生物能量守恒定律，是自然界最普遍、最重要的基本定律之一。从物理、化学到地质、生物，大到宇宙天体，小到原子核内部，只要有能量转化，就一定服从能量守恒的规律。能量转换与守恒定律是自然科学内在统一性的一个伟大证据，它为各种能源动力机械的技术进步提供了理论基础，并彻底打破了当时流行的“永动机”幻想，促进了工业革命的发展。
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1.是谁发现了能量转换的关系和能量守恒定律？是在什么时间发现的？
能量转换和能量守恒定律是在19世纪40年代，由三位科学家发现并完善的。他们是迈尔、焦耳和亥姆霍兹。
迈尔（1814-1878），德国医生、物理学家，1841-1843年间，他提出了热与机械运动之间相互转化的思想，这是热力学第一定律的首次提出。
焦耳（1818-1889），英国自学成才的物理学家，1840年，年仅22岁的他发现了电流的热效应，得出了焦耳定律，在此基础上，他建立了能量守恒和转换定律，并测定了热功当量，否定了流行多年的“热质说”（“热质说”认为热与物质一样是不生不灭的，它没有重量可透入一切物体中）观点。1843-1847年，英国物理学家焦耳设计了实验测定了电热当量和热功当量，用实验确定了热力学第一定律，补充了迈尔的论证。
亥姆霍兹（1821-1894），德国物理学家、生理学家，他的一生，研究领域十分广泛，除物理学外，在生理光学和声学、数学、哲学诸方面都作出了重大贡献。1847年，德国物理学家亥姆霍兹以数学形式表示出能量守恒定律。
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能量转换与守恒定律又称热力学第一定律、能量不灭定律，它是指能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为其他的形式，或从一个物体转移到其他物体，在这一过程中其总量不变。
从18世纪后期开始，自从蒸汽机得到迅速推广应用后，人们发现热运动与机械运动存在着能量转换。1840年和1842年，英国物理学家焦耳和俄国物理学家楞次分别发现电流通过导线时的热现象，并由此得到了电学中著名的焦耳-楞次定律，这使人们相信，电能和热能之间也存在相互转化。与此同时，能量转化研究的范围已扩大到有生命的领域。在19世纪中叶之前，科学家已发现了当时所知道的大多数形式的能量间的相互转化过程。除了已讲到的外，还有电能与磁能、机械能与电能、电能与化学能等能量间的转化关系。这些事实使人们认识到自然界的能量有多种形式，并且不同形式的能量是可以转化的，因而能量转化是自然界的一条基本规律。
由此，许多人做过一个相同的梦：如果制造出一种机器，它不需要消耗能量却能做功就好了。这些人中有技艺高超的能工巧匠，也有聪明绝顶的科学家，于是，“永动机”的想法萌生了。随后，各种各样的“永动机”设计方案出现了，但是在科学的严格审查和实践的验证下都失败了。经过无数次失败后，科学家们对这些机械进行细致的科学分析，发现原来永动机的设计者违背了自然界的另一条基本原理--能量守恒定律。
事实上，早在15世纪明末清初之际，我国著名的思想家王夫之就有过运动守恒的思想。后来西方的科学家伽利略、笛卡尔等也提出过运动不灭，但是人类真正从科学上开始认识能量守恒却是在19世纪40年代。
1840年，德国医生、物理学家迈尔在研究人体内化学能与热能转换时，得出结论：如果人体各种形式能的输入、支出是平衡的，那么所有这些能在量上必定是守恒的。1842年，迈尔把这一观点拓展到了人体以外，表达了物理化学过程中能量守恒的思想。
1840年，英国物理学家焦耳通过实验得出了电能转化为热能的定量关系。1843-1847年，焦耳设计并进行了一系列巧妙的实验，测出机械作功、电能、热能之间能量转换的全过程，并第一次提出了热功当量的说法。他的实验和热功当量的测定表明：自然界的能量是不能被毁灭的，热只是能量的一种表现形式。
1847年，德国物理学家亥姆霍兹在《论力的守恒》一书中，首先以数学形式表达了孤立系统中机械能的守恒，继而把能量概念推广到热学、电磁学、天文学和生理学领域，并系统、严密地阐述了能量的各种形式，以及能量间相互转换和守恒的思想。
能量转化和守恒定律正式宣告了“永动机”是不可能制造出来的，并表明了机械、热、电、磁、化学等各种运动形式之间的统一性。它不仅是继牛顿力学之后物理学的第二次大综合，也为马克思主义哲学的辩证唯物主义自然观的建立奠定了坚实的自然科学基础。
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2.焦耳发现了热功当量，热功当量是什么，怎么表示呢？
在研究热与功的关系时，焦耳认为热量和功应当有一定的当量关系，即热量的单位卡和功的单位焦耳间有一定的数量关系。随后他测出了这种关系，并将这种关系表示为：
1卡（热化学卡）＝4.1840焦耳
1千卡热量同427千克米的功相当，即热功当量J＝427千克米/千卡＝4.1840焦耳/卡。
现在，国际单位制中规定热量、功统一用焦耳作单位，所以热功当量已失去意义。但在没有认识热的本质以前，热量、功、能量的关系并不清楚，并且它们用不同的单位来表示，所以热功当量的提出还是有一定意义的。
3.当发现能量转换和守恒定律后，人类对能量的认识取得了那些成就呢？
自从人类发现能量转化关系和守恒定律发现以来，人类在对能量的认识取得了两个伟大的成就：一个是能量子的发现，即自然界各种形式的能量都是由许多的能量子构成的，这一发现直接导致了现代物理学的诞生；另一个是质、能关系的发现，即一定的质量必对应于一定的能量，这一发现使人类找到了新的能源--原子能。但是能量世界还有许多未知的东西仍需要人们去探索、去发现，因此，人类将来对能量的认识一定会更深入。
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【热力学三大定律】
热力学第一定律：热可以转变为功，功也可以转变为热；消耗一定的功必定产生一定的热，当一定的热消失时，也必定产生一定的功。这就是能量转换和守恒定律在热力学上的一种表现形式。
热力学第二定律：热量可以自发地从较热的物体传递到较冷的物体，但不可能自发地从较冷的物体传递到较热的物体。
热力学第三定律：通常表述为绝对零度时，所有纯物质的完美晶体的熵值（熵是系统的无序状态的量度，即系统的不确定性的量度）为零。根据这个定律，表明在绝对零度下一切物质都会停止运动。但是绝对零度只可以无限趋近，不能达到。
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【19世纪自然科学的三大发现】
伟大的革命导师恩格斯指出能量转化与守恒定律、进化论与细胞学说是19世纪自然科学的三大发现。
其中，能量转化与守恒定律为人类深刻揭示了自然界各种运动状态的普遍联系和统一性，找到了各种运动的公共量度--能量，所以这个定律是全部自然科学的基石。
达尔文进化论，简称进化论，是生物学最基本的理论之一。他指出生物在变异、遗传与自然选择作用下演变发展、物种淘汰和物种产生的过程。
细胞学说是1838-1839年间由德国的植物学家施莱登和动物学家施旺提出的，直到1858年才较完善，它是关于生物有机体组成的学说。
35.放射性
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某些物质的原子核能发生衰变，放出我们肉眼看不见也感觉不到的射线（如α射线、β射线、γ射线等），这些射线只能用专门的仪器才能探测到。那么，物质的这种性质就叫放射性。物质的放射性自从被发现之后，不仅为原子核物理学的研究开辟了新领域，而且还大大推动了人类科学技术的发展。
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1.放射性的发现者是谁？是在什么时间发现的？
1896年，法国物理学家贝克勒尔在研究铀盐的实验中，首先发现了铀原子核的天然放射性。在进一步研究中，他发现铀盐放出的这种射线能使空气电离，也可以穿透黑纸使照相底片感光。而且，外界压强和温度等因素的变化不会对实验产生任何影响。贝克勒尔的这一发现意义深远，它使人们对物质的微观结构有了更新的认识，并由此打开了原子核物理学的大门。
安东尼·亨利·贝克勒尔（1852-1908），法国物理学家，1872年就读于巴黎理工大学，后在公路桥梁学校毕业，获工程师职位。1878年，他在巴黎自然博物馆任物理学教授；1895年，任理工大学教授。他因发现物质的放射性而获1903年诺贝尔物理学奖。
2.国际单位中，放射性活度的单位是什么？为什么？
贝克勒尔（becquerel，Bq）是放射性活度的国际单位。1975年，第十五届国际计量大会为纪念法国物理学家安东尼·亨利·贝克勒尔，将放射性活度的国际单位命名为贝克勒尔，简称贝克，符号Bq。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时，其活度即为1贝克。
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物质的放射性既然是肉眼看不到的，那贝克勒尔又是如何发现的？这就不得不提到德国物理学家伦琴和伦琴射线。
1895年，德国物理学家威尔姆？康拉德？伦琴将自己的一篇实验报告《一种新射线》和一些X射线（波长介于 紫外线和γ射线间的电磁辐射）照片分别寄给各国著名的物理学家，其中包括法国著名的数学、物理学家庞加莱。1896年1月20日，法国科学院开会，庞加莱把伦琴寄给他的论文展示给与会的科学家。当时，贝克勒尔对这个展示表现出极大的兴趣。贝克勒尔问：“这种穿透射线是这样产生的？”庞加莱回答说：“这一射线似乎是从阴极对面发荧光的那部分管壁上发出的。”贝克勒尔推想：可见光的产生和不可见X射线的产生或许是出于同一机理。第二天，他就开始实验荧光物质会不会产生X射线。
然而，贝克勒尔最初的一些实验却是失败的。正在这个时候，庞加莱在法国一家科普杂志上发表了一篇介绍X射线的文章，文章又一次提到荧光物质是否会同时辐射可见光和X射线的问题。贝克勒尔读到后非常受鼓舞，于是，再次投入荧光和磷光的实验，终于找到了铀盐有这种效应。
贝克勒尔用厚黑纸包了一张感光底片，纸非常厚，即使放在太阳下晒一整天也不至于使底片变暗。他又在黑纸上面放一层铀盐，然后拿到太阳下晒几个小时，显影之后，他在底片上看到了磷光物质的黑影。然后，他又在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃，进一步发现这一效应不是由于太阳光线的热使磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用所致。于是，他得出结论：铀盐在强光照射下不但会发可见光，还会发穿透力很强的X射线。后来的进一步研究发现，即使不在阳光照射下，铀盐也会发射射线。而这种射线并非X射线，只是具有一些与X射线相似的性质。于是，放射性现象被发现了。
与此同时，居里夫妇也一直进行着放射性物质的研究。他们以沥青铀矿石为研究对象，发现了这种矿石的总放射性比其所含有的铀的放射性还要强。于是，1898年，居里夫妇对这种现象提出了一个逻辑的推断：沥青铀矿石中必定含有某种未知的放射成分，其放射性远远大于铀的放射性。同年12月26日，居里夫妇公布了这种新物质存在的设想。
在此之后的几年中，居里夫妇不断地提炼沥青铀矿石中的放射成分。经过不懈的努力，他们终于成功地分离出了氯化镭，并发现了两种新的化学元素：钋（Po）和镭（Ra）。因为他们在放射性上的发现和研究，居里夫妇和贝克勒尔共同获得了1903年的诺贝尔物理学奖，居里夫人也因此成为了历史上第一个获得诺贝尔奖的女性。
后来，经过研究，人们发现物质的放射性射线由是三种成分组成：一种是高速运动的氦原子核粒子束，称为α 射线。它的电离作用大，贯穿本领小，穿不透一张薄纸。另一种是高速运动的电子束，称为β射线。它的电离作用较小，贯穿本领较大，但仍穿不透一张薄金属片。第三种是波长很短的电磁波，称为γ射线。它的电离作用最小，贯穿本领最大，可以穿过例如1厘米厚的铅板。
如今，放射性已经应用到许多学科的研究中，特别是在工业、农业、医学和军事等部门。例如，在工业中，人们用β射线测量厚度，用γ射线探伤；农业中，人们利用射线的辐射照射育种并刺激生物生长；医学中，放射性被广泛用于射线诊断和放射治疗等方面。随着科技的发现，人类越加了解了物质的放射性，并利用它为人类造福。
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3.放射性对人体有危害吗？
在大剂量的照射下，放射性对人体和动物存在着某种损害作用。如在400雷得（辐射剂量单位）的照射下，受照射的人有5%死亡；若照射650雷得，则100%死亡。照射剂量在150雷得以下，死亡率为零，但并非无损害作用。很多放射性的危害住往需经20年以后才会表现出一些症状。放射性也能损伤遗传物质，主要在于引起基因突变和染色体畸变，使一代甚至几代人受害。
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【放射性的类型 】
放射性有天然放射性和人工放射性之分。天然放射性是指天然存在的放射性核素所具有的放射性。它们大多属于由重元素组成的三个放射系（即钍系、铀系和锕系）。人工放射性是指用核反应的办法所获得的放射性。人工放射性最早是在1934年由法国科学家居里夫妇发现的。
许多天然和人工生产的核素都能自发地放射出射线。放出的射线类型除 α、β、γ以外，还有正电子、质子、中子、中微子等其他粒子。在目前所知的大约2000种核素中， 绝大多数是人工放射性核素，它们在科学研究和生产实践中起着重要作用。
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【生活中的放射性】
尽管100多年前人们才发现放射性，但放射性从来就存在于我们的生活中。放射性可以说无时不在，无处不在，我们吃的食物、喝的水、住的房屋、用的物品、周围的天空大地、山川草木乃至人体本身都含有一定的放射性。
人们受到的放射性照射大约有82%来自天然环境，大约有17%来自医疗诊断，而来自其他活动大约只有1%。在正常情况下，放射性辐射不仅没有影响到人类正常的繁衍生息，而且科学家们利用现代科技已将辐射技术广泛地应用在工业、农业、医学、环境保护等各个领域，它已成为人类亲密的朋友。
