天然放射性的秘密被发现,这是人们第一次观察到的核变化

来源:科普中国 发布时间:2024年02月23日 作者:江苏省科学技术协会

1896年2月21日,法国物理学家亨利·贝克勒尔在法国科学院宣布:铀盐经日光照射后,能发射一种类似X射线的射线,它能穿过黑纸、玻璃等物质而使底片感光。起初他误认为这种射线是太阳照射的结果。同年3月2日,他意外地发现这种射线与日光无关。接着他通过对各种铀盐的观测,发现了元素的放射性现象。

法国物理学家亨利·贝克勒尔

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,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·居里和玛丽·斯可罗多夫斯卡·居里,以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。

贝克勒尔在做实验

为核物理学诞生奠定了基石

法国物理学家亨利·贝克勒尔是研究荧光和磷光的专家。1896年初,德国物理学家威廉·康拉德·伦琴发现X射线的消息传到巴黎,一个偶然的机会使他遭遇上放射性问题。当时法国有一位著名数学物理学家叫彭加勒,收到伦琴的通信后,在法国科学院1896年1月20日的例会上向与会者报告了这件事,展示了伦琴的通信和X光照片。贝克勒尔正好在场,他问彭加勒,这种射线是怎样产生的?彭加勒回答,似乎是从真空管阴极对面发荧光的地方产生的,可能跟荧光属于同一机理。彭加勒还建议贝克勒尔试试荧光会不会伴随有X射线。

于是第二天贝克勒尔就在自己的实验室里开始试验荧光物质会不会辐射出一种看不见却能穿透厚纸使底片感光的射线。他试来试去,终于找到了一种物质具有预期效果,这种物质就是铀盐。

贝克勒尔拿两张厚黑纸,把感光底片包起来,包得那样严实,即使放在太阳底下晒一天,也不会使底片感光。然后,他把铀盐放在黑纸包好的底片上,又让太阳晒几小时,就大不一样,底片显示了黑影。

为了证实是射线在起作用,他特意在黑纸包和铀盐间夹一层玻璃,再放到太阳下晒。如果是由于某种化学作用或热效应,隔一层玻璃就应该排除,可是仍然出现了黑影。于是贝克勒尔肯定了彭加勒的假定,在法国科学院的例会上报告了实验结果。

贝克勒尔验证天然放射性的照片

又过了几天,贝克勒尔正准备进一步探讨这种新现象,巴黎却连日天阴,无法晒太阳,他只好把所有器材包括包好的底片和铀盐都搁在同一抽屉里。也许是出于职业上的某种灵感,贝克勒尔突然产生了一个念头,想看看即使不经太阳照晒,底片会不会也有变黑的现象。于是他把底片洗了出来。哪里想到,底片上的黑影真的十分明显。他仔细检查了现场,肯定这些黑影是铀盐作用的结果。

贝克勒尔面对这一突如其来的现象,很快就领悟到,必须放弃原来的假设,这种射线跟荧光没有直接关系,它和荧光不一样,不需要外来光激发。他继续试验,终于确证这是铀元素自身发出的一种射线。他把这种射线称为铀辐射。铀辐射不同于X射线,两者虽然都有很强的穿透力,但产生的机理不同。

令人胆战心惊的铀矿石

同年5月,他在法国科学院报告说:铀辐射乃是原子自身的一种作用,只要有铀这种元素存在,就不断有这种辐射产生。这就是发现放射性的最初经过。这一发现虽然没有伦琴发现X射线那样轰动一时,但其意义还是很深远的,为核物理学的诞生奠定了第一块基石。

居里夫妇的试验

贝克勒尔发现放射性的论文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,选择放射性这一新课题做博士论文。开始只是重复贝克勒尔的铀盐辐射实验,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,代替了贝克勒尔的验电器。

居里夫人首先检验了贝克勒尔的结论,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。

贝克勒尔与居里夫人

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还强得多。居里夫人想到,既然两种铀矿石都比铀自身还更活泼,从这个事实可以相信,在这些矿石中可能含有比铀活泼得多的元素。

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。

镭的发现

此后,居里夫妇通过化学分析和物理仪器测试,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。

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。

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。居里夫人后来长期患恶性贫血症。她和居里先生在工作中肯定遭受了大剂量的辐射,甚至还可能吃进了不少放射性物质。她当年用过的烹调书,50年后再检查,还有放射性。1934年居里夫人受长期贫血病折磨后去世。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。居里的一家向人类贡献了镭,他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。