《人類科學技術史-351》放射性的發現

放射性的發現

X射線是倫琴在進行陰極射線研究時發現的。而產生X射線時，放電裝置的玻璃管壁同時發出熒光，因此，人們曾一度誤以為熒光是X射線的來源。

1896年初，彭加勒(1854-1912)在法國科學院會議上展示了倫琴寄給他的關于X射線的論文和照片，并提出，被日光照射而能發熒光的物質也應發出一種不可見的、有穿透能力的、類似X射線的輻射。

法國科學家貝克勒爾(1852-1908)的父輩在熒光物質研究方面頗有成就，他對彭加勒的觀點產生很大興趣，并很快就著手進行有關的實驗。他用一種能發出熒光的鈾鹽——硫酸鉀鈾酰作實驗材料，把它放在用黑紙包嚴的照相底片上面，然后一起放到陽光下照射數小時。之后，黑紙包中的底片果然感光了，貝克勒爾認為，太陽照射使鈾鹽發出熒光，伴隨著熒光現象確實發出了射線使底片感光，而且這種射線可能就是X射線。

但不久以后，貝克勒爾準備用鈾鹽再進行一次實驗時，意外的結果卻推翻了他的設想。這次實驗恰好遇上連日陰雨，他只好把用黑紙包好的鈾鹽和照相底片放在一起，擱于室內。數天以后，他卻發現照相底片已強烈地感光了，上面留下鈾鹽包的像。貝克勒爾一開始認為，這一現象是因為熒光物質發出射線的期限比這種物質發出熒光的期限長的緣故。又經過反復的實驗，貝克勒爾發現，他實驗研究用的所有鈾鹽，不論是否發熒光，都能自發地產生一種射線，而且，這種射線不僅能使底片感光，還能使氣體電離。貝克勒爾這才悟出：鈾鹽發出的神秘射線與熒光現象并沒有關系。后來，他用純鈾粉作實驗，也得到同樣的結果。在1896年5月18日提交的報告中，他指出，所有研究過的鈾鹽，不論是發熒光的還是部分熒光的，結晶的、熔融的或是在溶液中的，都具有相同的性質，因此可以得出以下的結論：在這些鹽類中，鈾的存在是比其他成分更重要的因素。鈾鹽發出的射線曾被稱作貝克勒爾射線，后來被命名為α射線，它向人們揭示了一種天然的放射現象。

貝克勒爾對鈾射線的性質又作了一些研究之后，認為對這種射線已了解得比較透徹了，便離開了這一課題。他沒有再研究其他物質是否也具有這種自發放出射線的性質，也沒有對鈾射線的本質再作深入的探討。

然而，貝克勒爾的研究工作卻引起另外兩位科學家的興趣。他們是居里夫婦——波蘭物理學家瑪麗.居里(1867-1934)和法國實驗物理學家皮埃爾.居里(1859-1906)。正是他們把物質的這種自動發射出射線的性質稱為"放射性"。居里夫人原名瑪麗.斯科羅朵夫斯卡，1867年11月7日出生于波蘭一個中學教師的家庭，1891年到法國巴黎，在艱苦的生活條件中勤奮求學。她曾兩次榮獲諾貝爾獎，是科技史上最杰出的女科學家之一。

1898年，居里夫人首先研究了貝克勒爾關于鈾射線的報告，并重復了鈾的放射性實驗。經過努力的探索，她認識到鈾鹽的這種放射本領是鈾原子的特性。她決定探索別的元素是否也有這種天然的放射性質。于是，她檢查了所有的化合物，不久便發現，釷的化合物也能自動發出與鈾射線相似的射線，而且強度也差不多。之后，她的檢查范圍由鹽類和氧化物等簡單化合物，擴大到對礦石特別是瀝青鈾礦和輝銅礦等。她發現，這些礦石中的放射性，比根據鈾或釷的含量計算出來的要強得多，經過反復驗證后，她確信，礦石中一定含有一種比鈾的放射性還要強的元素。

居里夫人的研究太重要了。皮埃爾.居里決定暫時停止他在晶體方面的研究，和妻子共同探索這種元素的存在。他知道，要從成噸成噸的瀝青鈾礦中，濃縮分離出放射性元素，需要付出非常艱苦繁重的勞動。夫婦倆廢寢忘食，晝夜不停地開始尋找新元素的工作。他們原以為，新的放射性元素在礦石中的含量約百分之一，后來才知道，這種礦石的最富礦含新元素也不到百萬分之一，也就是說，成噸的瀝青鈾礦中僅含有一克這種新物質。

1898年7月，他們終于克服種種困難，分析出了這種類似鉍的物質，其放射性比鈾強400倍。7月18日，居里夫婦把新的發現報告給法國科學院。他們命名這種新的放射性元素為釙(Polonium），以紀念居里夫人的祖國波蘭。居里夫人自幼熱愛祖國，到法國求學并與皮埃爾.居里結婚后便定居法國，但她時時刻刻懷念著被沙皇俄國侵占的祖國。她用自己的科學成就為祖國贏得了榮譽。

接著，居里夫婦經過幾個月的不懈努力，從瀝青鈾礦所含的各種元素中又分析出一種新的放射性元素——鐳(Radium），其拉丁語原意就是"放射"。1898年12月，他們宣布發現鐳的消息，再次轟動物理學界。

鐳、釙等新的放射性元素的發現動搖了當時流行的物理學、化學的經典概念，有的人便對新元素持懷疑態度，而且當時尚未測出鐳的原子量。為了證實鐳的客觀存在，他們決心提煉出純的含鐳物質，并測定出鐳的原子量。為此，居里夫婦用了三年時間，進行了極其艱苦勞累的工作，終于從瀝青鈾礦中提煉出了0.1克純氯化鐳，并初步測得鐳的原子量為225。他們分析了鐳的光譜，確定了鐳的放射性強度是鈾的200多萬倍，發現這種物質燒灼皮膚，可摧毀帶病的人體細胞。鐳、釙等放射性元素的相繼發現是對科學的重大貢獻。1903年，居里夫婦和貝克勒爾同獲諾貝爾獎。

繼鐳之后，又陸續發現了一些新的放射性元素，促使人們對放射性的本質作更深入的研究。當時在加拿大工作的英國物理學家盧瑟福(1871-1937)，從1899年起就開始研究這一方面的問題。盧瑟福出生于新西蘭一個手工業工人家庭。1895年，大學畢業后，在英國劍橋著名的卡文迪許實驗室實習。當時領導這個實驗室的是卓越的物理學家J.J.湯姆遜，后由他推薦，盧瑟福于1898年到加拿大麥基爾大學任物理學教授。1907年，被聘為英國曼徹斯特大學教授，1918年，接任了卡文迪許實驗室負責人的工作。盧瑟福是實驗大師，同時又非常注重科學理論，是理論與實踐結合并卓有成效的科學家。

盧瑟福在研究新的放射性元素發出的射線時發現，射線由兩種不同的部分構成，一種貫穿本領小，另一種貫穿本領大而且能被磁場偏轉。這兩部分射線后來被命名為α射線和β射線，構成射線的粒子分別被稱為α粒子和β粒子。

1899年至1900年，有三個重要實驗分別證明了β射線是高速運動的電子，其荷質比與陰極射線粒子的荷質比有相同的數量級。

關于α射線的本性，人們探索了多年，直到1909年，根據光譜分析才確認其為帶正電的二價氦離子。

1900年4月30日，法國化學家維拉德(1860-1934)宣布，他在放射性元素發出的射線中發現了另外一種貫穿本領極強但不被磁場偏轉的射線——γ射線。1914年，盧瑟福根據晶體對γ射線的衍射實驗，證明了γ射線是一種電磁波輻射。

盧瑟福根據大量放射性現象，大膽提出了"放射性衰變"的理論，在總結鐳和鈾的放射性衰變規律的基礎上，提出了放射性物質衰變過程所遵守的指數定律。他的研究工作得到了英國青年化學家索迪(1877-1956)的合作。他們認為，放射性現象是原子自行衰變的過程，在這種過程中，一種元素的原子可以轉變為另一種元素的原子，同時釋放出α射線、β射線及γ射線。

1913至1914年間，索迪的研究證明，一切放射性元素都要變成穩定的元素鉛，進一步為放射性理論提供了可靠的證據。

人們還發現，鐳不僅能自發地產生輻射，而且還自發地釋放出熱量。盧瑟福和索迪的研究指出，這些能量是來自原子內部的，其之巨大，是化學能所無法比擬的。

放射性現象的發現和放射性理論的產生對傳統觀念和經典物理學的某些定律產生了巨大的沖擊。放射性元素自發放出熱量沖擊著經典熱力學定律；放射性元素可以自發輻射并轉變成另一種元素，沖擊著元素永恒不變、一種元素不可能變成另一種元素的傳統觀念。

電子的發現告訴人們，原子中還包含著更小的物質微粒；X射線雖然是電磁波，但它似乎也只能發自原子內部，這些已經向舊的原子觀發出挑戰，而放射性現象的發現及放射性理論的建立，更是嚴重動搖了"原子是物質的不可分的基石"的觀念。勞厄在其著作《物理學史》中指出，幾乎沒有任何東西象放射性那樣對原子概念的變化有那么大的貢獻。物理學的這些重大發現打開了微觀世界的大門，揭開了經典物理學向微觀領域的現代物理學邁進的序幕。