从约克里居里的获奖作品看诺贝尔化学奖的缺失

从约克里居里的获奖作品看诺贝尔化学奖的缺失

有一名妇女在向原子进攻的战斗中枪。她是比利的女儿伊伦娜。1934年，她和丈夫约地壳一起用颗粒轰炸铝，并从自然界不存在的物质——元素-磷的辐射同治中获得。尽管她已经和她的丈夫一起接受了1935年诺贝尔化学奖，但由于人工核反应的新人工放射性，她获得了1935年诺贝尔化学奖。然而，他们发现自己的错误和电子失明与70年前的今天相比，我总结并记录了约里奥居里的经验和教训，这有助于提高科技人员的素质，激发人们的思想，提高他们对自然的感知。1正电子的发现中子的发现是一个较长期的过程,并有一段复杂而具有戏剧性的历史.首先要提的是卢瑟福的中子假说.1920年6月卢瑟福在贝克林讲座时所作的报告中提出:“在某些条件下,一个电子有可能更紧密地同H核结合,从而形成一个中性偶极子.这样一个粒子将具有很异常的特性.它的外部电场实际上将等于零,除非特别靠近它的核.因此,它能够很自由地通过物质.它的存在也许很难用光谱仪进行检测,也许不可能把它禁闭在密封容器里.另一方面它应能很容易地进入原子结构中,或是同核结合,或是被核的强场分裂.”卢瑟福还声称:“要解释重元素核的构成,这种粒子的存在看来是必不可少的.”卢瑟福的预言转化成为人们寻找中子的行动.向中子的实际发现迈出第一步的是德国物理学家玻特和他的学生贝克尔.1928年,他们用天然放射性元素钋(Po)放出的α粒子去轰击铍,发出一种穿透力极强的射线,根据当时所知,由被轰击物质产生的各种形式的射线中,唯一能够贯穿铅层且在磁场中运动方向不发生偏转的只有γ射线,依据这个传统观念,他们没有迈出决定性的一步,而是在实验记录上写下“发现高能γ量子”这样错误的结论.1932年1月,在巴黎居里实验室的约里奥·居里夫妇用强钋源重复了玻特和贝克尔的实验,并测量了由铍放射出的未知射线对铅的穿透.他们又在铍和辐射探测装置之间放上一块石蜡,以检测石蜡是否会吸收铍辐射.使他们十分惊讶的是,铍辐射竟能从石蜡里打出质子,而且飞出的质子有高得惊人的速度!但他们却错误地按γ射线的康普顿效应来解释这一现象.当约里奥·居里夫妇的观察结果和解释传到卡文迪什实验室时,卢瑟福听了解释后大声喊道:“我不相信.”这一大叫反倒使他的学生和助手,英国物理学家查德威克开始重视起约里奥·居里夫妇的实验来.他用钋加铍作为辐射源重做了约里奥·居里夫妇的实验,同时他还用所得辐射去轰击氢、氦和氮.由于受到他的老师卢瑟福在1920年所提出的中子假说的指导,他没有简单地用γ射线来解释,而是比较它们的反冲现象并进行深入分析,检验碰撞的能量关系,并用云室测量铍辐射的质量,结果发现这种辐射含有一种质量同质子相当的中性粒子,他敏锐地认识到这就是寻找已久的、卢瑟福所预言的那种粒子,并把它命名为中子.1932年2月17日,也就是约里奥·居里夫妇发表实验报告一个月后,查德威克发表了他的研究结果,宣布了中子的发现.就这样,一项重大的发现在约里奥·居里夫妇手中溜走了.约里奥·居里夫妇还失去了发现正电子的机会.正电子是人们认识的第一个反物质粒子.与卢瑟福的中于假说相类似,1931年5月英国物理学家狄拉克在解释相对论性电子波动方程的负能解时,提出了“电子海假说”,预言存在一种与电子质量相同而电荷相反的粒子.可是,狄拉克的这一预言并未引起物理学家的足够重视,许多物理学家对狄拉克的预言表示怀疑甚至反对.在没有人专门设计实验以观察反电子存在的情况下,美国物理学家安德森在利用云室观察宇宙线时“不经意”地发现了正电子.1932年,安德森从事宇宙线能量的测量.8月,在他拍的一张照片中,显示出一个带电粒子由底部进入.由于云室内有强磁场,粒子沿着弧形路径前进,在穿过6mm厚的铅板之后,它的速度减慢,因而路径的曲率增大,路径的上半部的曲率比下半部的曲率大,这个事实证明粒子的运动一定是自下而上的.知道了粒子运动的方向后,安德森推断它所带的电荷是正的.他更进一步,根据穿过铅板以后的曲率改变的幅度,证明了这种粒子比质子要轻得多.他指出,照片上显示的径迹长度超过5cm,而具有这样曲率的质子至多只能有5mm的行程,所以这个粒子不可能有大到质子的质量.根据曲率方面的考虑,他排除了两个独立的电子径迹恰好重叠在一起而造成一个粒子穿过铅板这一印象的可能性,即也不可能是一个光子从铅板中打出两个粒子,一个向上,一个向下.分析的结果,他肯定他发现了带有正电荷并具有与自由负电子同量级质量的粒子.安德森称之为Positron(正电子).这个词是Positive和electron的缩写.当他的关于存在自由正电子的论文于1932年9月在一个很不起眼的期刊上发表时,引起了世界性的轰动,因为它第一次证实了狄拉克的反粒子理论,使人们认识到整个世界中存在着反物质世界的“半边天”.实际上,安德森并不是观察到正电子的第一个人.当消息传到巴黎,约里奥·居里夫妇迫不及待地翻阅了他们云室照片的档案,在他们研究用α粒子轰击铝(Al)靶时发现,除了发生(α,n)反应外,还有正电子放出,他们早已经拍摄到了正电子径迹的照片,也就是说他们甚至在安德森之前在云室中看见过正电子,然而,他们未经认真思考分析就把它理解为向放射源移动的电子.这样在半年多的时间里,约里奥·居里夫妇接连错过了发现中子和正电子的机会,与诺贝尔物理学奖失之交臂.2放射性磷的产生—成功发现人工放射性查德威克发现中子,直接得益于约里奥·居里夫妇实验的启示.但据传,卢瑟福坚持要把发现中子的诺贝尔物理学奖发给查德威克一个人,他说“至于约里奥夫妇嘛,他们是那样的聪明,不久会因别的项目而得奖的.”果然,不出卢瑟福所料,1934年约里奥·居里夫妇发现了人工放射性,次年即获得诺贝尔化学奖.安德森发现正电子之后,约里奥·居里夫妇开始用实验去寻找正电子.在用α粒子逐个去轰击各种元素时,他们惊异地发现:在受轰击的元素中,中等质量的元素将放射出质子,而某些较轻的元素,包括铝和硼,有时不是放射出质子,而是先放射出中子,然后再放射出正电子.为了解释同类实验的两种不同结果,他们提出了一个假设:一个质子是由一个中子和一个正电子构成的.1932年10月在布鲁赛尔召开的第七届索尔维会议上,约里奥·居里夫妇报告了他们的实验和解释,但出人意料的是报告遭到迈特纳女士的反对.虽然玻尔和泡利给与他们一些鼓励,但大会意见偏于迈特纳女士,正如约里奥所言:“到了最后,参加大会的大多数物理学家都不相信我们实验的精确性.”约里奥·居里夫妇回到巴黎,决心把这场争论弄个水落石出.他们用α粒子去轰击铝,并逐渐减少它的能量.他们发现,当α粒子“在达到一个最低速度时,中子放射完全停止了”(这可能正是迈特纳所观察到的现象),但是正电子放射却仍在进行着,甚至在α粒子轰击停止以后,正电子还要继续发射一段时间,发射速度随时间逐渐降低,最后趋于零.如同天然放射性一样,正电子衰减规律具有一个特定的半衰期(3.25min).他们由此判断这些放射性是人工核反应的产物.为了进一步确认这是一个新的发现,约里奥夫妇通过化学分离获得了放射性磷(P).他们使用的方法是将照射过的Al溶于盐酸中,收集放出的氢气,氢气中载带极微量的放射性PH3,引入电离室测量,整个实验只用了不到3min.测量结果表明,正电子放射性都集中在气相中,溶液中残渣测不出放射性.这样,就从物理和化学角度证明了新的放射性元素的产生.约里奥·居里夫妇得到的结论是:Al原子核俘获α粒子时,产生一个新的放出正电子的放射性元素磷(30151530P),核反应式为:2713Al(α‚n)3015P→β+3014Si1327Al(α‚n)1530Ρ→β+1430Si.不久,他们用α粒子轰击硼得到第二个人工放射性元素氮(137N),核反应式为:105B(α‚n)137N→β+136C.1934510B(α‚n)713Ν→β+613C.1934年1月15日,约里奥·居里夫妇把他们的发现公布在《报告》上并自豪地宣告“这些实验第一次做出了人工嬗变的化学证明.”他们的这一发现为放射化学开辟了新的途径.3奥罗斯居里夫在诺里的道路上的鼓励由上可见,约里奥·居里夫妇的诺贝尔奖道路既是成功的又是曲折的.从其成功和失误的历程中,我们可以获得一些有益的启示.3.1对约形成中性辐射存在的认识理论思维又叫理性思维、辩证思维,它既包括哲学思维,又包括逻辑思维,还包括自然科学中的理论、假说以及联想和想像等.约里奥·居里夫妇在实验中虽然遇到中子但未能辨其性质,虽已在照片上拍摄到正电子径迹,却鬼使神差地未能辨认出,源于他们在研究中忽视了理论思维.首先,科技工作者要学会正确的运用科学假说.恩格斯曾说过:“只要自然科学在思维着,它的发展形式就是假说.”科学假说是根据已知的科学原则和实验事实,对未知的自然现象及规律性所作的一种假定性的说明.其作用是指出新实验和新观测,有时还能指导新发现,甚至在假说本身并不正确时亦如此.约里奥·居里夫妇不知道卢瑟福关于存在中子的假说,也不接受狄拉克关于正电子的预言,这就使他们的理论只停留在γ射线和原子中只有质子和电子两个基本粒子上,而没有发挥假说的预见功能,他们原有的理论也就没有实现突破.解释性原则也是建立科学假说要遵循的方法论原则之一.解释性原则要求,假说不应与已知的经验事实相矛盾,不仅能解释个别事实而且能解释已知的全部事实,并对已知事实做出自洽的说明.哪怕只有一项事实和假说相矛盾,这个假说也应修改甚至摒弃.在约里奥·居里夫妇用强钋源重复了玻特和贝克尔的实验时,如果认为那种中性射线是γ射线,则表明质子是由于与γ射线产生撞击而被撞击出来的,质子质量与能量都知道,由此可以计算出这种γ射线的能量最少应为55×106eV,但科学家根据这种中性射线贯穿铅的吸收情况测定它的能量实际只有700eV.这显然是违反能量守恒定律的.根据科学假说必须能够解释全部的经验事实的原则,约里奥·居里夫妇显然应该认真核算,怀疑原来的理论,但他们仍和玻特一样,把铍辐射看成是γ射线,没有顾及解释的困难而及时放弃这种解释,因而错过了发现中子的好机会.同时,他们也违背了假说解释的多元性原则.所谓假说解释的多元性原则就是当人们根据已有的理论原理去说明事变的原因时,可以从各个不同的角度去解释事变的原因.也就是说对事实所能做出的理论解释不是一元的,而是多元的.约里奥·居里夫妇把那种贯穿力很强的中性射线假设为γ射线,在把观察到的事实解释为γ射线的康普顿效应时,存在着一个矛盾.γ射线是由质量几乎为零的光子组成的,在一般的康普顿效应中反冲电子很轻,容易被反冲,但在实验中铍辐射通过石蜡能打出质子,质子的质量是电子的1836倍,并不容易被反冲.就如一颗弹子撞击另一颗弹子,这是容易反冲的,但是如果一辆汽车被一颗弹子撞击,他就不会有明显的移动了.如果他们按正常的逻辑去思考问题,很显然,这一中性辐射具有γ射线不具备的功能,根据上述的矛盾,完全应该怀疑原先的解释,即应当意识到把那种中性射线解释为γ射线是根本说不通的,进而应当另寻新的解释,然而他们却用“也许是γ射线有一种新的作用”来做勉强的解释.其次,科技工作者要自觉运用逻辑推理.成功地证明了中子的存在并确定了它的性质的查德威克正是把逻辑推理与直观认识和实验研究结合起来,从而得到正确的结论.他在理论思维的指导下,对观察到的氢核(质子)的轨迹进行仔细的分析,首先确定这种新射线不会被磁场偏转,然后确定这种粒子的速度不到光速的1/10,又借助于云室计算出石蜡释放出的质子的能量,从而计算出产生质子束的铍辐射的能量,进而推导出如果假定铍辐射是γ辐射,那么得出的能量就会大得惊人,从而排除它是某种γ射线的可能性.接着他又巧妙地进行碰撞实验,通过对碰撞的能量条件进行广泛的研究和计算,推导出了铍辐射事实上是由粒子组成,这种粒子的质量大约与质子相同.而约里奥·居里夫妇虽然在发现中子的道路上以其卓越的实验作出了贡献,但当他们用铍射线轰击石蜡或别的含氢物质而放出一束强质子流时,他们虽已观察到这一现象,但却未能灵活运用逻辑推理,因而对实验结果作出了错误的理解.理论思维指导下进行巧妙设计的还有安德森的实验.首先他们设计了一台研究宇宙射线的云室装置,这样就可以从宇宙射线粒子在磁场中的偏转曲率来测量它们的能量.为了确切的确定宇宙射线粒子的运动方向,他把一块铅板横着插在云室的中间平面上,这样获得的实验结果,只有假定粒子带正电而且质量与通常的自由负电子的质量同数量级,才是合乎逻辑的.而约里奥·居里夫妇对中子和正电子的判断都有些轻率和过于匆忙了.3.2重视交流研究,形成科学的单一性、双重性的交流研究约里奥·居里夫妇失去发现中子的原因还在于他们没有充分认识到学术交流对科学发展的重要作用.学术交流可以启迪科技人员的思维,提高创造思维的能力.交流者通过思想的互相“碰撞”,汲取精华,受到启发,产生灵感.历史上很多重大的科学发明,都是科学家集体智慧的结晶.卢瑟福曾经说过:“科学家目前正在进入一个无人境地,要想获得任何有关科学进展的真实面貌,无疑需要掌握和熟悉大量的情报.”肖伯纳也认为:“倘若你有一个苹果,我也有一个苹果,而我们彼此交换这些苹果,那么,你和我仍然是各有一个苹果.但是,倘若你有一个思想,我也有一个思想,而我们彼此交流这些思想,那么,我们每个人将各有两种思想.”1932年卢瑟福在法国的一次演讲中正好讲自己关于中子存在的猜想,而约里奥·居里夫妇认为听人家讲不如自己做实验,没有去听那次报告,以至把俯拾即得的机会错过了.后来,约里奥曾说:“要是我们俩听过卢瑟福的贝克林讲座的话,就不会让查德威克捷足先登了.大多数物理学家,包括我们自己在内,没有注意到这个假设.但是它一直存在于查德威克工作所在的卡文迪什实验室的空气里,因此在那儿发现了中子,这是合情合理的,也是公道的.”可见,学术交流的作用与意义是重大的,将会产生的现实的和未来的,直接的和间接的,近期的和远期的效应是不容忽视的.科学家之所以伟大,很重要的一个原因是善于与各方面的学者积极交流研究成果.闭门造车,孤高自傲的人是无法登上科学高峰的.3.3抱有否定新粒子的成见科技史上,传统观念一旦形成,人们就习以为常而不自觉地遵循,而这种思维定势往往束缚人们的思维创新,阻碍人们的科学探索.玻特和贝克尔根据当时所知,断定铍辐射为γ射线,约里奥·居里夫妇囿于传统的中性射线就是γ射线的观念,在新的实验事实与旧观念发生矛盾的情况下,不敢提出新的中性粒子即“中子”的新观念.孰不知,γ射线是中性射线,但除了γ射线自然界中就没有其他射线是中性射线吗?γ射线能穿透铅层,但能否保证自然界中只有γ射线能够贯穿铅层呢?约里奥·居里夫妇受传统束缚太深,当他们用旧的观念去套新的实验事实时,即使矛盾重重、漏洞百出,也不敢或不曾怀疑原有的传统观念,这样新的发现机会就丧失了.另外,像同时代的多数人一样,约里奥·居里夫妇抱有否定新粒子的成见,而且他们表现得尤为明显.狄拉克在谈到他的理论所预言的正电子时说:“为什么当时实验工作者没有发现它们呢?因为他们抱有否定它们的成见.那时实验工作者对粒子在磁场中沿着曲线轨道运动已做了大量实验,如果我们知道了粒子的电荷符号,那么弯曲的情况就指明粒子沿径迹和运动的方向.实验工作者习惯地看到,电子从一个源出来,其径迹有相应的弯曲.然而,他们也看到了反向弯曲的径迹.他们就把这些径迹解释为偶然有一些电子是朝着源运动的,而不认为是从源发射出的带正电荷的粒子.这是当时一般的见解.当时人们否定新粒子的成见如此之深,以致他们从未考察一下这些射入源内的电子的统计数字,也就看不到这种粒子的数量真是太多了.”抱有很深的否定新粒子的成见,致使约里奥·居里夫妇即使在云室中早于安德森看到过正电子运动的径迹,也只是把它解释为向放射源移动的电子.约里奥·居里夫妇后悔的不仅是失去发现中子的机会,同样还有正电子.但是,在放射性发现过程中,他们吸取失去发现中子和正电子机会的教训,敢于根据自己的确凿实验事实,大胆质疑传统和权威.在第七届索尔维会议的大多数物理学家的猜疑情况下,在遭到迈特纳女士等权威的反对时,他们依然坚持自己的见解.他们在之后的实验中不放弃任何异常现象,用钋释放的α粒子轰击铝,用灵敏度极高的盖革计数器测量,结果发现,α粒子轰击铝原子时,铝原子放出了正电子(正电子仅存在10-9s).但关闭了钋源之后,盖革计数器仍在咔咔作响,这表明正电子还在释出.当时,约里奥平静的对妻子说:“我怀疑我们创造了人工放射性铝.”这时的约里奥·居里夫妇已经走出了传统理论的巢臼,及时获得了新的发现.正如约里奥从切身体会总结出来的一句至理名言“实验结果离理论越远,那就离诺贝尔奖越近.”3.4人工放射性的发现—科技工作者要正确认识和处理理论与实验的关系对于理论与实验的关系,实验物理学家丁肇中教授曾说:“做实验确实非常重要.因为任何理论没有实验证明,是没有用的.实验可以推翻理论,理论绝对不能推翻实验,……”物理学中的实验不仅仅是现象的观察,还是这个现象的理论诠释.也就是说,只要实验持续着,理论就应该等待,在严格的秩序下呆在实验室大门之外.当科学家直接面对事实时,理论应该保持缄默,远离科学家而不去打扰他.科学家必须毫无先入之见地观察事实,审慎的收集事实,不管它们取而代之还是反驳理论的预言.20世纪30年代初,居里夫人的镭研究所一直在研究α粒子轰击轻元素后引起的核反应.由于约里奥·居里夫妇精湛的实验技能,他们在这方面一直处于领先地位.但他们却在1932年1月发表了关于中子的错误解释的实验报告,在云室的照片中未能认出正电子.他们没有正确处理理论与实验的关系,对于他们原有的理论和观念过于自信,在实验观察中,忽略了与他们意图无关的东西,避免可能出现的与他们观念不同的任何东西,仅把适合他们意图的东西吸收到他们的实验结果之中.用对其实验结果错误的解释捍卫在新的条件下不成立的理论.但经历了两次失误后,约里奥·居里夫妇在实验观察中能自觉客观地对待实验事实,慎重地对待实验事实的解释.正如上文所介绍的人工放射性的发现过程,就是这种严谨的重视实验事实的方式和态度促成了他们的成功.吸取失败的教训,这一次他们并不急于发表自己的重大发现,他们继续做实验验证自己的结论,他们使用同样的方法,通过用α粒子轰击硼而获得放射性氮,通过轰击金属镁的两种同位素得到了放射性硅和放射性铝.新的理论经过实验的反复检验后,1934年1月15日他们才向法兰西学院公布自己的发现.正如丁肇中教授的观点:任何人都可以提出不同的观点,但是必须经过实验的验证.3.5第一次击穿石蜡的实验方法科学实验手段包括科学的实验方法、技术、仪器设备等.20世纪物理学许多重大进展都是以实验手段的突破为转机的.约里奥·居里夫妇虽在实验中没有正确的判断出中性粒子的性质,但其实验方法是非常可取的.他们用α粒子轰击铍发射出中子,但不能辨其性质,于是他们用认不出的东西当炮弹轰击石蜡发射出质子,其中第二次轰击石蜡的实验方法是非常巧妙的——可命名为“黑弹方法”(相对于黑箱方法).其次,约里奥·居里夫妇具有十分精湛的物理实验技能,查德威克在1957年,即发现中子25年后,论及约里奥·居里夫妇对科学事业的贡献时,曾特别提到他们夫妇俩的实验确是一个“提供发现中子线索的非常奇妙的途径”.另外,约里奥·居里夫妇也非常重视实验仪器的作用,他们改进了威耳逊云室,提高了盖革-米勒计数器等工具的性能.1934年1月19日,他们在用钋产生的α粒子轰击铝箔时,发现若将放射源拿走,正电子的发射也不立即停止,铝箔保持放射性,辐射像一般放射性元素那样以指数律衰减.它们发射出中子和正电子,最终生成放射性磷.用同样的方法他们还发现了其他一些人工生成的放射性物质,此即人工放射性.这些实验现象的观察和捕捉没有精密的实验仪器是做不到的,因而人工放射性的发现与他们运用精密的仪器进行缜密的观察是分不开的.3.6人工物质与“意外”人类对客观世界的认识过程是曲折复杂的,科