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              天然放射性的發現

              2006-04-14本文被閱讀過12755次[推薦][打印][保存][大字體][中字體][小字體]

              X射線引起的發現

                1895年,德國物理學家倫琴發現了X射線,他的工作開拓了一個新的研究領域,引起了科學界的極大震動。1896年初,法國科學家彭加勒(Henri Poincare,1854-1912)收到倫琴寄給他的論文預印本和有關照片,他在1896年1月20日的法國科學院每周例會上展示了這些資料。法國科學院院士貝克勒爾出席了這次會議,他立即對新發現產生了興趣。他問彭加勒:射線是從陰極射線管的那一個區域發出的?彭加勒說,X射線看來是從管子正對著陰極的區域發出的,就是玻璃管發出熒光的區域。貝克勒爾受到啟發,他提出這樣的猜測:X射線和熒光之間可能存在著某種聯系,能夠發出熒光的物質可能同時也可發出X射線?茖W院例會之后,貝克勒爾立即動手進行實驗來檢驗他的猜測,此后幾周內進行的一系列實驗導致了天然放射性的發現。

              物理學世家

                要研究熒光現象,貝克勒爾有得天獨厚的條件。貝克勒爾家族是一個物理學世家,而這個家族對磷光和熒光有特殊的興趣,作過長期廣泛的觀察研究。亨利·貝克勒爾的祖父和父親都是杰出的物理學家,法國科學院院士。他的祖父是法國最著名的高等學!屠瓒嗫凭C藝學院的第一批畢業生,后來成為巴黎皇家自然博物館的教授,以后當了館長。祖父一生勤奮研究和著述,他寫了529篇論文和6部教科書。他曾經研究過熒光和磷光現象,在他的書中有兩本詳細地論述了磷光。亨利的父親跟隨了亨利祖父的足跡,從多科綜藝學院畢業,在博物館成為父親的助手,后來成為那里的教授,他主要研究光的化學作用,也是熒光方面的專家,他特別了解的物質是鈾。他設計了一個熒光計,測量了在不同光的作用下熒光的強度和壽命。到倫琴發現X射線的時候,亨利自己已經繼承了自然博物館的教授職務,成為這個家族的第三代自然博物館館長,他同樣對熒光和磷光現象進行了大量的研究,發表過多篇論文。后來,亨利又把這一職位傳給了兒子。這四代貝克勒爾都是有成就的物理學家,在1828年到1908年的80年間總有一個,有時是兩個貝克勒爾在法國科學院當院士。

              貝克勒爾射線

                正因為有這樣的背景,所以聽了彭加勒的介紹后,亨利·貝克勒爾馬上提出了X射線與熒光的關系問題。彭加勒報告后的第二天,貝克勒爾就開始了實驗,實驗是這樣設計的:把照相底片用黑色的厚紙包嚴,使其不受陽光的作用,但可以受到X射線的作用,因為倫琴已經證明X射線可以穿過厚紙包層使照相底片感光。在照相底片包封附近放兩塊能發出熒光的材料,其中一塊用一枚銀幣與紙封隔離,然后把他們拿到陽光下暴曬,使材料發出熒光。如果發熒光的物體可以產生X射線,那么底片上將留下明顯不同的感光痕跡。貝克勒爾家中收藏有大量可以發出熒光和磷光的物質材料,他把它們分別拿出暴曬,進行實驗。貝克勒爾最初的實驗得到的結果是否定的,照相底片沒有感光,發熒光和磷光的物質并不同時發射X射線。這時,彭加勒在《大眾科學雜志》上發表了一篇文章,文中提出:“是不是所有熒光足夠強的物體都會同時發射光線和倫琴的X射線,而不管引發熒光的原因是什么?”這個看法促使貝克勒爾再次投入實驗,以弄清熒光與X射線之間是否卻有必然的聯系。

                貝克勒爾重新開始實驗,他選擇了一塊硫酸軸鹽,這次他發現照相底片感光了。1896年2月24日,他向法國科學院報告了這一發現,認為X射線與熒光有關。他在報告中說:“我用兩張厚紙包住一張照相底片,包得如此之厚以致在太陽下暴曬一整天也不會有霧狀出現。我在紙上放了一層磷光物質,把整個東西放在太陽下幾小時。在我將底片顯影時,我看見了磷光物質在底片上的黑色輪廓……我可以再試做這同樣的實驗,在磷光物質和紙之間放一塊玻璃,這樣可以排除當磷光物質被太陽光照熱后可能會有蒸汽,從而發生化學反應的可能性。因此我們可以從這些實驗得出這樣的結論:該磷光物質能發射出穿透不透光的紙的輻射……”貝克勒爾還用發射光和折射光反復進行實驗,都得到同樣的結果。

                看來,貝克勒爾已經找到了他所猜測的X射線與磷光物質之間的關系,但是他并沒有中止他的實驗。2月26日當他進一步做實驗時,恰遇上一連幾個陰天,他無法將實驗材料暴曬,不能進行實驗,就把軸鹽和密封的底片一起放進了抽屜。3月1日,太陽在天空中出現了,他準備繼續這個實驗。一向嚴謹細心的貝克勒爾取出底片,想預先檢查一下,沖洗了其中的一張,他意外地發現底片已經暴光上面又有很明顯的軸鹽的像。貝克勒爾來不及進行全面的研究,第二天,3月2日又是科學院舉行例會的時間,貝克勒爾作了新的報告。他說明他前一次的報告有誤,即使不在陽光下曝曬,鈾鹽能夠自身發出一種神秘的射線。這才是貝克勒爾的真正科學新發現。貝克勒爾在報告中說:“因為太陽幾天都沒露面,所以我在3月1日才把照相底片顯影,本指望看到非常微弱的影像。但恰恰相反,一個極度深的黑色輪廓出現了。我立刻想到這一反應可能在黑暗中也能進行!必惪死諣柕陌l現當時被稱為“貝克勒爾射線”。

              “命中注定”的發現?

                此后貝克勒爾集中精力對鈾元素和鈾的化合物進行研究,進而發現,鈾鹽所發出的射線不僅能使照相底片感光,還能像X射線一樣穿透一切物質,能使氣體電離,引起驗電器放電。他還發現,溫度的變化、放電等對放射現象都沒有影響,各種鈾的化合物都具有這一性質,純鈾所產生的輻射比他所用的硫酸鈾鹽的輻射強3-4倍。于是,在1896年5月18日,貝克勒爾宣布:發射穿透射線的能力,是鈾的一種特殊性質,而與采用哪一種鈾化合物無關,它完全不受外界條件的影響,它的強度似乎也不隨時間衰減。

                在貝克勒爾的發現過程中,他先后作出過幾個錯誤的假說:第一,X射線是由發熒光的玻璃產生的;第二,其他發熒光的物體也會發出X射線;鈾鹽不發出熒光時也能發出X射線;第四;發出神秘射線只是鈾的一種特殊性質。英國著名物理學家瑞利勛爵曾說過:“一個如此奇妙的發現,竟然起因于一連串虛假的線索,這真是驚人的巧合?茖W史上大約很難再出現與這相似的發現!边@種巧合雖然另人驚奇,但是也不能因此就得出結論,認為是錯誤的假說導致了貝克勒爾的發現。事實上,是對在這些假說的實驗驗證中,發現了它們的不正確;是對它們的證偽,才有了新的發現和正確的認識。上述第四個假說,貝克勒爾一直沒有突破它,也就限制了他的研究工作的發展。貝克勒爾從X射線發現得到的最有價值的啟示是對肉眼看不見的射線的一種探測方法:它們可以穿過不透可見光的厚紙包層而使照相底片感光,他的X射線與熒光有關的假設雖然被否定了,但是,由于他運用了新的研究方法,由這個假說引導他去進行實驗探索,發現了一種肉眼看不到的新輻射。

                也很難就這樣說貝克勒爾的科學發現完全是偶然的。他的科學發現和他長期科學研究的積累有關,因為貝克勒爾家族已經有60多年研究熒光和磷光物質的歷史,而貝克勒爾又專長于對鈾鹽研究。如果說他遇到了機遇,那么對于發現來說,更主要的是他有能夠抓住這一機遇的本領。

                貝克勒爾射線的發現雖然這樣曲折,發現過程中又有偶然性因素在起作用,當時有人稱它是“命中注定”的發現,但是貝克勒爾的發現當時沒有引起科學界足夠的注意,科學家們還在繼續談論著X射線,世界著名大學和研究機構的實驗室都有陰極射線裝置,他們很容易就可以得到X射線,事實上,X射線早就在他們的實驗室里產生了,只是倫琴第一個發現和顯示了它的存在,科學家在重復倫琴的實驗,研究新射線的性質和用途,而聽任“貝克勒爾射線”的發現者獨自進行他的研究,不予理會。

              為科學而獻身

                貝克勒爾一直在繼續他的研究工作,但是他只是著迷于鈾,更確切的說是局限于鈾,由于他認為發出輻射是鈾的一種特殊性質,沒有認識到這種性質的普遍性,在對鈾作了全面的實驗研究后,貝克勒爾對這種新的射線的興趣逐漸減小了。1896年,貝克勒爾就鈾射線發表了7篇文章,1897年只有2篇,1898年連1篇也沒有,他認為這個課題已經沒有什么可研究的了,發現者成為了落伍者。貝克勒爾也沒有充分認識到他發現的深遠意義,這也影響了他的研究工作的深入發展,他并不知道放射性的來源。實際上,天然放射性是原子核的性質,貝克勒爾的工作已經使人類的認識向微觀領域又深入了一個層次,從對原子的認識進入到了對原子核的研究,這是人類認識史上劃時代的偉大發現。貝克勒爾已經開拓了新的研究領域,但是沒有能夠將已經開創的事業引向深入,沒有能追隨這一領域的科學發展。由于在長期著迷的研究中愛到放射性的傷害,貝克勒爾的健康受到了損害。1901年,貝克勒爾因內衣口袋里裝著居里夫婦提取的放射性元素樣品而被嚴重地灼傷,許多高級醫學專家為他會診也無能為力,只好勸他去療養。

                “可以去療養,但必須把我的實驗室搬到療養院去!必惪死諣栔惶崃诉@樣一個要求。實驗室是他的朋友,他的戰場,他通向科學圣地的階梯,他一生追求和心血傾注的地方,他怎么會舍得離開呢?他還有許多的課題要在這里研究,許多的心愿要在這里實現呢!

                但是,疾病無情,最后貝克勒爾實在支持不下去了,才同意去療養。1908年,在他獲得諾貝爾獎五年后,正當年富力強的時候,被病魔奪去了生命。 1908年8月25日貝克勒爾為科學獻出了他的生命,當時只有56歲。

              后繼有人

                將貝克勒爾的工作推向深入的是P·居里夫婦。1897年,M·居里夫人(Marie Curie,1867-1934)為獲得博士學位,選擇貝克勒爾射線作為研究課題。在對鈾鹽的放射強度進行測量之后,她打破貝克勒爾的局限,提出這樣一個問題:是否還有別的元素也具有這種性質。她系統地研究了當時已知的各種元素和化合物。1898年,她和德國科學家施米特(G.C.Schmidt,1856-1949)同時發現了釷也具有這種性質,她建議把這種性質叫做放射性。

                在對鈾和釷的混合物進行測量時,居里夫人觀察到有些鈾和釷的混合物的放射性輻射強度比其中鈾和釷的含量所應發射的強度高很多。她認為這些礦石中必定含有少量還沒有被發現的化學元素,同時這種元素具有放射性的。她的丈夫皮埃爾·居里 (Pierre Curie,1895-1906)也立即意識到這一研究的重要性,放下自己的研究課題,和M·居里一起投入到尋找這種新元素的艱巨的化學分析工作中。1898年,他們得到了一種新元素,為了紀念M·居里以被俄國占領的祖國波蘭,他們將這元素命名為釙,它的放射性比純軸強幾百倍。到1902年,通過45個月艱苦繁重的勞動,在數萬次的提煉后,他們從數噸瀝青軸礦渣中提煉出了0.12克的氯化鐳,初步測定了鐳的原子量是225,其放射形比軸強二百多萬倍,證實了鐳元素的存在。

                至此,天然放射性的發現和研究在科學界引發了一場真正的革命,開創了原子能研究的應用領域,使人類邁向了現代文明。1903年,居里夫婦和貝克勒爾同時獲得了諾貝爾物理學獎。

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