放射性同位素的发现

放射性同位素的发现（摘录）1932年，科学家用天然放射性元素发出的a粒子轰击镀核，得到了中子后，进一步激发了人们人为的变革原子核的欲望，用a粒子作炮弹进行人工核转变的实验，起初得到的只是元素的稳定的同位素。1934年1月，约里奥■居里夫妇用玛丽■居里夫人配制的非常活泼的纯钋剂做实验一一在巴黎的镭研究院的实验室里。钋在放射a粒子时跟镭不同，镭放射时伴有Y射线，会影响对a射线所引起的现象的观察，而钋则不出现Y射线。在实验中当他们用a粒子轰击铝板时，的确出现了中子°[1827Al24He—1530P01n]。当撤掉钋后，中子消失了，可是还能测到放射性，半衰期为3分钟。于是，他们进一步研究铝核受a粒子轰击后究竟发射了什么质点。在加了磁场的云室中看到一种轻的质点的偏转轨迹，通过测定和分析，是一种质量跟电子相等的带正电荷的质点一一正电子。原来是铝核受a粒子轰击后生成的磷的同位素具有放射性，放出正电子后衰变成稳定的硅（1430Si）。放射性同位素的发现表明了放射性元素是可以人工产生的，从而带来了放射性的广泛应用，对人类的意义是非常重要的。约里奥■居里夫妇由于发现了放射性同位素而获得了1935年诺贝尔奖金。约里奥■居里（1900—1958）,法国物理学家，从小喜欢钻研自然科学，非常崇敬居里夫妇。1918年考入巴黎理化学院（居里夫妇发现镭的学院），门门功课第一。不久应召入伍服役，战后又回到巴黎理化学院，一边工作一边在朗之万教授指导下学习，从事物理和化学方面的研究，1925年约里奥当了居里夫人的助手，此时结识了伊雷娜■居里。1930年约里奥从论述放射性元素钋的电化学论文获博士学位。1937年任法国原子能研究所所长，1946年任法国科学研究中心主任，主持法国原子能委员会的领导工作。在当时（战后）法国财力物力较差的条件下开展工作，于1948年12月建成法国第一座反应堆（1960年2月法国成功地爆炸了一颗钚弹）。约里奥■居里是世界著名的和平战士；为反对美国的核垄断，为和平利用原子能、为反对法国生产和发展核武器作出了重大的贡献。重核裂变的发现1934年，约里奥■居里夫妇宣布了用a粒子轰击铝、硼而产生了放射性同位素的实验后，费米（1901—1954、意大利物理学家），决定试用中子产生放射性物质，计划按周期表顺序，从氢开始试验。开头从氢到氧的试验没有成功，到元素氟时得到了放射性同位素。在短短的几个月中他们轰击了63种元素得到了37种放射性同位素，成绩是十分显著的。当试验到当时元素周期表上的最后一个元素原子序数92的铀时，先后得到了几种具有不同放射周期的元素，其中有一种放射性元素当时是不清楚的，凭着经验他们认为可能是92238U俘获中子后变成92239U,然后进行6衰变而成为第93号元素，这个元素过去所以没有发现是因为它不稳定，地球上不存在它。1934年5月他们发表了这个实验报告，可惜的是费米他们没有继续深入的研究下去，没有意识到实验中可能发生的铀核的裂变。直到四年之后才恍然大悟——他们发现的实际是铀核的裂变。1934年10月，费米和助手用中子轰击金属银而产生人工放射性实验时，发现当中子通过石蜡时，中子和质子发生碰撞后，速度变慢了，经过银原子核附近的时间延长了，中子被银核俘获的机会增多，银的放射强度提高了。费米称之为“慢中子效应”。为此费米获得了1938年诺贝尔物理奖金。费米用中子轰击铀可能产生超铀元素的实验，引起了大家的重视。在巴黎的约里奥■居里夫妇、柏林夫妇、柏林的哈恩和迈特纳都认真研究了这个问题。就在1934年，德国女化学家依达■诺达克指出，费米发现超铀元素的说法证据不足，重核俘获中子后很可能分裂成几个大碎块。可是费米没有认真考虑诺达克的意见，原因是一方面慢中子能量不大，要把原子核打成两个碎块是不可思议的。另一方面由中子轰击多种原子核的经验出发，一般是核俘获一个中子后呈不稳定状态，经6衰变后形成新核，其原子序数增加1。因此费米等人当时总是以“生产第93号超铀元素”为主导思想的。1938年，约里奥■居里夫妇在萨维奇合作下，应用放射化学方法分析了中子轰击铀的产物，发现其中有一种放射性元素的半衰期为3.5小时，化学性质接近镧。镧的原子序数是57,这跟关于超铀元素的概念显然是矛盾的。可惜约里奥■居里夫妇和萨维奇并没能抓住这个矛盾追究下去，就发表了这个实验结果。德国化学家哈恩(1879—1968)和他的助手奥地利女物理学家迈特纳(1878—1968)紧张地进行了几个星期的实验，惊奇的发现，在中子轰击铀后生成的放射性物质中，至少有三种的化学性质与钡相似，而钡的原子序数是56,原来设想的超铀元素跟这个事实是矛盾的。又经反复试验，都证明这个事实不容置疑。1938年12月22日，哈恩和斯特拉斯曼把实验报告寄给德国《自然科学》杂志，提出按照他们原来的“衰变图式中得出的放射性物质镭、锕和钍应改名为钡、镧和铈”，哈恩对这个结论当时是犹豫的，就在他寄出报告后，他又把自己的发现和疑问写信告诉了迈特钠，希望听取眼光敏锐的同事的意见。奥托■哈恩(1879—1968)德国放射化学家，他本来是研究有机化学的，1904年9月自费到英国，在剑桥大学的拉姆齐(1852—1916)爵士的实验室工作。哈恩在拉姆齐的指示下，承担从含镭矿物中(方钍石)分离镭。在工作中他意外地发现了放射性元素钍。1905—1906年间，他在卢瑟福领导下又发现了放射性的锕，后来又发现了放射性的钍。1912年，柏林的化学研究所，由哈恩负责一个实验室，不久又当上了所长。奥地利藉女物理家迈特钠(1878—1968)任副所长，一起研究物质的6放射和放射性测试工作等等。迈特钠是犹太血统的科学家，当1938年3月德军占领奥地利后，她的国藉已经不能给她保护了，虽然哈恩和普朗克在希特勒面前替她说情，仍未能获准在德国。1938年7月她逃亡到瑞典，在斯德哥尔摩新成立的诺贝尔研究所工作。迈特钠接到哈恩的来信时，正是她与侄子、物理学家费立施对哈恩的实验结果和疑问展开了热烈讨论。他们从重核的品性出发，跟细胞分裂作类比，联想到不久前玻尔提出的原子核的液滴模型，从中受到启发，又通过反复计算，终于对中子轰击铀核产生钡的现象作出了解释*……铀核破裂成两个几乎相等的部分，情形就是这样”。他们给英国《自然》杂志写了题为“中子引起的铀分裂：新型核反应”。(发表了1939年2月)弗立施把此事告诉了玻尔。当时玻尔正要启程去美国参加理论物理讨论会，听到此消息，十分激动。在旅途的船舱里玻尔专心的琢磨和计算，到达纽约时他已确信迈特钠和弗立施的解释是正确的。并写出了“重核的分裂”论文，对分裂过程的力学机制提出了讨论。理论物理讨论会的中心、议题是讨论低温问题。会议的第二天，哈恩的文章在德国“自然科学”上发表了并传到了玻尔手中，于是玻尔就在大会上宣布了这个重要发现和迈特纳与弗立施的解释，整个会场沸腾了。费米建议大家立即用物理方法来进行论证。于是当晚，玻尔、费米（刚到美国定居）、罗森菲尔德（来自比利时）等一起到卡奈奇学院观看核裂变实验的表演，有的物理学家给自己的研究所实验室打电话安排实验。就这样，核裂变的发现在几个小时之后就得到了世界的公认。其后不久，也发现了用中子轰击铀核时也可以形成超铀元素——铀俘获中子后会导致6衰变，形成原子序数为93、93的元素同位素，后来取名：镎和钚。令物理学家更加激动的是，如果铀核裂变时还能放出一个或几个中子，这些中子又能引起其它铀核的裂变，如此继续下去，就能产生链式反应了。科学家们以异常急切的心情投入了紧张的实验。用了一个多月的时间，约里奥■居里夫妇、费米等人都分别证实了这一点。原子核的裂变和链式反应，使原子核能的释放和造福人类的理想，具有了变成现实的可能，这是具有划时代意义的科学发现。费米和第一座原子反应堆费米（1901—1954）意大利物理学家，出生在罗马铁路工人的家庭里。家境困难，但从小喜欢读书，还常制造一些简单的设备。1918年进入比萨高等师范学校，当时的费米已经才华出众。老师在课堂上讲的物理知识，他很快就能深刻理解。1922年，费米就获得了物理学博士学位。此后，他去德国、荷兰等地跟著名物理学家学习和合作。1624年回到意大利，先后在佛罗伦萨大学和罗马大学任教。1927年正式成为罗马大学理论物理学教授，后来又成为新成立的罗马大学物理研究所的核心人员，当选为意大利皇家科学院正式院士（后来费米成为包括苏联科学院在内的许多国家科学院的荣誉院士）。因发现费米效应获1938年诺贝尔物理学奖金。由于1938年，墨索里尼仿效希特勒迫害犹太人，费米的妻子出身犹太人家庭，为了摆脱迫害，费米在接受诺贝尔奖金后，全家转赴美国定居，先后在哥伦比亚大学和芝加哥大学物理学教授，从事核物理研究。第一座原子反应堆就是在费米的领导下建成的。为了论证实现链式反应的实际条件，美国决定建造一座自持链式反应装置一一原子反应堆。那么由谁来领导这项工作呢？费米是当时最合适的人选，因为他在原子物理、核物理和粒子物理等几个领域中都有很深的研究，而且在理论和实验两个方面都是非常出色的专家。可是费米是意大利人一一美国的敌国。在康普顿（当时美国科学院发展局的主要成员）等人的极力保举下，美国当局才决定任用它，1941年12月，费米来到芝加歌，领导一批物理学家在芝加哥大学斯塔格运动场的西看台下，开始建造世界上第一座原子反应堆的工作。要实现自持链式反应，有两个中心环节。一是为了保持反应有效地持续进行下去，必需把快中子进行慢化处理，使之变成慢中子，以便为U（235）吸收而引起裂变。重水是很好的减速剂，可是不易制备，价格昂贵。（法国的约里奥■居里夫妇是用重水作减速剂的。他们早民1939年3月8日就用实验证实了链式反应的可能性并明显提出制造原子弹，由于不久法国被占领，一系列研究成果被搁置，居里夫妇也投入反法西斯斗争。学生们看到一部电影，描写法国落入纳粹手时，进行了一场惊心动魄的重水争夺战，留下了深刻印象有），因此费采采用了石墨作减速洗。二是必要能严格地控制反应的速率，保证核裂变放出的中子里，必须有一个也只能有一个能引起下一次的核裂变（再生率为1），既不能熄灭，也不可爆炸。为此，费米利用镉吸收中子的能力来控制反应堆里的中子数，从而控制反应速率。建造的反应堆是用石墨层和铀层相间堆砌的，共有57层，高6米，呈扁球形。堆中间留了许多小孔，内插镉棒，调节镉棒插入的深浅，改变其吸收中子的多少，便可达到控制反应速率的目的。1942年12月2日下午，反应堆开始正常运行，揭开了人类利用原子能的序幕。当时这个反应堆的功率只有1/2瓦，十天后上升到200瓦。它的运行是为建造大型反应堆提供必要的数据，进行可行性论证，为生产裂变材料钚提供资料。聚变的发现和太阳的能源人们对聚变的认识首先来自太阳的能源的研究。丰富的太阳能来源是什么？在能量守恒定律建立之后，便成为大家感兴趣的问题了。1842年，罗伯特■迈耶提出太阳的能量是来源于流星不断地向太阳表面坠落，但计算表明靠流星坠落是无法提供太阳如此巨大的能量的。1854年，开耳夯和亥姆霍兹试图用缓慢收缩过程释放引力势能来解释太阳的长期辐射，估算出依靠这种效应，太阳的能源可以维持三千万年左右，但是地质学家和古生物学家研究得出地球上的生物和地球本身至少已经存在了几亿年。二十世纪初英国詹姆斯■金斯爵士提出，太阳的能源是放射性物质产生的。1925年，弗朗西斯■威廉■阿斯顿用质谱仪做实验时发现了核反应前后的质量亏损。1926年爱丁顿（英国天文学家）提出，太阳中心具有极高的温度和密度。温度大约是1千5百万度到2千万度，这种高温下原子的核外电子几乎全部“脱落”，成为赤裸裸的核，相互距离可以很小，故密度很大。在高温下，核之间相互猛烈碰撞，便能结合而形成复杂的核，这是太阳能的来源。早在1862年，瑞典化学家昂格斯特罗姆证明了太阳上有氢。1929年，美国天文学家罗素研究了太阳光谱后断定太阳上的氢含量足足占去太阳总体积的60%（近年来，天文学家估计，氢占太阳总体的81.76%,氨占18.17%,其他元素只占0.07%）,根据这个结论，太阳的能源如果是核反应的话，那只能是氢的聚变。1939年贝特计算了在太阳内部高温条件下进行核反应的速率（根据地面上得到的理论数据和观察数据推算出来），跟实际情况相当一致。德国天文学家魏札克也同时独立地完成了这项工作。现已证实太阳的能源主要靠下列两种热核反应：（1）碳一氮循环：612C11H—78Nr,713N—713C10e00v,613C11H—714Nr,714N11H—815Or,615O—715N10e00v,715N11H—612C24He（2）氢一氢链反应：11H11H—12H10e00v,12H11H—23Her——|23He23He—24He211H11H11H—12H10e00v,12H11H—23Her——上述两种核反应的结果，都是四个氢核结合成氨核，和两个正电子、两个中微子、两个r光子，还有2千8百万电子伏特能量。两种循环中哪个贡献更多，尚待进一步研究。据有关资料介绍，在太阳内部的热核反应中，每秒钟将有约6亿吨的氢变为氨，失去4百多万吨的质量，释放的能量达3.8X1026（焦）太阳已经燃炸了近50亿年，太阳上丰富的氢足够使太阳的能量维持亿万年。能否在地面上实现这种核反应呢？1933年世界上第一台加速器运行了，1934年卢瑟福和澳大利亚物理学家奥利方特、奥地利化学家哈尔特克一起，用氘去轰击氘靶产生氚。1944年费米计算出氘氚混合后发生聚变的点火温度在5千万度以上，由匈牙利流亡到美国的犹太人爱德华■特勒提出用原子弹爆炸后产生的高温来点燃聚变燃料一一制成氢弹。1950年美国总统杜鲁门为了加强核讹诈政策，下令制造氢弹（由特勒负责），1951年5月美国制成以原子弹为点火装置、以液态氘和氚为热核燃料的氢弹（当时没有立即试验），1952年10月31日在马绍尔群岛的一个珊瑚岛上爆炸了第一颗氢弹，爆炸力相当于300万吨TNT。把海底炸出一个巨坑（深50米，直径2000米）。1953年8月12日苏联也成功地进行了第一次氢弹试验（由萨哈罗夫和塔姆等人负责试制，以氘化锂（固体）和锂36Li为燃料），由于苏联采用的是“干式燃料”，比美国的“温式燃料”制成的氢弹体积小重量轻，符合实战需要。美国了解到苏联的秘密——“干式燃料”后，于1954年3月1日在太平洋的比尼基岛上也成功地进行了“干式燃料”氢弹的试验。我国于1967年6月17日也爆炸了第一颗氢弹。现在，不少国家都在组织人力物力，致力于核聚变发电的研究，预计下世纪初，人类将会有效地控制核裂变，实现热核反应的和平利用。正电子的发现1928年，英国物理学家、量子力学创始人之一钬拉克（1902—）提出描述电子的方程式，在这个方程解的基础上，他预言应该存在正电子——质量跟电子相同而带正电荷。他还提出正负电子对可以由光子在真空中产生出来；当正负电子碰撞时，就湮灭变成光子，虽然从理论上作了预言，但实验上没有得到证实，当时科学家不愿轻易相信新粒子的存在，认为只有质子带正电荷，认为钬拉克的方程式中出现的带正电荷的粒子可能就是质子。还是在1911年、奥地利物理学家赫斯（1883—1964）乘气球到高空测量时，发现了宇宙射线（来自宇宙空间的辐射），美国的密立根发现宇宙射线的穿透能力很强，他认为宇宙射线是类似Y射线的电磁辐射，而美国的康普顿则发现宇宙射线在磁场中发生偏转，认为宇宙射线是带电粒子。1932年美国物理学家安德森研究宇宙射线时，为了测量宇宙射线在强磁场中发生偏转的性质。他利用威尔逊云室来进行观察，为了降低宇宙射线的能量，他在云室中放了块铅板，结果证实了宇宙射线轨迹确实在磁场中发生了弯曲。同时他又发现从铅原子中被击出了一些粒子，轨迹和电子一样，但弯曲方向却相反，这样就发现了正电子。正电子是电子的反粒子。是人们在实验中第一次发现的反粒子，安德森由于发现了正电子而获得了1936年诺贝尔物理学奖金。后来，约里奥■居里夫妇用a粒子轰击铝核，也得到了正电子。正电子发现以后，海森堡（1901—1976、德国物理学家）认为：原子核里的中子和质子可以靠交换正电子而结合在一起。质子失去一个正电子而变成中子；中子得到一个正电子而变成质子。奥地利物理学家泡利（1900一1958）还提出了没有质量和电量，只有能量的中微子（直到1956年才在实验里观察到）。正电子的寿命很短，约为10-8秒，但在正电子的速度数量级为109厘米/秒，因此在它消失之前还来得及通过10厘米的距离，因此还是可以观察到它的径迹的。核科学技术发展（主要事件）年表1896年贝克勒尔发现天然放射性。1898年居里夫妇发现了钋和镭。1905年爱因斯坦提出质能方程。1911年卢瑟福提出原子有核结构模型。1919年卢瑟福实现人工转变，发现了质子。1920—1925年改进了质谱仪，显示出在核反应中伴随核子的质量改变而释放能量。1931年劳仑斯和利文斯建成第一个回旋加速器。1932年查德威克发现中子。1934年约里■奥居里夫妇发现由中子引起人工放射性。1939年哈恩和斯特拉斯曼证实铀核裂变，由迈特钠和弗立施鉴定了裂变产物。1940年在加里福尼亚大学发现镎和钚。1942年在芝加哥大学建成第一座持核反应堆（费米）。1945年在新墨西哥州阿拉莫哥多第一次试验核装置；随后在广岛和长崎投下了原子弹。1951年爱达荷州第一个核电站（从核能产生电能100千瓦）。1952年在太平洋的埃尼威托克岛第一次氢弹爆炸。1953年苏联也成功地爆炸了第一颗氢弹。1954年第一艘核潜艇“鹦鹉螺”号编入现役。1957年在宾夕法尼亚州的港口建成6万千瓦大功率核电话。1959年第一艘核动力商船“萨汉拉”号在新泽西岛和卡姆登下水。1961年以放射线同位素为能源的供电装置被射入轨道这是第一次在空间使用核动力。1964.10.中国成功地爆炸了第一颗原子弹。1967.6.17中国又成功地爆炸了第一颗氢弹。1966年以后，各国开始迅速发展核电站。1984.9“中国环流器一号”我国目前最大的受控核聚变突验装置顺利启动后，经过一年的工程联调和物理调试，于1985年11月18日正式通过国家验收，“中国环流器1号”的实验数据表明，它的纵向磁场到二万三千高新，等离子体电流十三万五千安培，时间约十分之二秒，获得了平衡、稳定和比较干净的等离子体。特别是等离子体电流持续时间长达一秒，为国际同规模受控核聚变实验装置所罕见。网友见解：人类大约几百万年前就诞生了，但是，人类知道自己所生活的这个普通的行星的年龄，却是最近几百年的事。科学家断定地球的年龄有46亿岁。有什么依据呢？科学家是凭借地球内的放射性元素和它衰变形成的同位素来测定地球的年龄的。为什么依据放射性元素可以测定地球的年龄呢？放射性元素的原子核会随着时间的推移而减少。减少的那些核子变成了其它元素的原子核，也就是说变成了别的物质。这种变化有一个固定的半衰期。半衰期就是核子数减少到原来的一半所需要的时间。在一定的时间内，一种放射性元素有一个固定的半衰期，放射性元素分裂了多少分量，生成了多少新物质，速度是稳定的，而且不受外界环境的影响。假如某种放射性元素的半衰期是1万年，原来有1亿个原子核，那么经过1万年就有5000万个原子核变成了另一种元素X，再过1万年，又有2500万个原子核变成了元素X，再过1万年又有1250万个原子核变成元素X……在地壳的矿物中，都含有一定的放射性元素，如果测定出岩石中某种放射性元素的数量和它变成的新元素的数量，再根据这种放射性元素的半衰期，就可以推算出这种岩石的年龄。岩石中残留的放射性元素越少，生成的新元素就越多，岩石也就越古老。1903年，法国科学家居里开始探讨应用放射性测定地质年代的可行性。1907年，博尔特伍德得出了第一批放射性地质年龄数据。人类根据对多种放射性元素的测定知道，地球上许多地方的岩石年龄在30亿年左右。我国河北迁西、遵化一带的变质岩年龄在35亿年。岩石中的“老寿星”达39.6亿岁，这是20世纪80年代美国科学家在加拿大西部发现的。科学家根据岩石的年龄和岩石的形成等因素，推测地球的年龄在46亿岁左右。科学家用类似的方法，根据“阿波罗”宇宙飞船从月球上取回的月岩标本，测定月球的年龄在45亿年一46亿年。网友见解：这个难题曾经考验过许多科学家的智慧。有人想出用沉积岩形成的时间来测定，有人主张用海水含盐浓度的增加来推算，而最精确可靠、量程最大的宇宙计时器，显然要数放射性元素的蜕变了。放射性元素衰变一半需要的时间叫半衰期，它不以外界物理化学条件变化为转移。例如铀235,每隔4亿5千万年就有一半变成铅与氨，钍232的半衰期是13亿年，而铷82的半衰期则将近50亿年。从这些同位素和他们衰变产物的相对浓度中，我们测定出地球最古老的岩石-西格陵兰片麻岩已有38亿年的历史。但这显然还只是地球从“天文时期”进入“地质时期”前后的时间。根据对月球岩石和太阳系陨星的测定和比较，我们地球的高寿应该是46亿岁了Cyberknife立体定向系统Cyberknife是由美国Stanford大学医疗中心脑外科副教授约翰■阿德尔于1992年研发的，是继伽玛刀之后一种最新的可以切除脑肿瘤的微创手术。Cyberkn