贝克勒耳。他的父亲A．E．贝克勒耳 (他是第一位拍摄太阳光谱的物理学家) 对荧光非常有兴趣, 而荧光是当物质受到阳光中的紫外线照射后放射出来的一种可见辐射。
A．E．贝克勒耳特别研究了叫做硫酸铀酰钾的荧光物质, 这是一种每个分子都含有一个铀原子的化合物。但是, A．H．贝克勒耳却很想知道硫酸铀酰钾的荧光辐射线里是否含有X射线。于是, 他把这种化合物放在包上黑纸的照相底片上, 然后把它放在阳光下, 太阳的紫外线会激发出荧光。因为阳光不能透过黑纸, 所以阳光本身不会影响底片; 但是如果由阳光所激发的荧光里含有X射线, 它们就会穿透黑纸而使底片变暗。他在1896年做了这项实验, 结果发现果真如此, 很明显在荧光里有X射线。他甚至让这种猜想的X射线透过铝和铜的薄片, 从而更加确定它的存在, 因为当时除了已知的X射线外, 还不知道有别的射线能够做到这一点。
但是后来A．H．贝克勒耳走了运, 正当实验进行之中, 天气却转阴了好几天。在等待天气转晴的那段期间, 他把上面有少量硫化物的底片收好, 放入抽屉里。过了几天后, 他等得不耐烦了, 决定把底片冲洗出来, 因为他想即使没有阳光直射也应该会有一点X射线产生。当他看到冲洗出来的照片时, 他大感惊讶并且感受到所有科学家们梦寐以求的喜悦。原来照相底片受到强烈的辐射而变得深暗！这绝不是荧光或阳光所能办到的, 必定有某种别的东西在起作用, 因此, A．H．贝克勒耳断定 (并通过几次实验很快就证明) 这东西就是硫酸铀酰钾中所含的铀。
这项发现使得因发现X射线而深感兴奋的科学家们更加振奋。有一位科学家立即着手研究从铀发射出来的这种奇怪辐射, 她就是年轻的波兰出生的化学家玛丽·斯可罗多夫斯卡 (居里夫人) , 在这之前一年, 她刚与发现居里温度 (见第五章"大气" ) 的皮埃尔·居里结了婚。
皮埃尔·居里与他的弟弟雅克·居里合作, 发现若外加压力于某些晶体, 则一边会产生正电荷, 而另一边会产生负电荷。此现象称为压电现象。居里夫人决定借助压电来测量铀放射出来的辐射。她装置了一套设备, 借助铀的辐射可以游离两极间的空气, 而后会有电流流动, 此小电流的强度可以通过测量为产生制衡反向电流所施加结晶体的压力大小而获得。此法非常有效, 因此皮埃尔·居里立刻放弃自己的工作, 用其毕生精力加入其夫人的研究。
提出放射性这一术语以描述铀元素的放射能力的人就是居里夫人。她后来以第二种放射性物质--钍继续来证明该现象。此后, 很快其他的科学家也陆续有许多重要的发现。从放射性物质发射出来具有穿透力的辐射线, 比X射线更具有穿透力, 而且能量更高; 现在它们被称为γ (伽玛) 射线。另外, 放射性元素也被发现会放射其他种类的辐射, 而这些辐射导致后来发现原子内部的结构, 关于这点在另一章再谈 (见第七章"粒子" ) 。在讨论元素时最值得注意的是发现放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素--后来叫做嬗变。
居里夫人是第一位研究这种现象的本质的人, 她是由于一个偶然的机会开始这项研究的。当她正在测试沥青铀矿是否含有值得再提炼的足够铀元素时, 她和她的丈夫很惊讶地发现, 其中有几块矿石的放射性甚至比纯铀应该具有的放射性还要强。当然这意味着在沥青矿里还存有其他的放射性元素。这些未知元素只能以少量存在, 因为一般的化学分析都检验不出来, 所以它们必定有很强的放射性。
最令居里夫妇兴奋的是, 他们取得了几吨的沥青铀矿, 并在一个小木棚里建造了他们的工作场所, 在极为简陋的条件下, 以极大的毅力驱策着他们前进--为了找出极少量的新元素, 他们继续与那又黑又重的矿物奋斗。在1898年7月, 他们分离出放射性强度为同量铀元素400倍的少量黑色粉末。
这种粉末是一种化学性质与碲元素相似的新元素, 因此在周期表中它应该排在碲的下方 (后来它的原子序数被定为84) , 居里夫妇把它叫做钋, 是以居里夫人的祖国命名的。
但是钋只能解释粉末中的一部分放射性。于是居里夫妇继续做了更多的研究工作, 并在1898年12月, 提炼出了一种放射性比外还要强的物质。该物质含有另一种元素, 它的性质类似钡 (后来被置于钡的下方, 原子序数为88) 。居里夫妇把它叫做镭, 因为其放射性很强。
他们持续工作了4年, 来收集足够的纯镭以便能够了解它。后来居里夫人在1903年把她的研究写成提要, 作为博士论文。这也许是科学史上最重要的一份博士论文, 她也因此赢得了两项诺口尔奖。居里夫人和她的丈夫以及A．H．贝克勒耳因研究放射性而共同获得 1903年的诺贝尔物理学奖; 1911年时, 居里夫人又因发现钋和镭而单独获得诺贝尔化学奖 (因为她丈夫在1906年因车祸丧生了) 。
钋和镭比铀和钍更加不稳定, 换句话说, 就是更具放射性, 每秒有较多的原子衰变, 寿命极短。事实上, 宇宙里所有的钋和镭应在大约100万年里便全部消失掉。但为何在有几十亿年的地球上仍然可以找到它们呢? 答案就是针和镭在铀和钍衰变成铅的过程中会继续形成。不论在哪里找到铀和钍, 同样也可以发现少量的钋和镭, 它们是在铀和钍最终衰变成铅的过程中的中间产物。
通过对沥青铀矿的仔细分析和对放射性物质的深入研究, 在铀和钍衰变成铅的过程中发现了其他3种不稳定的元素。1899年, 戴柏伦接受了居里夫妇的建议, 在沥青铀矿中寻找其他的元素, 后来他找出一种叫做锕 (源于希腊文"射线") 的元素, 此元素的原子序数最后定为89。翌年, 德国物理学家多恩证实在镭衰变时会产生一种气体元素: 放射性气体在当时还是一种新的东西。最后此元素被命名为氡 (源自它的化学近亲镭和氩) , 原子序数为86。1917年, 两个不同的小组--德国的哈恩和迈特纳以及英国的索迪和克兰斯顿--从沥青铀矿中分离出新元素91, 命名为镤。
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寻找遗漏的元素
到1925年, 周期表中被确认的元素已有88种--其中有81种稳定元素和7种不稳定元素。这样寻找4种遗漏的元素 (即第43号、61号、85号和 87号元素) 就十分迫切了。
因为从原子序数84～92的所有已知元素都具有放射性, 科学家们很有信心地预测, 85号和87号同样也具有放射性。另一方面, 43号和61号由稳定元素包围着, 又似乎没有理由预测它们本身不是稳定的, 因此它们应在自然界中找到。
第43号元素, 正好位于周期表铼元素之上方, 预测和铼具有相似的性质并且可以在同样的矿物中找到。事实上, 发现铼元素的诺达克、塔克和柏格小组相信, 他们已检验出与元素43同样波长的X射线。所以他们宣布, 他们也发现了43号元素, 并命名为masurium, 是以东普鲁士的一个区域来命名的。然而他们的鉴定并未受到肯定: 在科学上, 一项发现至少要有另一位研究者加以证实, 否则就不算是一项发现。
1926年, 伊利诺大学的两位化学家宣布, 他们已经在含有其邻近元素 ( 60和 62) 的矿物中, 找到元素61, 他们把这种发现物命名为illinium。同年, 一对意大利化学家在佛罗伦斯大学认为, 他们已经分离出相同的元素并命为florentium。但是这两组化学家的工作都没有得到其他化学家的证实。
数年后, 一位亚拉巴马工程学院的物理学家, 使用一套他自己设计的分析法, 报告说他已找到少量的元素87和85; 他称之为virginium和alabamine, 是分别根据他的祖国及州名来命名的。但这些发现也都没有得到证实。
后来事实证明上述元素43号、61号、85号、和87号的"发现"是错误的。
这4种元素中, 第一个被确认的是43号元素。因发明回旋加速器 (见第七章) 而得到诺贝尔物理学奖的美国物理学家劳伦斯以高速质子撞击42号元素钼, 在加速器内制造出了这个元素。这样撞击出来的物质具有放射性。劳伦斯把它送给对43号元素非常有兴趣的意大利化学家塞格雷去分析。塞格雷和他的同事佩列尔从钼元素中分出放射性部分后, 发现它性质上很像铼, 但却不是铼元素。他们认定它就是元素43, 因为它不是由高原子序数元素衰变而成的产物, 根本就不存在于地壳里, 因此毫无疑问诺达克和他的同事们错认为他们已经找到它了。塞格雷和佩列尔最后获得了命名43号元素的权利; 他们把它命名为锝, 源于希腊字, 意为"人工的", 因为它是第一个在实验室里制造出来的元素。在1960年之前, 已经累积了足够的碍以确定其熔点--接近2200℃ (塞格雷后来因为另一项发现得到诺贝尔奖, 那项发现与另一种从实验室里制造出来的物质有关, 见第七章) 。
1939年, 元素 87终于在自然界中被发现了。法国化学家佩雷把它从铀元素的衰变产物中分离出来。元素87的存在量极少, 只有在技术加以改进后才能够在以前未找到它的地方把它找出来。后来她把这个新元素命名为钫, 是以她的祖国的名字来命名的。
元素85像锝一样, 是在回旋加速器中撞击鉍 (元素83) 时所产生的。1940年, 塞格雷、科森和麦肯齐在加利福厄亚大学分离出元素85, 那时塞格雷已经从意大利移民到美国。第二次世界大战中断了他们对此元素的研究工作, 但是战后他们又继续研究, 而在1947年, 将这个元素命名为砹, 源于希腊字, 意为"不稳定" (当时, 他们就像提炼钫一样, 在自然界从铀的衰变产物中发现了微量的砹) 。
至于第四个也是最后一个遗漏的61号元素, 已经从铀裂变 (此过程可见第十章"反应堆"的说明) 的产物中找到 (碍也在这些产物中出现) 。三位橡树岭国家实验室的化学家--马林斯基、格伦丁宁及科里尔--于1945年分离出61号元素。他们把它命名为钷, 是根据盗取太阳之火给人类的希腊半神半人的普罗米修斯来命名的, 因为61号元素是从原子炉内太阳般的烈火中盗取出来的。
至此, 元素一览表从1～92终于完整了。但是从某种意义上说最艰巨的历程才刚刚开始。因为科学家已经打破了周期表的界限, 铀不再是最后一个元素了。
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超铀元素
对于原子序数超过铀的元素--超铀元素--的研究早在1934年就开始了。费密在意大利以一种新发现的叫做中子 (见第七章) 的亚原子粒子来轰击元素时, 常把该元素转变成原子序数比它大1的元素。难道铀能造成93号元素--一种完全人工合成的元素? 当时人们认为这种元素在自然界中是不存在的。费密小组继续以中子轰击铀并得到他们认为确实是93号元素的产物, 称之为铀X。
1938年, 费密因为研究中子轰击而获得诺贝尔物理学奖。当时, 他对这项发现的真正意义, 或这项发现对人类将会产生的后果, 甚至连想也没有想过。像另一位意大利人哥伦布一样, 他所发现的虽然不是他本来想找的东西, 但重要性却远远超过他当时所能想象到的。
在这里只要指出一点就够了, 人们在错误的道路上进行了一系列追索之后, 终于发现费密所做的并不是创造了一种新元素, 而是把铀原子分裂成两个大致相等的部分。当物理学家在1940年又着手研究这个过程时, 93号元素的出现几乎可说是实验的偶然结果。以中子轰击铀得到的混合物元素中, 有一种起初无法辨认的元素, 使加利福尼亚大学的麦克米伦渐渐明白, 也许核裂变放出来的中子把铀原子转变成原子序数更大的元素, 这种推测正如费密所希望发生的一样, 麦克米伦和艾贝尔森后来证明这个未鉴定的元素, 事实上就是93号元素。证实这个元素件在的证据是它在放射性方面所具有的特点, 这是后来新发现的所有元素的共同情况。
麦克米伦认为另一个超铀元素也许与93号元素混在一块。化学家西博格与他的同事A．C．沃尔和肯尼迪一起实验, 不久便证实了这项推测, 这个元素就是94号元素。
一度被认为是周期表的最末一个元素的铀, 由于是以那时新找到的行星天王星来命名的, 故93号、94号元素也是以后来找到的海王星和冥王星来命名: 它们分别是镎和钚。后来因为发现铀矿里存有少量的镎和钚, 这样铀毕竟不是最重要的天然元素了。
西博格和加利福尼亚大学的一个研究小组, 其中有杰出的吉尔索, 他们一个接着一个继续制造出更多的超铀元素。1944年, 他们以亚原子粒子轰击钚, 产生了95号和96号元素, 并分别命名为镅 (是以美国这个名字来命名的) 和锔 (是以居里夫妇来命名的) 。当他们制造出足够量的镅和锔时, 再以中子来轰击这些元素, 于 1949年成功地制造出 97号元素。1950年制造出 98号元素。它们分别被命名为锫和锎, 是以伯克利和加利福尼亚州来命名的。1951年, 西博格和麦克米伦以这一连串的成就而获得了诺贝尔化学奖。
接下来的元素则是在更加灾难性的情况下被发现的。99号和100号元素是在 1952年11月太平洋第一颗氢弹爆炸时发现的。虽然在爆炸碎片里检验出这些元素的存在, 但是却一直到1955年加利福尼亚大学的研究小组在实验室里造出这两种少量元素之后, 才被肯定与命名。为了纪念数月前逝世的爱因斯坦和费密, 命名为锿和镄。然后这个研究小组又以中子轰击少量的锿并生成101号元素。为了纪念门捷列夫, 把它称为钔。
接着加利福尼亚大学和瑞典的诺贝尔研究所共同合作。诺贝尔研究所用一种特别复杂的轰击方式产生了少量的102号元素。后来为了对该研究所表示崇敬之意, 把它命名为锘。此后用别的方法而不是诺贝尔研究所最先采用的方法也得到了这个元素, 以致在错正式被接受成为这个元素的名字之前, 又拖了一段时间。
1961年, 加利福尼亚大学检验出103号元素的一些原子, 为纪念刚刚去世的劳伦斯而命名为铹。1964年, 苏联弗勒罗夫领导下的小组报导说已经制造出104号元素, 并且在1967年制造了105号元素。但是这两项实验及其制造元素时所使用的方法没有得到确认。美国吉尔索领导下的研究小组以其他的方法造出了这两种元素。苏联小组把104号元素命名为钅库, 以纪念1960年逝世的库尔恰托夫, 他曾担任过苏联一个专门研究原子弹系统的领导人。而美国的研究小组却把104号元素命名为钅卢, 把105号命名为钅罕, 以纪念卢瑟福和哈恩, 因为他们两人在亚原子结构方面有很重要的贡献。已经报导的元素达到109号。
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超重元素

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