Antoine Henri Becquerel Marie Curie & Pierre Curie
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。
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,伦琴将他的第一篇描述X射线的论文《初步通信:一种新射线》和一些用X射线拍摄的照片分别寄送给各国知名学者。其中有一位是法国的彭加勒,他是著名的数学物理学家,当时任法国科学院院士,对物理学的基础研究和新进展非常关心,积极参与各种物理问题(例如阴极射线本性)的争论。法国科学院每周有一例会,物理学家在会上报告各自的成果并进行讨论。1896年1月20日彭加勒参加了这天的例会,他带去了伦琴寄给他的论文和照片,展示给与会者看。正好在这个会上有两位法国医生。将他们拍到的人手X射线照片提交科学院审查。这件事大大激励了在场的物理学家亨利·贝克勒尔,他问这种射线是怎样产生的?彭加勒回答说,也许是从阴极对面发荧光的那部分管壁发出的,荧光和X射线可能是出于同一机理。不过他不太有把握。第二天,贝克勒尔就开始试验荧光物质在发荧光的同时会不会发出X射线。可是试来试去,却没有任何迹象。正当贝克勒尔准备放弃试验时,又读到彭加勒的一篇科普文章介绍X射线,文中又一次提到荧光和X射线可能同时产生的看法。贝克勒尔很受鼓舞,于是再次投入试验,终于找到了铀盐有这种效应,他在1896年2月24日向法国科学院报告说:
“我用两张厚黑纸……包了一张感光底片,纸非常厚,即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片变色,我在黑纸上面放一层磷光物质,然后一起拿到太阳光下晒几小时。显影之后,我在底片上看到了磷光物质的黑影。……在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃,也作出了同样的实验。这样就排除了由于太阳光线的热从磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用的可能性。所以从这些实验可作如下结论:所研究的磷光物质会发射一种辐射,能贯穿对光不透明的纸而使银盐还原。”
贝克勒尔所指的磷光物质就是铀盐。当时人们以为,荧光和磷光没有什么本质上的不同,只是发光时间的长短有区别而已。这里,贝克勒尔误以为X射线的产生是由于太阳光照射铀盐的结果。
一个星期以后,当法国科学院于3月2日再次例会时,贝克勒尔已经找到了正确的答案。这也许是偶然的机遇,但偶然中有必然。他本想在会前再做一些实验,可是2月26、27日连续阴天,他只好把所有器材放在抽屉里,铀盐也搁在包好的底片上,等待好天气。在对科学院的第二次报告中,贝克勒尔写道:
“由于好几天没有出太阳,我在3月1日把底片冲了出来,原想也许会得到非常微弱的影子。相反,底片的廓影十分强烈。我立即想到,这一作用很可能在黑暗中也能进行。”
贝克勒尔意识到,这一发现非常重要,说明原来以为荧光(和磷光)与X射线属于同一机理的设想不符合实际。他立即放弃了这种想法,转而试验各种因素,例如铀盐的状态(是晶体还是溶液)、温度、放电等等对这种辐射的影响,证明确与磷光效应无关。他发现,纯金属铀的辐射比铀化合物强好多倍。他还发现,铀盐的这种辐射不仅能使底片感光,还能使气体电离变成导体。这个现象为别人继续研究放射性提供了一种新的方法。
贝克勒尔搞清楚了铀盐辐射的性质后,在同年5月18日科学院的例会上再次报告,宣布这种贯穿辐射是自发现象,只要有铀这种元素存在,就会产生贯穿辐射。以后,这种辐射被人们叫做贝克勒尔射线,以区别于当时人们普遍称呼为X射线的伦琴射线。
贝克勒尔发现放射性虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时,意义却更为深远,因为这是人类第一次接触到核现象,为后来的发展开辟了道路。
贝克勒尔的发现,往往被后人作为科学发现的偶然性之重要例证。不过,贝克勒尔自己却喜欢说:在他的实验室里发现放射性是“完全合乎逻辑的。”这是因为亨利·贝克勒尔具有特殊有利的条件,他的祖传三代都是研究磷光的世家。祖父名安东尼·贝克勒尔(Antoine Cesar Becquerel,1788—1878)是巴黎自然历史博物馆的物理教授,广泛研究过矿物学、化学以至磷光;父亲爱德蒙·贝克勒尔(Edmond Becquerel,1820—1891)继承父业,是欧洲有名的固体磷光专家,在他家的实验室里拥有各种各样的荧光和磷光物质,长年进行各种试验,其中也包括铀盐。19世纪后半叶,铀盐开始广泛用于照相术、染色、上釉,后来成了商品化的化学试剂。由于铀盐会发出特别明亮的磷光,爱德蒙·贝克勒尔曾特地对它进行了研究。这些工作在1891年以后都由亨利·贝克勒尔继承了下来。更重要的是,前辈们注重收集实验资料,尊重客观事实的科学态度帮助亨利·贝克勒尔很快找到了正确的结论。由此可见,亨利·贝克勒尔之所以成为放射学的先驱,的确不是偶然的。
贝克勒尔的发现由于居里夫妇的工作迅速地扩大了战果。居里夫人原名玛丽·斯可罗多夫斯卡(Marie Sklodowska,1867—1934),波兰人,1891年到巴黎攻读物理后与皮埃尔·居里(PierreCurie,1859—1906)结婚。1897年,居里夫人选放射性作为自己的博士论文题目。在重复贝克勒尔的铀盐辐射实验时,将居里两兄弟早先发现的压电效应用于测量游离电流,得到了大量精确的数据,使放射性的研究很快走上了严密定量的道路。
居里夫人在1898年4月发表的第一篇论文中写道:
“我用……一平板电容器,极板之一覆盖了均匀的一层铀或其他细研过的物质。极板直径8厘米,极间距离3厘米,极板间加有100伏电位差,穿过电容器的电流用静电计和一压电石英晶体测量绝对值。”
居里夫人首先证实了贝克勒尔关于铀盐辐射的强度与化合物中铀的含量成正比的结论,但她不满足于局限在铀盐,决定对已知的各种元素进行普查。正好这时,施密特(G.C.Schmidt,1856—1949)发现钍也具有贯穿辐射,居里夫人迅即予以证实。她找来各种矿石和化学品,一一按上述方法做了试验。1898年取得的初步结果表明:绝大多数材料的游离电流小于0.3×10-12安,而沥青铀矿可达83×10-12安,氧化钍和辉铜矿(内含磷酸铀)约53×10-12安。于是,居里夫人断定钍也是一种放射性元素。她还发现沥青铀矿和辉铜矿比纯金属铀的活性还强得多。居里夫人在论文中写道:
“两种铀矿……比铀自身还更活泼。这个事实……使人相信,在这些矿中可能含有比铀活泼得多的元素。”
居里夫人相信,既然不止一种元素能自发地放出辐射,而这又是一种原子现象,肯定它具有普遍性。就在这一篇论文中,居里夫人首次使用了“放射性”一词。
接着,居里夫人在居里先生的协助下,进行了艰苦的提纯工作。他们从铀矿渣中分离出含量仅占百分之一甚至更少的新元素。1898年7月,分离出铋的成分带强烈的放射性,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,而是混在铋中的一种微量元素。经过反复试验,终于从沉淀物中找到了那种放射性物质,居里夫妇写道:
“我们相信,从沥青铀矿提取的物质含有一种迄今未知的金属,在分析特性时跟铋有联系。如果这种新金属的存在得到证实,我们建议称之为钋(Polonium),这个名称是根据我们之一的祖国命名的。”
他们继续进行试验,又发现在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象纯钡,其氯化物溶于水,却不溶于浓盐酸和酒精。由它可得钡的光谱。但我们相信,这种物质尽管绝大部分由钡组成,必定还有一种产生放射性的新元素,其化学性质极其接近于钡。”
“我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。种种理由使我们相信,新的放射性物质中有一种新元素,我们建议命名为镭(Radium)。”
居里夫妇历尽辛苦,用分离结晶的方法不断提高含镭的氯化钡中镭的含量。1899年得到了可使游离电流达10-7安的晶体,比铀的放射性强7500倍,后来竟达到了100000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,居里夫妇不得不从成吨的矿渣石中用人工进行提炼。经过4年的奋斗终于从8吨矿渣石提取了0.1克的纯镭盐。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。
钋和镭的发现大大促进了放射性的研究。