第三章 一、放射性的发现

虽然原子核似乎与人类所操心的东西离得很远，但是技术已经开发了原子核的巨大力量。力量永远是既有危险又有机会的，要由我们大家来判定它的使用是否明智。

——阿特·霍布森[1]

1942年12月2日下午，由物理学家费米主持建造的世界上第一座人工核裂变反应堆，在美国芝加哥大学实现了可控核裂变链式反应。这在人类历史上第一次揭开了利用核能的篇章。

今天，核电站已经成为能源宝库的一颗明珠。

古希腊和中国的古代思想家都曾提出，世界上的万物都是由极其微小的原子构成的。但是，原子是什么样的？它有没有内部结构？直到19世纪末以前，仍然是一个不解之谜。

《格列佛游记》[2]中有下面这样一段描写。大人国的人们把他们国王的公主称为第一美女，在这些长着硕大眼睛的人们看来，公主的面容光洁润滑，艳若天仙。但是，长着更为精细眼睛的格列佛却看到，粗大可怖的汗毛孔布满公主的面庞。由此人们想到：或许人体的感官与原子相比过于庞大，因此人们只能在想像和理论中谈论原子的存在，而无法瞥见它的真面目？

不过，只要原子是真实存在的，就会以多种方式把自身的信息透露出来，考验着人们破解自然奥秘的智慧。

科学行动了！19世纪末以来，科学帮助人们安装了更加精细的“眼睛”、更加精细的“手臂”，使人能把各种精巧的认知“探针”打入原子的世界，揭开原子的面纱。

1897年，通过阴极射线的实验研究，人们捕捉到了从原子中逸出的电子。进一步的实验和理论研究，终于使人们弄清楚了原子结构的具体景象：带负电的电子在“巨大”的原子空间里围绕着带正电的又小又重的原子核高速运动着。另一方面，以X射线的发现为诱因，人们发现天然放射性，这又使人类认知的探针插入到原子的核心——原子核，并逐渐揭示了原子核的结构和原子核的种种神奇变化。这使人们在从宏观到微观的漫长探究道路上，迈出了极为重要的一步，并把人类社会推进到了核能时代。这是科学的胜利。

核物理学发展起来的时间还不很长，我们沿着历史的脚步来学习原子核的知识是有意义和有趣的。这一章我们来讨论人们用什么方法认识了原子核的结构和原子核变化的规律，还要讨论与现代社会生活密切相关的核技术问题。

X射线的发现

1895年11月8日，德国科学家伦琴在研究阴极射线的实验中发现了一种意想不到的现象。当时，为了防止可见光的影响，他用厚厚的黑纸把放电管包裹起来。在暗室中伦琴发现放电管放电时，距它1 m外的涂有氰亚铂酸钡的荧光屏发出了微弱的荧光。这使他十分惊奇，因为没有办法解释发出可见光的原因。他推断，看到的荧光可能是一种未知的射线引起的。

伦琴在进一步研究中发现，这种射线能够穿透上千页书、2～3 cm厚的木板、几厘米厚的橡胶板……只有1.5 cm以上厚度的铅板才能把它挡住，可见，这种射线具有很强的穿透力。

1895年12月28日，伦琴发表了论文，初步总结出新射线的一些性质：直线传播，不被玻璃棱镜反射和折射，也不被电场或磁场偏转；所有物体对新射线几乎都是透明的，能显示放在盒子里的砝码，能显示人手骨骼的轮廓；可使荧光物质发光，可使照相底片感光。

伦琴无法确定新射线的本质，就把它称为X射线（X-ray）。直到1912年，才由德国物理学家劳厄判定，X射线是频率极高的电磁波。

X射线发现后，欧洲和美国的一些实验室立即重复了伦琴的实验。当时的科学杂志和报纸发表了大量有关X射线的文章，有的还刊登了伦琴夫人手掌的X光照片。医院里纷纷装配X射线管用来给病人做检查，甚至有些人在客厅安装一台放电管，在客人面前表演X射线透视。可以说，伦琴的发现引起了世界性的狂热。

尽管X射线并非来自原子核的内部，但是X射线的研究导致了天然放射性的发现，为研究微观物质的结构开辟了一个新的时代。

科学漫步

从透视到CT

1895年伦琴发现X射线后，很快就在医疗上得到应用。直到今天，X射线仍被用于身体的透视检查，是医学诊断的重要手段。同时，X射线还被用来治疗某些疾病，如用一定强度的X射线治疗皮肤癌。

用X射线进行的医学诊断可以分为X射线透视与X射线摄影两类。进行透视时，将患者被检查的部位置于X射线管与荧光屏之间，直接通过荧光屏进行观察，还可以使患者转动，从不同的角度进行观察。透视的突出优点是可以立即得到检查结果，缺点则是没有记录结果可供对比，对微小病灶的分辨力也较差。透视时患者所接受的辐射剂量也要比摄影拍片多，医生在检查时也会受到X射线的照射。

近年来X射线透视有了很大的改进。摄像管取代了荧光屏，摄像管得到的信号经加工后在显像管映出。这样，医生可以在其他房间观察，避免受到照射。由于摄像管的灵敏度很高，所用X射线的剂量可以小得多，病人也就避免了大剂量照射可能产生的损伤。还有一个好处：X射线能够透过不太厚的木板、塑料等，可以用这些材料把摄像管包起来，于是病人做透视就不必到黑屋子里去了。

要把透视的情况保存起来，就要用X射线摄影了。记录在胶片上的影像可供以后研究或与过去的情况对比，以了解病情的变化。

不过，严格说来，无论透视还是摄影，得到的都是人体在X射线下所成的“影”，各层组织的影前后重叠，有些被遮挡的病灶无法清晰显示。为了克服这一缺陷，1972年，CT技术问世了。CT是“电子计算机断层成像”的英文名Computed Tomography的首写字母。进行CT检查时，X射线源和摄像管从多个角度对所摄部位进行拍摄，得到多幅影像，然后由计算机分析这些影像，得到人体的一幅幅断层照片。

需要注意的是，人体组织经X射线照射会产生电离，导致某些蛋白质、酶等发生变化，在细胞水平上引起损伤和病变。所以，接触X射线时必须采取防护措施。一般用铅板、铅玻璃屏蔽X射线，也可采用含铅的橡胶制品做个人防护用具。

天然放射性的发现

X射线的发现打开了一个全新的研究领域，引起许多科学家的兴趣与关注，人们纷纷开展了对这种射线本性的深入研究。

1896年初，法国物理学家贝克勒尔想到X射线可能与荧光有关系，就开始了这方面的研究。他选择了在日光照晒下能发出荧光的铀盐——硫酸钾铀酰做实验材料。他用黑纸把照相底片包住，放到这种铀盐的下面，在阳光下曝晒几个小时，底片显影后，发现了铀盐在底片上的黑色轮廓，表示底片已经感“光”，“光”源就是这种铀盐。由于可见光不能穿透黑纸，贝克勒尔认为，这种铀盐在阳光下除了能够发出荧光外，还能发射X射线，致使底片感光。

再次准备实验的时候遇到了几个阴天，贝克勒尔只好把准备好的铀盐和包好的底片一起放进了抽屉。几天以后，贝克勒尔在检查底片时意外发现底片又已经感“光”。这个事实使贝克勒尔认为铀盐本身能够发射一种神秘的射线，正是这种射线导致了底片感光。1896年3月2日，他在法国科学院例会上公布了这一发现。

他成长在研究荧光的世家中，前辈们注重收集实验资料，尊重客观事实的态度，帮助贝克勒尔面对偶然出现的现象很快做出正确的判断。他成为放射学的先驱，的确不是偶然的。

贝克勒尔进一步用不发荧光的铀化合物进行实验，发现也能使底片感光，铀化合物发出的射线也能像X射线一样穿透多种物质。他还发现，只要有铀元素存在，不论是什么化合物，就一定有这种贯穿本领很强的射线发出。贝克勒尔进一步指出，这种发出射线的能力是铀原子自身的性质。

对天然放射现象研究的下一个重大进展，是居里夫人做出的。1897年，她在撰写博士论文时选择了贝克勒尔发现的射线作为研究课题。居里夫人首先证实了铀盐发出射线的强度只与化合物中铀的含量成正比，而与化合物的成分无关，也不受光照、加热、通电等因素的影响。由此，她确认这一现象的起因在原子内部，并提出了“放射性”这个词，用来描写这一现象。

居里夫人还提出了一个重要的问题：是否还有其他元素也具有这种性质？她决定检查当时知道的所有元素，结果发现钍也发射类似的射线。

在对铀钍混合物进行测量时，居里夫人发现有的矿石混合物的辐射强度比已测到的铀和钍的放射性强得多，她大胆假定这些矿石中含有当时尚不知晓的放射性元素。

她和丈夫法国科学家皮埃尔·居里一起开始了一项艰苦的工作：从沥青铀矿中分离这种新元素。1898年7月，他们发现了一种放射性比铀强400倍的新元素，他们把它命名为钋（Polonium），以纪念居里夫人的祖国波兰。同年12月，他们又发现了放射性比铀强百万倍的镭（Radium）。

镭的发现再次轰动了科学界，但是也有人怀疑它的存在。为了排除这一怀疑，居里夫妇经过艰苦繁重的工作，在几万次提炼之后，终于在1902年从8t沥青铀矿渣中提炼出0.12 g纯净的氯化镭，确证了镭元素的存在。

射线到底是什么

放射性物质发射出的射线到底是什么？这个问题吸引了科学家的注意。发现了天然放射性之后不久，人们就发现，各种放射性元素发出的射线中包括α、β和γ三种射线。

人们让射线通过电场或磁场，观察射线是否由于电场或磁场的作用而偏离原来的方向。这种方法的依据是带电粒子在穿过电场或磁场时会受到力的作用。

把放射源（铀、钋或镭）放入用铅做成的容器中，射线只能从容器的小孔射出。在两块金属板之间加一个电场，实验结果如图3.1-3所示。放出的射线在电场中分解为三束，向左偏转较大的一束叫做β射线，中间不偏转的一束叫做γ射线，向右偏转较小的一束叫做α射线。

思考与讨论

假定几种射线都是粒子束，根据图3.1-3，你认为组成α射线、β射线和γ射线的粒子可能各带什么电荷？

人们又将三种射线射入磁场，它们的运动也不相同，如图3.1-4所示。

此外，这三种射线穿透物质的能力也不相同。把辐射强度减到初始值一半所需铝板的厚度如下表所示。

可见，α射线的穿透能力最弱，γ射线的穿透能力最强。

在多方面研究后确认：α射线是带正电的高速粒子流，粒子的电荷量是电子的2倍，质量是氢原子的4倍，实际上就是氦原子核。仅粒子的动能很大，速度可以达到光速的，很容易使气体电离，使底片感光的作用也很强。但是由于它跟物质的原子碰撞时很容易损失能量，因此它贯穿物质的能力很弱，在空气中只能前进几厘米，用一张纸就能把它挡住。

β射线是高速电子流，它的速度更大，可达光速的99%。它的电离作用较弱，贯穿本领较强，很容易穿透黑纸，甚至能穿透几厘米厚的铝板。

γ射线是能量很高的电磁波，波长很短，在10^-10 m以下。它的电离作用更小，贯穿本领更强，甚至能穿透几厘米厚的铅板和几十厘米厚的混凝土。

放射性并不是少数元素才有的。原子序数大于或等于83的元素，都能自发地发出射线，原子序数小于83的元素，有的也具有放射性。元素自发地放出射线的现象，叫做天然放射现象。

如果一种元素具有放射性，那么，无论它是以单质的形式存在，还是以化合物形式存在，都具有放射性，都能发射射线。由此可以断定，射线来自原子核。这说明原子核内部是有结构的。

问题和练习

1．X射线具有哪些性质？

2．α射线、β射线和γ射线各是什么粒子流？

3．对于人眼不能看到的射线，在研究它们的电磁性质时可以使用什么方法？

4．为什么说物体具有放射性表明原子核是有内部结构的？

5．存在射线的地方，你能看到如图3.1-5所示的标志。你在什么地方看见过这种标志？为了人身安全，在有这样标志的场所，应该注意什么？

发布时间：2018/5/21 上午11:14:02  阅读次数：5782