天然放射现象的发现

天然放射现象的发现 1895 年，由于 X 射线的发现所导致的物理学领域的辉煌成就，使其它科学领域到处都 洋溢着新的大胆的思想。人们常说：19 世纪末叶与 20 世纪初叶对科学来说，是一个与历 史上艺术的文艺复兴时代具有同样光辉灿烂而独特的时代。1895 年前后那几年是物理学的 转折点，这不仅仅是因为发现了 X 射线，而且也因为发现了更具有革命性的放射性现象。 1、贝克勒耳家族的科学传统 贝克勒耳家族四代人以其杰出的科学活动著名于世，并世袭法国国立自然史博物馆物 理学教授之职，其第三代亨利贝克勒耳（Becquerel Henri，18521909）因发现天然放 射性，获 1903 年诺贝尔物理学奖，在科学史上占有重要的地位。亨利贝克勒耳的祖父是 塞扎尔贝克勒耳（Becquerel Cesar，17881784） ，亨利贝克勒耳的父亲是埃得蒙贝 克勒耳（Becquerel Edmond，18201891） ，亨利贝克勒耳的儿子是让贝克勒耳（Jeans Becquerel，18781953） 。这四代人的都是杰出的物理学家，所以几乎在从 1828 年到 1908 年的 80 年间总有一个，有时是两个贝克勒耳在科学院当院士。博物馆的教授职位也成为世 袭的，从父亲传给儿子、从儿子传给孙子，最后传给了曾孙让贝克勒耳。正如让贝克 勒耳在一篇文章里写的那样，贝克勒耳的四代人生活在居维埃的房子前的植物园里的“同 一幢房子，同一座花园，同一座实验室里” 。埃德蒙贝克勒耳研究光的化学作用，他是第 一个拍摄了太阳光谱的人。他也是荧光方面的大专家；他特别了解的物质是铀。他设计了 一个荧光计，测喊了在不同光的作用下荧光的强度和寿命。 。 贝克勒耳家族的第一代人塞托万贝克勒耳（Becquerel Antoine Cesar）出生于皇家沙 蒂戎地方副官家庭，1806 年进入综合工科学校，毕业后在工兵部队服役。1812 年摇升上尉， 并参加对西班牙的战争。1815 年拿破仑（Napoleon Bonaparte）失败后献身于科学。1829 年当选法国科学院院士，1837 年获伦敦皇家学会科普利奖；1838 年法国自然史博物馆设立 物理学教席，他为首任教授，后又任该馆馆长。塞托万贝克勒耳最初研究矿物学，1819 年，在与其老师布朗涅尔（A Brongniart ）的合作中发现磷酸钙的一些前所未知的结晶形 式。随后他转入对矿石的电学实验研究。他证明，阿丽依（RJHaily）所发现的冰晶石 受压荷电现象普遍存在于多种晶体中，即所谓无中心对称性晶体的压电效应。由此他又转 入热电学研究，发现矿石的不连续电状态对应于不同的转变温度，这使得温度的电学测量 成为可能。塞托万贝克勒耳对伏打电池的兴趣很大。19 世纪初人们对电的产生机制尚不 明了，也不知道能量守恒原理，但塞托万贝克勒耳深信电的产生与热、光或化学力之间 有密切关联。他以实验证明，电只能在不同种类物体之间发生化学反应，或其温度不同， 或相互摩擦时才能产生，化学反应必定伴随着电的产生。1829 年，他利用化学家戴维 （HDavid）的发现制作了由两种不同溶液隔以固体物质所组成的电池，它能以稳定的电 压提供持续电流，这一研究奠定了含银矿石和从海水中提取氯化钾的工业应用基础。正是 这项工作使他获得科普利奖。塞托万贝克勒耳撰有大量科学著作，计有 529 篇论文和 6 种教科书，他研究过磷光现象并在其著作中详加讨论，这后来成为贝克勒耳家族的传统研 究领域，并导致他的孙子亨利贝克勒耳发现天然放射性。 贝克勒耳家族的第二代人是埃德蒙贝克勒耳，他是塞托万贝克勒耳的次子。他起 初在自然史博物馆给任物理学教授的父亲当助手，1852 年他被任命为国立工艺美术博物馆 物理学教授。随后在自然史博物馆以博物学家助理身分供职，并于 1878 年父亲去世后接任 该博物馆物理学教授和馆长职位。埃德蒙贝克勒耳于 1840 年获巴黎大学科学博士学位， 1863 年当选为法国科学院院士。埃德蒙贝克勒耳的主要成就在电学、磁学和光学领域。 他研究了电流的特性及其产生条件。1843 年，埃德蒙贝克勒耳证明光谱照片紫外快置上 有夫琅和费线存在；他还是拍摄太阳光谱照片的第一人。18571859 年，埃德蒙贝克勒 耳对磷光现象做出开创性研究，他用自己发明的磷光计鉴定了许多新的磷光物质；证明斯 托克斯于 1852 年命名为荧光的现象。埃德蒙贝克勒耳的主要科学著作是与他父亲塞托 万贝克勒耳合著的电学与磁学的历史，及其在化学、自然科学和工艺上的应用 。 贝克勒耳家族的第三代人就是发现天然放射性的亨利贝克勒耳。贝克勒耳家族的第 四代人是亨利贝克勒耳的儿子让贝克勒耳，于 1908 年继任他父亲的位置，在自然史博 物馆的物理学教授职位。 2、天然放射性的发现 亨利贝克勒耳以发现天然放射性并因此荣获诺贝尔物理学；而侧身世界最著名科学 家行列，成为其家族中最负盛名的伟大人物。1852 年，他出生时，他的父亲已是物理学教 授。他在路易十五大帝公学接受初等教育，随后进入综合工科学校，以后又转入桥梁和公 路学校，毕业后在桥梁和公路局任工程师。早在大学就读期间就开始私人研究。1888 年， 他获巴黎科学院博士学位，1889 年当选为法国科学院院士，同时 晋升为桥梁和公路局一级工程师。1892 年，他接替他父亲在国立 工艺美术博物馆和自然史博物馆的两个教授职位。在以后的几年里， 他主要从事天然放射性物质的研究工作，并于 1903 年获诺贝尔物 理学奖。1906 年，他当选为法国科学院副主席，1908 年又当选为 主席兼终生秘书。 1895 年年底，伦琴宣布了 X 射线的发现；伦琴的发现使法国 著名数学家、科学院院士庞加莱（Poincare Jules Henri， 1854 1912）激动的程度可能超过了任一位其他的法国科 学家。在 1896 年 1 月 20 日的会议上，庞加莱给大家看了伦琴寄给 他的第一张 X 射线照片。当他的科学院同事亨利 贝克勒耳问他 射线是从管子的哪一部分发出来的时候，庞加菜回答说，射线看来 是从管子正对着阴极的区域发出的，这个区域的玻璃都发荧光了。 贝克勒耳立即想到在 X 射线和荧光之间可能存在一种关系。就在 第二天，他着手试验是否荧光物质发出 X 射线，因而开始了一连串的实验，这些实验导致 了放射性的发现。 1896 年初，伦琴报道了 X 射线的发现。 1 月 20 日，亨利贝克勒耳在科学院会议上 获知这一发现，并通过彭加勒了解到 X 射线产生于一束阴极射线所激发的荧光物质。他很 自然地想到可见的荧光与不可见的 X 射线都产生于同一机制。亨 利贝克勒耳选择的研究路线是检验荧光物质是否放出 X 射线。 他运用家族传统中的荧光和荧光物质知识，以照相底片捕捉 X 射 线。2 月 24 日，他在科学院报告，荧光物质硫酸铀酸钾经日光曝 晒几个小时后可使以黑纸密封的底片感光。随后的几天巴黎连续 阴雨，他暂停了实验，把样品与密封底片一同放入黑暗的抽屉中， 且用铀盐样品压在密封的底片上以避免底片漏光。几天后日出时， 他按原计划重新实验，但审慎使他想到应把已在黑暗中放置数日 的底片冲洗出来。3 月 2 日他向科学院报告了惊人的结果：“我 在 3 月 1 日把底片显影，本指望看到的是非常微弱的影像，但恰 好相反，一个极深的黑斑显现出来。 ”这一结果排除了 X 射线和 荧光作用的可能性。然而由于原先样品曾经日光曝晒过，亨利贝克勒耳的结论是日光的 图 8-4 为铀盐天然放射曝光 获得 的第一张照片 图 8-3 为亨利贝克勒耳在实验室 中 激发可以使铀盐产生永久性未知辐射，它具有与 X 射线相类似的特性。如图 11 中显示 了贝克勒耳在对他的底片显影时所看到的“黑色轮廓”之一。他立刻意识到他已经发现了 某样非常重要的东西；铀盐发射出有穿透黑纸能力的射线。 在以后的几个月里，亨利贝克勒耳对铀盐的辐射特性作了多种研究，发现它可以使 气体电离，它的辐射强度不受物理、化学变化影响，他把辐射正确地归因于铀元素，但却 仍坚持认为新的辐射是某种特殊形式的荧光；他的这一观点保持长达 7 年之久。在当时， 对贝克勒耳的发现，看来并没有象对伦琴的发现那样高的估价，也没有象伦琴的发现那样 引起人们的激动。科学家们继续在谈论 X 射线和研究它们，却完全听任贝克勒耳自顾自研 究。到 1896 年 3 月 9 日，贝克勒耳已经发现铀发出的辐射不光使被包起来的照相底片变黑， 而且也使气体电离。从那以后，简单地通过一个样品产生的电离来测量它的放射性才成为 可能；依据这一原理制造的测量仪器是原始金箔验电器。 3、居里夫妇和一次大飞跃 贝克勒耳的发现之后，居里夫妇（Pierre curie and Mcurie）开始进入这一领域。玛 丽居里着手对贝克勒耳发现的“新的现象”进行研究。她使用了一个如图 12 所示的由 皮埃尔居里设计的验电器，验证了贝克勒耳的发现：铀辐射的强度正比于化合物中铀的 含量而与它的化学形式无关。样品是铀酸盐、铀氧化物或金属铀 都可以；玛丽居里因而证实了贝克勒耳的发现，并提出了“放 射性”一词。居里夫人决定不再局限于简单的铀和钍的化合物， 而且也测试自然矿石。她从自然博物馆的收藏品中得到了许多矿 石并且着手工作。正如她预期的那样，含有铀和钍的矿石是有放 射性的。但意外的是其中有些矿石的放射性三倍或四倍于被照矿 石中铀或钍含量所应具有的放射性。她立即作出结论：那些矿石 样品一定含有一种比铀和钍放射性更强的元素。接着，居里夫人 设计了后来被她自己认为是放射化学的基本方法。居里夫人设想， 如果矿物的放射性比它的铀含量所应有的放射性高三倍的话，这 种未知物质的放射性必须比铀的放射性强约三百倍。其实她过低 估计了，这种放射性不是三百倍，而是铀放射性的数百万倍。 由于任务的巨大，他要求皮埃尔和她一理动手离析这种新元素，他们同巧妙的分析方 法处理沥青铀矿，浓缩最具放射性的产物。1898 年 7 月，居里夫妇向科学院提交了一篇他 们合写的文章，宣布了它所具有的放射性表明存在一种新元素的这个发现，解释了他们所 用的方法。玛丽居里为了纪念在沙俄铁蹄下被践踏的自己的祖国波兰（Poland） ，他 们把它命名为“钋” （Po） 。 在玛丽居里请皮埃尔与她一起研究这个题目的时候，皮埃尔已经忙于对磁的研究了。 从此，他转而研究放射性，直到 1906 年他逝世时为止。至于居里夫人，从 1898 年到她逝 世时这 36 年的科学生涯，她的所有的工作，都遵循着同样的方式：更多的矿物，更高级的 纯化，更高度的浓缩。这是一项意志专一的任务，需要有令人难以置信的干劲、极大的智 慧和顽强的精神，而这正是玛丽居里的品格。 当居里夫妇从第一批高强度放射性产品中发现了钋后，他们又在钡族中发现放射性。 开始，他们无法将放射性和钡分开，在他们最终通过部分结晶的办法使分离获得以功之后， 发现了一种新的强放射性物质，他们称它为“镭” 。1898 年 9 月，他们宣布了“镭”的发 现。他们继续在一个没有防护罩的实验室里的烟气、搅拌溶剂时的体力劳动、用原始办法 对这些物质加热，皮埃尔身体较差，就做其它事情。居里夫人承担了最繁重的体力劳动， 只有这位波兰妇女百折不挠的精神才能克服这种困难。两年后，他们有了足够多的镭样品 图 8-5 为居里夫妇在实验室中 来探测该物质的表观原子量的变化；普通钡的原子量为 137，他们的样品中镭含量最丰富 的那部分的原子量为 174。居里夫人为得到纯净的镭而努力奋斗，纯镭的原子量现在我们 知道是 226。1900 年，玛丽和皮埃尔居里在巴黎举行的国际物理会议上作了关于“新的 放射性物质和它们发出的射线”的报告中报道了这些发现。 1903 年，居里夫妇与亨利贝克勒耳分享了诺贝尔物理学奖金，在诺贝尔奖金的授奖 仪式上，皮埃尔居里以下面的话结束了他的演讲：“可以想象在罪犯手中的镭是会变为 非常危险的，在这点上人们或许会问，对人类来说揭示自然的奥秘是不是有利，他是不是 准备从它那里得到益处，这个知识是不是对他无害。诺贝尔的发明这个例子是具有代表性 的：威力强大的炸药已使人们做出了某些令人羡慕的工作，但是在那些把国家引向战争的 大罪犯手吧，它们也是可怕的破坏工具。我是那些与诺贝尔一样相信人类将从镭发现中得 到的好处多于坏处的人们中的一员。 ” 1906 年，皮埃尔不幸遇车祸去世，玛丽居里被任命为索尔本的教授以接替她的丈夫， 玛丽二话未说，就在皮埃尔丢下的地方将他的关于放射性的课程继续下去，并又取得了一 系列辉煌的成就。1934 年，玛丽居里因放射性伤害在法国阿尔卑斯山的一所疗养院里过 早地去世。爱因斯坦在悼念玛丽居里的悼词中说道： “我很幸运能与居里夫人