1903 年诺贝尔物理学奖——放射性的发现和研究

贝克勒耳像
皮埃尔 ·居里像
玛丽 ·居里像

1903 年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利·贝克勒耳(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·斯可罗多夫斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie,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。

放射性的发现

亨利·贝克勒耳在光学、磁学做过许多实验研究,1875—1882 年研究磁场对偏振光的旋转和地磁对大气的影响,1886—1888 年研究磷光晶体在红外线辐射下的激发现象。1896 年年初,由于伦琴发现 X 射线的激励,他开始试验荧光物质会不会产生 X 射线。然而,贝克勒耳最初的一些实验却是失败的。后来在彭加勒的提示下,改为试验荧光物质是否会同时辐射可见光和 X 射线,终于找到了铀盐有这种效应。1896 年 3 月 2 日法国科学院将举行例会,贝克勒耳准备报告自己的实验进展。他原想再作一些试验,可是 2 月 26 日、27 日连续阴天,见不到阳光。他只好把所有的器材放在抽屉里,铀盐也搁在包好的底片上。3 月 1 日,他下意识地把没有曝光的底片洗出来试试看。没有想到,洗出的底片和曝过光的一样黑。这一发现使他恍然大悟,原来铀盐的辐射在黑暗中也照常进行,无须强光照射。显然这不是 X 射线,而是一种与 X 射线有根本区别、穿透力也很强的另一种辐射。这一偶然事件使贝克勒耳获得了正确的结论。他在 3 月 2 日向法国科学院报告后,又继续做了许多实验,发现铀辐射不仅能透过黑纸使底片感光,还能使气体电离变成导体。这一发现为以后的研究开辟了道路。同年 5 月 18 日他又一次在科学院例会上宣布,放射性是原子自身的作用,只要有铀这种元素存在,就有贯穿辐射产生。铀盐会自发地发射一种穿透力非常强的辐射,贝克勒耳的铀盐实验在人类历史上第一次发现了原子核现象,这一发现成了核物理学研究的开端。

贝克勒耳发现放射性在科学史上往往被人们看成是实验科学中偶然性发现的例证之一。这一发现实在是太偶然了。如果不是伦琴发现 X 射线在先;如果不是彭加勒的提示;如果贝克勒耳没有把铀盐当作试验对象;如果 1896 年 2 月 26—27 日的巴黎不是阴雨天;如果贝克勒耳没有把未曝光的底片置于铀盐下搁在抽屉里;如果他不是下意识地或者好奇地把没有曝光的底片也拿来冲洗,也许贝克勒耳就不会发现放射性了。那样的话,放射性就不知要推迟到什么时候由什么人来发现了,而放射学和核物理学的历史必将改写。有人会说,难得的一系列巧合使贝克勒耳交了好运,他的发现有相当大的偶然性,但贝克勒耳自己常对人说:在他的实验室里发现放射性是“完全合乎逻辑的”。这个逻辑指的就是必然性。这究竟是怎么回事呢?了解以下三方面的情况以后,你就不会感到意外了。

1.家族的影响

贝克勒耳是研究荧光和磷光现象的世家子弟。他的祖父安东尼·贝克勒耳(Antoine Cesar Becquerel,1788—1878)是巴黎自然历史博物馆的物理学教授,擅长电磁学,研究领域广泛,涉及矿物学、测量学以及化学等方面,对磷光也很有研究。父亲爱德蒙·贝克勒耳(Edmond Becquerel,1820—1891)接任物理学教授,是欧洲的固体磷光专家。亨利·贝克勒耳在家庭环境的熏陶下,也成了出色的物理学教授,1891 年继承了父业。祖孙三代都是知名的科学家,这在科学文化中心之一的法国并不是独一无二的。伯努利(Bernoulli)家族就出过好几位著名的科学家。爱德蒙·贝克勒耳曾研究过阴极射线管中的磷光现象,并与他父亲和比奥(J.b.Biot)合写过关于磷光的论文。在他家的实验室里拥有各种各样荧光和磷光物质,长年进行各种试验。1867—1868 年,爱德蒙·贝克勒耳出版了他的著作《磷光及其成因和效果》,是这一领域的权威之作。他注重实验数据的收集,而不轻易下结论作解释。这种作风对亨利·贝克勒耳肯定是有影响的。

2.铀盐的研究

铀是 1789 年由克拉普罗士(M.Klapuroth)在检验沥青矿时发现的,实验上他得到的是铀的氧化物。1857 年有人把铀盐用于照片印刷,后来又用于照相术。1896 年门捷列夫提出元素周期表时,把铀列为最重的元素,这就引起了人们对它的注意。

铀的早期应用除了照相术以外,还被用于给皮革和毛皮上色,充当丝棉的染剂,随钢炼成合金等。最突出的应用要算陶瓷工业和玻璃工业中的上釉和着色,改变铀盐比例,可得各种不同色彩。在科学上也有应用,例如盖斯勒(H.Geissler)在 1858 年吹制放电管时就采用过铀玻璃,这种真空管在放电时,会发出悦目的光彩。

到了 19 世纪 90 年代,铀已经不再是什么稀罕的珍品,它已成为商品化的化学试剂了。

爱德蒙·贝克勒耳就是在研究磷光的过程中对铀盐发生了特殊的兴趣,因为铀盐会发出特别明亮的磷光,具有特殊的光谱特性,爱德蒙对这些光谱进行了研究,他的主要贡献是搞清楚了铀盐和亚铀盐的区别。前者有磷光效应而后者没有。

这里有必要解释一下荧光和磷光。它们是发光现象的两种不同方式,其物理机理是不同的,但 19 世纪物理学家并不了解这一点,只是从现象上加以区别,即荧光是在外来辐射的同时发光,而磷光则在外来辐射停止作用后还要持续一段时间。不同物质的磷光,持续的时间各不相同。这就引起了人们的兴趣。他们在研究中致力于持续时间的测量。爱德蒙·贝克勒耳就发明过一种“磷光镜”,专门用来测磷光的持续时间,可以短到 10−4 s。

亨利·贝克勒耳一开始从事的是光学,他广泛研究过磁旋光性(法拉第效应、克尔效应和塞曼效应)以及红外光谱,并通过红外光谱研究磷光现象。从 1883 年开始到 1896 年发现放射性为止,他对磷光及有关问题已发表了 20 篇论文,铀盐也是他经常试验的对象。在他父亲工作的基础上,他继续研究了铀盐的性质。

3.照相术的发展

照相术的发展是发现放射性的必要前提,没有照相术的发明和应用,放射性的发现是难以想象的。

照相术早在 19 世纪 40 年代就已诞生,1851 年发明了湿珂珞酊法。它的好处是速度快,缺点是从曝光到显影,照相底片必须保持在湿润状态下,底片要临时配制,并且摄影者要带着黑箱及其他设备旅行,使用非常麻烦。所以迫切需要发明一种干板或至少有一种办法能使珂珞酊(硝棉胶)在更长的时间内保持灵敏。这两方面的努力不久都取得成功。与此同时,照相底片已经有了商品出售。

1856 年英国伯明翰的一家公司生产了第一批干板。1864 年开始有商业性照相乳胶出售,7 年后用上了明胶。1879 年已经有自动制作明胶玻璃板的专利,开始了稳定生产的阶段,而赛璐珞片和硝化纤维卷片在 10 年后也出现了。

图 03 – 1 贝克勒耳正在做实验
图 03 – 2 贝克勒耳得到的第一张铀辐射照片

照相术在实验室中的应用,大约是在 19 世纪 50 年代开始的。主要用于配合显微镜拍摄微小图像、配合望远镜拍摄天体、记录动物运动、进行空中摄影、研究闪电等自然现象以及拍摄光谱等。伦琴在发现 X 射线的《初步通信》中,就特别提到过照相术。

到了 1896 年,亨利·贝克勒耳已经可以自由运用质量稳定、乳胶均匀、保持性能良好的干板照相技术了。他父亲也对照相术作过研究,为他创造了良好的实验条件。所以,他可以毫无困难地用照相术探寻铀盐的放射性。

这些就是亨利·贝克勒耳所处的客观环境。家庭的影响、先辈的业绩、技术的发展使他有可能捷足先登,从而抓住发现放射性的良机。然而主观因素也不容忽视,他具有客观严谨的科学态度和坚忍不拔、追根究底的探索精神,机遇偏爱有准备的头脑。所以,贝克勒耳发现放射性是“合乎逻辑的”。偶然性寓于必然性之中,从贝克勒耳的事例又一次得到了证明。

居里夫妇献身放射性研究

1896 年年初亨利·贝克勒耳发现放射性的论文发表,引起了居里夫妇极大的兴趣。1897 年,居里夫人根据皮埃尔·居里的建议,选放射性这一新课题做博士论文。开始只是重复贝克勒耳的铀盐辐射实验,不过由于她在测量方法上作了重大改进,不但得到了定性的结果,而且获得了大量精确的数据。她用的是居里两兄弟创造的石英晶体压电秤,代替了亨利·贝克勒耳的验电器。

石英晶体压电秤的基本原理是利用石英晶体的压电效应,来与放射性物质的电离效应相互补偿,通过压电效应测量空气电离产生的电离电流,从而对放射性的强度进行比较。居里夫人用石英晶体压电秤测放射性的方法一直运用了多年。她的学生们也沿用这一独特的方法做了许多实验。居里夫人首先检验了贝克勒耳的结论,证实新辐射的强度仅与化合物中铀的含量成正比,与化合物的组成无关,也不受光照、加热、通电等因素的影响,肯定这是一种原子过程。但她并不满足于这一结论,决定全面检查已知的各种元素。她找来各种矿石和化学物品,一一做了试验。1898 年取得的初步结果表明:绝大多数材料的电离电流都比较小,唯独沥青铀矿石、氧化钍和辉铜矿石(内含磷酸铀)会产生很强的电离电流。于是,居里夫人断定钍也是一种放射性元素。她还发现沥青铀矿石和辉铜矿石比纯铀的活性强得多。居里夫人想到,既然两种铀矿石都比铀自身更活泼,从这个事实可以推断,在这些矿石中可能含有比铀活泼得多的元素。

图 03 – 3 居里夫妇正在做实验

居里夫人认为,既然不止一种元素能自发地放出辐射,显然这是一种普遍的自然现象。

上述实验只是提供了新放射性元素存在的证据,进一步的任务当然是要找到这种新的元素。这时居里夫人显示了她那刚毅的气质,她预料从矿石中提炼这一微量元素绝非轻而易举的事,但她还是决心投入极其繁杂的化学分析中去。皮埃尔·居里认识到她这个决定的重要意义,就中断了自己的研究计划,尽力协助夫人进行实验。

沥青铀矿是一种成分复杂的矿石,以铀为主,其余是多种杂质,包括银、铜、钡、铋、钴等金属的化合物,这些杂质中究竟哪一种成分含有放射性,只有靠化学方法分离后,再用静电计比较其电离电流才能鉴别,他们先要把矿石溶解在酸液里,然后通以硫化氢等试剂,使某些成分沉淀。收集到的沉淀物再用别的试剂溶解和沉淀。这样一边进行化学分析,一边用物理仪器测试,结果发现铋的成分显示强烈的放射性,比同样质量的铀强 400 倍。

他们进一步确证,放射性并不是来自铋本身,而是混在铋内的一种微量元素,经过反复试验,发现可以利用两种金属溶解度不同的特点再进行分离。加水使铋盐溶解后,从首先沉淀下来的渣物中找到了特别强的放射性物质。居里夫妇建议称之为钋(Polonium),为的是纪念他们之一的祖国——波兰。

接着,居里夫妇继续进行分离试验,又发现钡盐中有更强的放射性,他们认为还有第二种物质,放射性更强,化学性质则与第一种完全不同,用硫化氢、硫化铵或氨都无法使之沉淀;这种新的放射性物质在化学性质上完全像纯钡,其氯化物可溶于水,却不溶于浓盐酸和酒精。由它可得钡的光谱。他们认为,这种物质中必定还有一种化学性质极其接近于钡,却能产生非常强烈的放射性的新元素。

他们进行了一系列的分离,得到越来越活泼的氯化物,其活性竟比铀大 900 倍以上。他们把这种新的放射性元素命名为镭(Radium)。

居里夫妇用分离结晶的方法不断提高含镭氯化钡中镭的含量。这是一件非常烦琐而细致的工作,要求有洁静的工作场所,氯化镭比氯化钡的溶解度差些,在结晶时首先析出,不过每一次结晶仍然伴随着大量的氯化钡,因此要反复结晶。结晶的遍数越多,晶体中镭的含量也越高,放射性就越强。1899 年,居里夫妇得到的晶体比铀的放射性强 7 500 倍。他们继续分离,竟达到了 100 000 倍,然而仍然不是纯粹的镭盐。

为了提炼出足以进行实验的纯镭盐,居里夫妇不得不从更多的矿渣中分离含镭的氯化钡。他们搞到成吨的沥青铀矿矿渣,找了一间没有人用的旧木棚当实验室。没有窗户,原来有的玻璃顶盖早已破碎,冬天无法取暖,夏天闷热难熬。他们两人就像水泥工人一样,整天和矿渣溶液打交道。为了加速化学反应,他们要拿着粗大的铁棒不停地搅拌大桶里的溶液,还要给溶液加热,烟熏雾呛,劳累不堪。居里先生体质很差,夫人就担负起最繁重的劳动,上下忙碌,把测试的工作留给居里先生管。经过四年的奋斗,他们终于从 8 吨矿渣中提取出了 0.1 g 的纯镭盐。1902 年,居里夫妇宣布,他们测得镭的原子量为 225,找到了两根非常明亮的特征光谱线。这时,镭的存在才得到公认。经过几年的劳累,居里夫妇身体日渐衰弱,原来身强力壮的居里夫人,体重竟减轻了 20 磅,加上当年缺乏放射性防护的知识,他们不可避免地遭受了放射性的袭击。1906 年 4 月 19 日居里先生不幸在街上被马车压死,这使居里夫人受到极大打击,但她还是顽强地工作,带领她的学生(其中包括自己的女儿伊伦·居里和女婿弗列德利克·约里奥)继续战斗在放射学的前沿。居里夫人后来长期患恶性贫血症。她和居里先生肯定在工作中遭受了大剂量的辐射,甚至还可能吃进了不少放射性物质。弗列德利克·约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书,50 年后再检查,还有放射性。1934 年居里夫人在经过长期贫血症折磨后去世。她的女儿伊伦和女婿弗列德利克·约里奥也因恶性贫血症相继于 1956 年和 1958 年去世。居里一家向人类贡献了镭,而他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。

图 03 – 4 1904 年法国一杂志封面,描绘居里夫妇在实验室工作的情况
图 03 – 5 居里夫人带领女儿进行医疗服务

获奖者简介

亨利·贝克勒耳  1852 年 12 月 15 日出生于法国巴黎。1872—1874 年在巴黎综合技术学校学习。1874—1877 年在巴黎公路桥粱学校学习,毕业后获工程师职位。1878 年起,任巴黎自然历史博物馆助理。1888 年获得巴黎大学科学部博士学位。1889 年被选为法国科学院院士。1892 年担任巴黎自然历史博物馆教授。1906 年 12 月 1 日当选为法国科学院副院长,1908 年当选为法国科学院院长后不久即于当年 8 月 25 日在勒克罗依西克去世,享年仅 56 岁。

皮埃尔·居里  1859 年 5 月 15 日出生在巴黎的一个医生家庭,16 岁入巴黎大学理学院,毕业后任该校实验室助理。1880 年曾与其兄长雅克斯·居里(Jacques Curie,1855—1941)一起,发现了压电效应;1895 年发现顺磁体的磁化率与热力学温度成反比,他所作的不同温度下磁性的论文,使他获得科学博士学位。皮埃尔·居里以后继续研究晶体,取得了不少成果。继而研究磁学,发现铁磁材料的磁性随温度变化的性质,这时他已成了法国知名的实验物理学家。1895 年皮埃尔·居里和玛丽·斯可罗多夫斯卡结婚后,转而和夫人一起研究放射性,发现了钋和镭两种元素。皮埃尔·居里于 1904 年任巴黎大学教授,1905 年被选为法国科学院院士,1906 年 4 月 19 日不幸在巴黎街上被马车撞倒受伤致死,年仅 47 岁。

玛丽·居里  原姓斯可罗多夫斯卡,1867 年 11 月 7 日出生于华沙,1883 年中学毕业,并获得金质奖章。由于家中经济困难和当时波兰的大学不接受女生,她担任家庭教师 8 年。1891 年到法国深造。虽然生活贫穷,但她学习刻苦,成绩优良,靠奖学金继续完成学业。1893 年以优异成绩毕业于巴黎大学理学院物理系,1894 年毕业于数学系。在巴黎,玛丽认识了皮埃尔·居里。为科学献身的理想,把他们联系在一起。1895 年他们结成了夫妻。1897 年,贝克勒耳发现放射性的论文引起了居里夫妇极大的兴趣,居里夫人根据皮埃尔·居里的建议,选放射性这一新课题做博士论文。1904 年她被巴黎大学聘为助教;1906 年皮埃尔·居里不幸去世后,玛丽接替了丈夫的工作,成为巴黎大学第一位女教授。她是第一位获得两次诺贝尔奖的科学家,她因发现元素镭和钋、分离出镭和对镭的性质及其化合物的研究,又获得 1911 年诺贝尔化学奖。1934 年 7 月 4 日在法国的阿尔卑斯山的疗养院因长期患恶性贫血症去世。

在第一次世界大战期间,她和她的长女伊伦·约里奥-居里一起参加战地医疗服务,担负伤员的 X 射线透视工作。她积极提倡把镭用于医疗,使辐射治疗得到推广和提高,使核能造福于人类。

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发布时间:2006/4/20 下午3:44:06  阅读次数:13168

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