居里夫人的镭,法国物理学家贝克勒尔发现了天

  58. 安托万·亨利·贝克雷尔
[美]迈克尔·H·哈特 著 苏世军 周宇 译

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1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利。贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel ,1852 -1908),以表彰他发现了自发放射性;另一半授予法国物理学家皮埃尔。居里(Pierre Curie ,1859 -1906)和玛丽。斯可罗夫斯卡。居里(Marie Sklodowska ,1867 - 1934),以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献

1896年1月20日,法国物理学家贝克勒尔发现了天然放射性现象,这标志着原子核物理学的开始。他也因此和居里夫妇一起获得了1903年的诺贝尔物理学奖。

公元1852~公元1908

居里夫人

亨利·贝克勒尔是法国科学院院士,擅长于荧光和磷光的研究。1895年底,伦琴将他的初步通信:《一种新射线》和一些 X射线照片分别寄给各国著名的物理学家,其中包括法国的庞加莱(H.Poincare)。庞加莱是著名的数学物理学家、法国科学院院士。1896年1月20日法国科学院开会,他带伦琴寄给他的论文,并展示给与会的科学家。这件事大大激励了亨利.贝克勒尔的兴趣。他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,文章有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很受鼓舞,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,他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翳。他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,也作出同样的实验,证明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。

安东尼·亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel)于1852年12月15日生于巴黎,出身于一个有名望的学者和科学家的家庭。他的父亲亚历山大·爱德蒙·贝克勒尔是位应用物理学教授对于太阳辐射和磷光有过研究。他的祖父叫安东尼·塞瑟,皇家学会会员,是用电解方法从矿物提取金属的发明者。1872年贝克勒尔进入综合工艺学院,后来在1874年进入登塞特夏萨斯地方政府任职。1877年成为工程师,1894年晋升为总工程师。1888年.他取得了科学博士学位。从1878年起他被任命为自然历史博物院的助教,继承了他父亲在艺术工艺学院的应用物理学讲座。1892年贝克勒尔被任命为巴黎博物院自然历史部的应用物理学教授。1895年成为综合工艺学院的教授。

放射线的发明者安托万·亨利·贝克雷尔1852年出生在法国巴黎。他受过良好的教育,1892年获得博士学位。1892年他开始在巴黎自然博物馆担任应用物理学教授。说来也巧,他的祖父和父亲先前都曾担任过这种职务,而后来却都成为内科医生。再后来他的儿子也有过这样类似的经历。1895年贝克雷尔成为巴黎综合工科学校的物理学教授。1896年就是在这所学校他做出了使他成名的伟大发现。

1895年在科学史上是很重要的一年,在这一年的12月,德国物理学家伦琴发现x射线。第二年3月,法国物科学家贝克勒尔,又由于研究x射线,而发现了铀的放射性。正是这一年,玛丽以第一名的成绩通过了教师资格考试。1897年怀孕的玛丽·居里完成了论文《淬火钢的磁特性》。这个研究,告一段落之后,30岁的玛丽,面临着需要找一个合适的博士论文的研究课题。对于一个科学工作者来说,能否选择正确的研究课题是至关重要的。有人说方向选择对了,就成功了一半,这话很有道理。

贝克勒尔这一结论并不正确,一次偶然的机遇使他作出了真正的发现。

贝克勒尔的早期工作集中于光的平面偏振、磷光现象和晶体对光的吸收。他还研究过地磁问题。1896年由于他发现了天然放射性现象,而使他早年的研究工作退居次要地位。贝克勒尔在与H.彭加勒讨论了一次新近由伦琴发现的辐射及在真空管子中同时产生磷光的现象之后,他决定去研究在X射线与天然发生的磷光之间”是否存在任何联系。他从父亲那里继承有一些钠盐。钠盐的磷光可以用来曝光。当他把铀盐放近被不透光的纸包封着的照相底片时,发现照相底片被曝光。这种现象对于所有试验过的铀盐来说都同样存在,因此他得出结论说,这是铀原子的一种特性。后来,贝克勒尔证明,这种射线是铀放射的。这种射线在很长一段时间以它的发现者的姓氏命名。这种射线可使气体电离,但它不同于X射线,能被电场或磁场偏转。贝克勒尔因发现天然放射性而获得1903年的诺贝尔物理学奖的一半,另一半奖金授予皮埃尔·居里夫妇,奖励他们对贝克勒尔射线所作的研究。

永利402com官方网站,1896年前,伦琴发现了X射线,在科学界引起了巨大的轰动。伦琴用阴极射线管产生出X射线。贝克雷尔考虑到通过普通太阳光对磷光物质的作用是否也可以产生X射线,他的实验室里有一些硫酸钾铀晶体,他知道这是一种磷光化合物,于是就决定利用它做下列实验:首先把一张照像底片用一种很厚的黑纸包起来,以确保可见光照不到底片上去,随后把磷光晶体放在包好的底片上并使其暴露在阳光下。结果他后来洗底片时发现了上面有晶体的图像。

19世纪末的那几年,在物理学家面前展现了一个光怪陆离、变幻莫测的神奇世界,同时也令全人类为之眼花缭乱。英国物理学家汤姆逊发现的电子,使原来认为原子是不可分的最基本的物质单位的传统科学信条发生了动摇。法国物理学家贝克勒尔发现的铀元素的质量在天然辐射中减少的现象,也动摇了物质质量不能自行改变的信条。经典物理学认为原子如果存在的话,就一定是最小而又不能再分割的粒子,而铀原子却能不断的放射出一种射线来,那么原子不是仍然可以分割的吗?更使人迷惑不解的是,铀盐可以不断的放出射线来,而射线又是带有能量的,那么这个能量是从哪儿来的呢?如果是这样,那么能量守恒定理岂不是也要发生动摇了吗?

起初贝克雷尔认为他成功地发现了一种新的X射线源。后来他偶然发现这种铀化合物即使不首先暴露在可见光下,也会发出有穿透能力的射线。有一天,天空乌云密布,贝克雷尔已无法准确地重做他的实验,于是就把实验物质──磷光晶体和仔细包好的照相底片放在一个抽屉里,这就没有首先使晶体暴露在阳光下。可是几天后他又决定冲洗这未用的底片,出乎意料的是底片上有一个晶体图像。

30岁的玛丽·居里正在选择她的博士论文,为了寻找有吸引力的课题,她把近几年的科学期刊,差不多翻了个遍。在翻阅大量的文献过程,她对贝克勒关于由射线的论文产生了兴趣,由于射线神秘兮兮,谁也弄不清楚它的能量是从哪儿来。受对未知事物探究内心冲动的驱使,玛丽·居里觉得这个问题很有研究价值。她选择这个课题,还有一个原因,贝壳勒尔的发现,尽管引起了很大的轰动,但接下来的研究工作并没有取得普遍的重视,因此选择这个课题研究成功的可能性比较大。

显然这里所牵涉的物质不是普通的磷光物质。贝克雷尔做出明智的决定,放弃原来的计划,开始研究偶然遇到的这种奇怪现象。他很快就发现由铀盐放射出的射线不是X射线,一时被称为贝克雷尔射线。贝克雷尔还发现这种新型射线可由任何一种钠盐放射出来,而不仅仅是他最初研究的那种放射。事实上他发现金属铀甚至也具有放射性。由于放射线与铀的化学形式毫无关系,因而贝克雷尔认识到放射并不是一种化学原因而一定是铀原子本身所具有的一种性质。

1897年底,玛丽.居里在比埃尔·居里的帮助下,在理化学校找到了一间小房间,建立了她第一个独立的实验室,开始玛丽只是重复贝克勒尔做过的实验,在重复实验当中,她做了一个很关键的改动。为了更精确的观测铀射线的强度,她没有采用贝克勒尔使用的底片感光的方法,而是采用比埃尔·居里和他的哥哥雅克·居里共同发明的压电石英静电计,来精确测定铀射线的强度。贝克勒尔是根据底片感光程度,或者验电器金属箔下垂的快慢,来猜测铀射线的强度,这些方法根本无法做到定量的控制和测量。

1896年贝克雷尔就所发现的现象发表了七篇科学论文。一些科学家读后产生了兴趣,并随后就一些课题做了补充研究,玛丽·居里就是其中之一。她很快就知道钍元素也具有放射性,与丈夫皮埃尔合作,还发现了两种以前不知的元素──钋和镭,两者都是放射性元素(附带一句,是居里夫妇首先使用“放射”一词来描述这种现象的)。

贝克勒尔已经发现铀天然放射性的三种效应,能够使照相底片感光,可以使气体分离,对不同物质有不同的穿透力。他采用的测定方法无法做到定量的分析,使他忽略了后两种效应。玛丽·居里的高明之处,在于它的方法,利用了放射性的电离效应,可以通过补偿法精确测出铀射线的强度。

其他科学家,其中包括欧内斯特·卢瑟福和弗雷德里克·索迪也对放射现象进行过研究,结果很快发现贝克雷尔射线是三种性质不同的射线。科学家把它们命名为α射线,β折射线和γ射线,并开始研究它们各种不同的特性。

1882年当玛丽还只有15岁,她在一所公立高中念书的时候,23岁的比埃尔·居里已经被任命为巴黎市理化学校物理实验室的主任。比埃尔的哥哥雅克·居里也非常喜爱物理,他在1880年发现了晶体的压电效应,就是石英、电气石、酒石酸钾钠等不对称的晶体,在外力的作用下,因为极性而使两端表现出电势差的现象,这就是晶体的正压电效应。后来比埃尔加入到雅克的研究当中,继续进行这个实验,又确定了产生压电效应的条件和变化的规律。1881年发现了这一效应的逆反应,也就是逆压电效应,他们还根据压电效应制造出非常精密的静电计。这种静电计可以准确的测量非常微小的电量,被称为压电石英静电计。

但是令人对射线格外感兴趣的问题是其所含的能量。放射性物质显然会释放出巨大的能量,看来能量除可能来自原子内部以外别无它处。这非常令人吃惊,因为在发现放射现象以前,没有谁认为原子含有大量的能量。

在认识玛丽之前,比埃尔已经有了许多卓越的发现,比如用他的名字命名的居里精密天平,居里定律,居里温度等等,这些概念对磁学的研究,至今仍然非常重要。比埃尔和雅克发现了晶体的对称性和电压现象之后,又独立推广了对称原理,把它应用到许多物理现象当中,比埃尔也是第一个把群论的概念引进到物理学领域的人。

1903年贝克雷尔与皮埃尔和玛丽·居里一起获得诺贝尔物理奖。他于1908年在德国格瓦济城逝世。

利用压电石英静电计,玛丽经过非常细致和耐心的测量,得出一个重要的结论:铀射线的强度与铀化合物当中铀含量成正比,与铀化合物的组成无关,也不受光照、加热和通电等因素的影响。这个结论进一步证实了贝克勒尔“铀射线的发射是一种原子的自发过程”。

有几个理由可以说明放射线是重要的。第一,它有好几种直接的实际应用,例如,有时用来治疗癌症;第二,放射线在科研上是一种很有用的工具,它可使我们获得原子核结构的信息;放射性追踪物用于生物化学研究;放射测定日期是考古学和地质学研究的一项重要工具。但是放射线所带来的最最重要的意义是它的存在清楚地表明了原子内部潜藏的巨大能量。在贝克雷尔做出发明以来的五十年中,就发明了在瞬间释放出大量原子能的技术(落在广岛上的那颗原子弹是用铀制造的)。当然核反应堆可以控制原子能以较慢的速度释放出来。

1898年初,玛丽发现除了铀之外,钍也是一种放射性元素,正是这个发现,玛丽决定把研究的范围扩大到铀和钍以外的化合物,包括测试大量的自然矿石。她缜密的逻辑思维能力,使她产生了一个更大胆的设想,既然放射性是一种原子的特性,那么更强的放射性就意味着有新的元素存在。同样量的铀盐和含铀的沥青相比较,含铀的沥青放射性强度要比纯铀盐要强4倍多,这说明含铀盐的沥青中还含有其它新元素。

贝克雷尔在这本一百个最有影响的人物名册中应排在什么位置上呢?当然把发展核动力和核武器的全部功劳都归于贝克雷尔是不完全合情合理的,因为许多人都为此做出了贡献,但是贝克雷尔对放射线的发现是在科学史上引起重大发展的发现之一。事实上贝克雷尔与雷汉胡克非常相似,正如雷汶胡克在一滴水内发现了一个难以想象的崭新的微生物世界一样,贝克雷尔在原子内部发现了一个意想不到的崭新世界。两人都是在无意中做出了各自的发现,但是他俩以前若不是一直都在做认真的研究的话,就谁也不会有各自的伟大发现。

玛丽的研究工作,除了生孩子那几天外从来就没有间断过,既然她已经确信有了新的放射性元素存在,那她就一定要把这种新元素给找出来。玛丽生活的时代,人类总共发现了大约80种元素,每种元素的发现都使它的发现者在科学史上千古留名,如果她能够使元素的大家族再添上一种,这是多么有价值,多么吸引人的事情啊!

虽然两个人的类比很相近,但是把贝克雷尔远排在雷汶胡克之下看来显而易知。微生物和微生物知识在人类事物方面所起的作用已远远超出了放射线和原子能所起的作用。

玛丽知道要先从矿石当中提炼出带放射性的微量元素,无异于大海捞针。他和比埃尔采用的方法是以放射性为基础,采用分步结晶的方法,从沥青铀矿当中分离出新的放射性物质,她先用静电计测定出沥青铀矿当中矿石成分具有的放射性强度,在以此为线索追踪放射性元素隐藏在什么成分当中。

但是我认为贝克雷尔比在制造原子弹中起到更直接作用的人中的任何一个(如果利克·费米)都要重要得多。1895年以前,没有谁在理论上证明竟会有放射现象确实存在。但是这个关键性的发明一经做出,这个领域随后的进展在一定程度上似乎是不可避免的。

结果,他们发现放射性很强的化合物,不是一种,而是两种,其中,一种是沥青铀矿当中含钡的化合物,另一种是含铋的化合物。放射性强度不同意味有不同元素,如果他们没有猜错的话,这两种新元素当中的一种,应该隐藏在含钡的化合物里,而另一种新元素应该隐藏在含铋的化合物里。他们进一步确认,在含铋的化合物里,放射性不是出自铋本身,而是混合在铋内部一种极微量的元素。直到1898年7月的一天,他们终于在铋的化合物里,找到了期待已久的新元素。玛丽建议把新元素起名为钋,以此来纪念她的祖国波兰。

1898年,当时人们对放射性的认识还很肤浅,不相信可以用放射性的方法,来寻找和确定新的元素,科学家们一味坚持必须要用元素的特征光谱,来确定是否是新元素。

在法兰西科学院,1898年12月《论文汇编》上刊登了一则报告,报告中有一段话:“我们有充分的理由可以得出以下结论,这种放射性的新物质里含有一种新元素,我们给他定名为镭。”提出了镭,并不等于已经看见了镭。为了把钋和镭展现在不相信的人们面前,为了向全世界证明他们确实存在,居里夫妇还要付出长期的、艰苦的、代价高昂的努力。

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藏有钋和镭的沥青铀矿是一种贵重的矿物,在奥地利,一个提取玻璃工业铀盐的矿场里就有这样的矿物。他们预料,沥青铀矿在提起铀之后,矿渣当中所含有的微量元素钋和镭也许还会原封未动。于是,在一个奥国同行的帮忙下,他们得到奥地利政府同意馈赠的一吨铀矿的残渣。

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分离含铀的沥青矿碴

从1898年到1902年,这四年当中,居里夫妇就在简易的棚子里,点火熔化,过滤沉淀,倒出来再熔化,再过滤再沉淀……。后来居里夫人采用自己独创的分步结晶法,来完成最繁重的那部分工作,把每吨沥青残渣当中,提起10到20公斤的硫酸钡,再把硫酸钡变成氯化物,这些氯化物当中含镭量大约是万分之三,现在居里夫人可以从氯化物当中完成最后的结晶了。这四个寒暑,是居里夫妇英勇的岁月。镭似乎要与它最执著的发现者作对,不肯轻易露出它的面容。居里夫人被他极强的放射性所迷惑,以为在沥青铀矿的残渣镭里的含量可以达到百分之一,事实上并非如此,它的含量小的多,而且跟其他杂质密切的混合着,很难被离析。狡猾的镭把居里夫妇拖住了旷日持久的较量当中。

然而居里夫人是不会放弃的。比埃尔非常了解玛丽性格坚韧的程度。玛丽就是这样一种人,她想要做的事就要做到,她想离析镭就一定要把它离析出来。镭终于在顽强的对手面前屈服了!1902年,居里夫妇宣布镭可能存在之后的45个月,玛丽终于打赢了这场持久战,提炼出了一分克的纯镭,而且初步测定了镭原子量225.93。

在黑暗的棚屋里,镭宝贝就装在一只极小的玻璃容器里,它自动的发出蓝色的荧光。玛丽恍如进入梦幻般的世界,在那首次看到荧光闪耀的一晚,被永远铭刻在记忆中。

镭有它的特征光谱,有确定的原子量,而且有种奇异的特性,除了发光,镭的放射性强度是铀的几十万倍,一种新元素不容置疑的诞生了。他们付出巨大代价的新发现,奠定了一个新的学科,放射性学科。

自从门捷列夫发现元素周期律以后,科学界对于找到一种新元素,并用它来填补周期表上的空白,怀有极大的兴趣,并且把每一种新元素的发现,当作化学领域的一个重大进展。雷被称为革命家,是因为居里夫妇在提炼镭的过程当中创造了化学界离析提纯的一种新方法,放射性加上分步结晶法,这种方法对化学的发展具有重要的意义。居里夫妇不但最先发现了镭的辐射强度大大超过了铀,而且比埃尔还测出,一克原子镭每小时放出22.5千卡的热量。按数量级来计算这个热量,与一克氢气燃烧时产生的热量相等,这实际上是人类第一次测出的原子能。

这么显著的能量从哪里来!直到1905年,伟大的物理学家爱因斯坦提出,质量是物体当中含有能量的尺度,才得到问题的答案!

镭确实太不可思议了。

镭会自动产生一种特殊的气体,镭射线。这种活跃的射线即使在封闭的玻璃管里也会有规律的自我毁灭,很多温泉的水里就含有这种镭射线。

镭自动放热,它在一个小时内放出的热量也可以融化与它等量的冰,在不受冷气影响的情况下,它的热度可以使周围空气的温度升高10℃。

镭的神奇非常直观,它能够穿过黑色的纸在照相底片留下影子,也能使空气电离,使远处的验电器放电,能够使装它的玻璃容器成为紫色或淡紫色,能够把包裹它的纸或棉花一点点的腐蚀掉成粉末。

镭发出一种白天看不见的光,在黑暗里,一点点镭发出的光足以用来照明,它不但自己发光,还能使金刚石等不能发光的物体发出磷光,可以用来辨别金刚石的真假。

镭的放射是传染的,如果某种植物、动物和人靠近它,就会看到它传染的痕迹。

仅仅在几年前,人们还确定,物体是由永远不变的元素组成的。可是镭让所有的人都惊呆了,现在每一秒钟,镭粒子用极大的力量,把本身的氦气原子放射出去。玛丽把这种极小的惊人的爆发,叫做原子嬗变的激变。爆发后的残渣是镭射线的一种气体原子,这种气体原子又变成另外一种具有放射性的物质,这种物质又再次发生变化。这些放射性元素,作为这个家庭的一个成员,都是从她母体自动嬗变产生的。

镭是铀的子孙,钋是镭的子孙!

在永远的相同的周期内,每一种放射性元素会失掉它实体的一半,铀减去一半,需要几十万年,镭需要1600天,镭射气需要4天,镭射气的子孙只需要几秒钟。

1903年,诺贝尔奖颁发给一位弱不禁风的金发女郎居里夫人居里夫人,她是第一位获得该奖的女性,在男性占统治地位的物理学领域获奖,居里夫人令人肃然起敬!

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