天然放射现象的发现.doc

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（ABrongniart）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、天然放射性的发现图8-3为亨利贝克勒耳在实验室中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，18541912）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。图8-4为铀盐天然放射曝光获得的第一张照片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图8-5为居里夫妇在实验室中 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保持20年高