一,X射線的發現
X射線是1895年德國物理學家倫琴(Rontgen W.K.1845-1923)發現的
.1895年11月8日晚,倫琴為了進一步研究陰極射線的性質,他用黑色薄紙板把一個克魯克斯管嚴密地套封起來,在完全暗的室內做實驗.在接上高壓電流進行實驗中,他意外地發現在放電管一米以外的一個熒光屏(涂有熒光物質鉑氰化鋇的紙屏)上發生亮的光輝.一切斷電源,熒光就立即消失.這個現象使他非常驚奇,于是全神貫注地重復做實驗.他發現即使在蹺儀器二米處,屏上仍有熒光出現.倫琴確信,這個新奇現象不是陰極射線造成的,因為實驗已證明陰極射線只能在空氣中進行幾厘米,而且不能透過玻璃管.他決定繼續對這個新發現進行全面檢驗.一連六個星期都在實驗里廢寢忘食地工作著.經過反復實驗,他確信發現了一種過去未被人們所知的具有許多特性的新射線.這種射線的本質一時還不清楚,所以他取名為"X射線"(后來科學界稱之為倫琴射線).他在12月下旬寫的論文中說明了初步發現的X射線的如下性質:(1)陰極射線打在固體表面上便會產生X射線;固體元素越重,產生的X射線越強.(2)X射線是直線傳播的,在通過棱鏡時不發生反射和折射,不被透鏡聚焦.(3)與陰極射線不同,不能借助磁體(即使磁場很強)使X射線發生任何偏轉.(4)X射線能使熒光物質發出熒光.
(5)它能使照相底片感光,而且很敏感.(6)X射線具有很強的貫穿能力,比陰極射線強得多.它可以穿透射線具有很強的貫穿能力,比陰極射線強得多.它可以穿透千頁的書,二,三厘米厚的木板,幾厘米的硬橡皮等.15毫米厚的鋁板,不太厚的銅板,銀板,金板,鉑板和鉛板的背后,都可以辨別熒光.只有鉛等少數物質對它有較強的吸收作用,對1.5毫米厚的鉛板它實際上不能透過.倫琴一次檢驗鉛對X射線的吸收能力時,意外地看到了他自己拿鉛片的手的骨髂輪廓.于是他請他的夫人把手放在用黑紙包嚴的照相底片上,用X射線照射,底片顯影后,看到倫琴夫人的手骨像,手指上的結婚戒指也非常清晰,這成了一張有歷史意義的照片.
1896年元旦,倫琴將他的論文和第一批X射線照片復制件分送給一些著名物理學家.幾天之后,這個發現就傳遍了全世界,在公眾中引起轟動.其傳播之迅速,反應之強烈,在科學史上是罕見的.X射線很快就被應用于醫學和金屬探傷等領域,從而創立了X射線學.X射線究竟是一種電磁波,還是一種粒子流,曾經爭論許多年.直到1912年德國物理學家勞厄和他的助手發現X射線通過晶體后產生衍射現象,才證明它是一種波長很短的電磁波.
X射線的發現具有十分重大的意義,它是19世紀末20世紀初發生的物理學革命的開端.它的發現對于化學的發展也有重要意義:1913年,根據對各種元素的特征X射線光譜的研究發現的莫斯萊定律,確定了元素的原子序數等于核電荷數,這對元素周期律的發展和原子結構理論的建立起了重要作用.以X射線晶體衍射現象為基礎建立起來的X射線晶體學,是現代結構化學的基石之一.
倫琴由于發現X射線,于1901年成為第一個諾貝爾物理學獎獲得者.倫琴作出這個重大發現并非由于偶然的幸運.他的廣博深厚的科學素養,周密敏銳的觀察能力,頑強探索的科學精神和嚴謹細致的實驗工作,使他具有高瞻遠矚的科學遠見,能迅速地揭示出并捕捉住前人所未注意的有重要價值的新現象,緊緊抓住這種現象進行深入研究,終于取得成功.
二,天然放射線的發現
1896年法國著名數學家和物理學家彭加勒
(Poincare,H.1854-1912)注意到X射線是從受陰極射線轟擊而發出熒光的玻璃管壁上產生的.他提出是不是所有能強烈地發熒光和磷光的物質都能發射出X射線.法國物理學家亨利·貝克勒(Becquerel,H.A.1852-1908)由此受到啟發,立即開始研究究竟有哪些熒光和磷光物質能發射X射線.他把許多磷光和熒光物質一一放在密封照相底片上置于陽光下曝曬,底片都沒有感光.他想起十五年前和他父親一起制備的磷光物質硫酸鈾酰鉀晶體,于是他把一塊這種晶體放在日光下曝曬,直到它發出很強的熒光,然后把它和用黑紙包封的照相底片放在一起,發現底片感光了.他錯誤地認為這種晶體發射X
射線.1896年2月24日他向法國科學院報告了這一實驗,認為X射線與熒光有關.
3月1日,貝克勒把在抽屜里和鈾鹽放在一起的一張密封的底片拿去沖洗,顯影后發現一件奇怪的事:這張底片已經感光,上面有很明顯的鈾鹽的象,和剛經過日曬的鈾鹽產生的影象同樣清晰.究竟日曬和熒光對于鈾鹽發出的這種神秘射線有沒有關系呢
于是他親自用純試劑合成一些硫化物熒光物質,并設法加強它們的磷光,但它們日曬后都不能使底片感光.經過幾個月的反復試驗,貝克勒確信使底片感光的真實原因是鈾和它的化合物不斷地放射出一種奇異的射線,日曬與熒光都與照相底片感光無關,他把這種射線稱為"鈾射線".
1896年5月18日,貝克勒宣布:發射鈾射線的能力是鈾元素的一種特殊性質,與采用哪一種鈾化合物無關.鈾及其化合物終年累月地發出鈾射線,純鈾所產生的鈾射線比硫酸鈾酰鉀強三至四倍.鈾射線是自然產生的,不是任何外界原因造成的(光照,加熱,陰極射線激發等不需要),所以既與熒光無關,也和X射線不同.鈾射線能穿透過黑紙使照相底片感光,能使空氣電離,使驗電器放電,這些性質與X射線相同.但它的穿透能力不如X射線,它不能穿透肌肉和木板.
鈾射線的發現,立即引起科學界的極大興趣.當時在巴黎大學攻讀博士學位的居里夫人,即瑪麗·斯克洛多芙斯卡(Sklodowska,M.1867-1934),決定選擇鈾射線的本質和來源問題作為自己的博士論文題目.1897年她開始研究.要深入研究鈾射線的本質,首先要有一臺能精確測量鈾射線強度的儀器.瑪麗的丈夫,法國物理學教授居里(Curie,P.1859-1906)設計了一個靈敏而簡易的鈾射線檢驗器.經過幾周的研究,瑪麗先弄清楚了鈾射線的強度與試樣中鈾的濃度成正比,而與含鈾化合物的化學組成無關,也不受外界光照和溫度起落的影響.由此可以確認這種輻射是鈾原子一種特性.1898年,她和德國人施米特
(Schmidt,G.C.1856-1949)分別發現釷元素也具有這種性質,表明這種性質并非鈾元素所獨有.于是瑪麗建議把這種性質叫做"放射線",
把具有放射線的元素如鈾和釷叫做"放射性元素".
三,放射性元素釙和鐳的發現
居里夫人對很多種礦物標本逐個檢驗有無放射性.檢驗了幾百種物質,都沒有放射性.但當她檢驗到一種瀝青鈾礦和一種銅鈾云母礦時,發現它們有很強的放射性,其強度比根據其中鈾或釷的含量所預計的強度大得多.她又根據天然銅鈾云母礦精確分析得到的組成,自己合成了銅鈾云母,發現天然銅鈾云母的放射性是人工合成試樣的4.5倍.這兩種礦物的異常的放射性,只能解釋為其中含有某種含量很少但比鈾和釷的放射性強得多的新元素.
1896 年6月,居里夫婦開始合作搜索這種新元素.他們先到瀝青鈾礦中去找.他們把這種礦石分解后,用系統的化學程序把其中的各種元素按組一組一組逐步分開.每經過一步分離,就測定兩部分的放射線,根據溶液和沉淀有無放射性或放射性的大小來確定新元素在哪一部分中.經過幾次淘汰搜索的范圍逐步縮小,最后他們發現在瀝青鈾礦中有兩種而不是一種新的放射性元素.1898年7月他們根據放射性證實了一種新放射性元素的存在,當時他們還只得到了一點富集了這種新元素的硫化鉍,它的放射性遠比金屬鈾的放射性大得多.要知道在瀝青鈾礦中這種新元素的含量只有一億分之一,用一般的化學方法把它富集起來是何等艱巨啊!瑪麗為這個新元素命名為"Polonium"(釙),這是為了紀念她的祖國波蘭.五個月后,居里夫婦又根據放射性發現了另一種新的放射性元素,它已富集在氯化鋇結晶里.這種混有新元素的晶體比金屬鈾的放射性竟大九百倍.居里夫婦給該元素命名為"Radium"(鐳),意思是"賦予放射性的物質".釙富集在硫化鉍沉淀中,鐳富集在氯化鋇晶體中,這說明它們的化學性質分別很象鉍和鋇,而與鈾相差很遠.但是,這時居里夫婦還沒有得到一點點純的鐳或釙的化合物.他們決定下一階段的工作是從瀝青鈾礦制取純的鐳化合物.他們估計從瀝青鈾礦中提取了鈾以后釙和鐳可能原封不動地存留在廢礦渣中,因為釙和鐳的化學性質與鈾相差很遠.于是他們便從奧地利處理瀝青鈾礦的國營礦場買到了便宜的廢礦渣.從1899年到1902年底,居里夫婦在物理學校的礦爛工棚里艱苦地工作了
45個月,一公斤一公斤地處理了兩噸廢礦渣.經過幾百萬次的溶解,沉淀和結晶等提煉工作,終于得到僅僅100毫克的光說純氯化鐳.它的放射性強大得令人吃驚,竟是鈾鹽的二百萬倍!把它放在玻璃瓶里,玻璃瓶就放出紫色的熒光,它也能使金剛石,紅寶石,螢石,硫化鋅,鉑氰化鋇等發出磷光.他們對鐳的原子量進行了初步測定,大約是225,從而確定了它在周期表中處于ⅡA族鋇的下面.
1903年6月25日,36歲的瑪麗·居里夫人在巴黎大學通過了博士論文答辨,論文題目是《放射性物質的研究》.這年11月,英國皇家學會授予居里夫婦載維金質獎章.12月10日居里夫婦和貝克勒一道榮獲這一年的諾貝爾物理學獎,分享獎金.
1910年,居里夫人和法國化學家德比爾納(Debierne,A.1874-1949)合作,通過電解氯化鐳取得了金屬鐳,研究了它的性質.1911年,居里夫人獲得了諾貝爾化學獎.全世界只有為數極少的幾位科學家兩次獲得諾貝爾獎,居里夫人是其中唯一的女科學家.
瑪麗·
斯克洛多芙斯卡1867年11月7日出生沙俄統治下的華沙,當時波蘭已經亡國一百多年了.她少年時就有強烈的愛國思想,在青年時代又愛上了科學,決心要以科學振興祖國,為波蘭爭光.她于1891年來到巴黎求學,先后以優異的成績獲得數學和物理學碩士學位,1895年與已是物理學教授的居里結婚,結成了一對后來非常著名的科學伴侶.從1898年6月起居里決定和瑪麗合作共同探索瀝青鈾礦中的新的放射性元素,他們的親密合作一直持續了八年.1906一天居里在大街上被載重馬車撞倒,車輪奪去了他的生命.居里夫人悲痛欲絕,幾乎神經失常.經過長期療養后剛剛康復,她就以驚人的毅力,不僅擔負起撫養兩個女兒的家庭重擔,承擔了居里在巴黎大學的教授席位,而且為放射科學的建立和發展又作出了重大貢獻,從而獲得了1911年諾貝爾化學獎.鐳的發現在科學界引發了一場革命,居里夫婦的工作是原子能應用研究的開端.但居里夫人不僅是有重大貢獻的科學家之一,而且是一位高尚無私的人.當時鐳的價格十分昂貴,但居里夫人甘于過著簡樸的生活,她毫無保留地公布了鐳的提煉方法,沒有申請專利.正如她所說"鐳不應該使任何人發財,鐳是化學元素,應該屬于大家".她所獲得的巨額獎金,
也幾乎全部用于接濟窮苦的學生,或支援了科學團體.1934年7月4日,居里夫人在長期患惡性貧血白血病后與世長辭.醫生的證明是:"奪去居里夫人生命的真正罪人是鐳".她把自己的一生獻給了科學事業.
四,α,β,γ三種射線的發現
居里夫婦曾發現,鐳發出的射線有兩種.1898年,出生于新西蘭在劍橋大學卡文迪許實驗室工作的青年物理學家盧瑟福(Rutherford,E.1871-1937)開始投入放射性的研究工作.他用強磁鐵使鈾射線偏轉,發現射線分為方向相反的兩股,這表明它至少包含有兩種不同的射線,一種非常容易被吸收,稱為α射線;另一種具有較強的穿透力,稱為β射線.1900年法國人維拉德(Villard,P.1860-1934)觀察到,鐳除了上面兩種射線之外,還存在著第三種射線,它不受磁場的影響,與X射線非常類似.在此之前,盧瑟福已于1898年發現一種比α和β射線穿透力更大的射線存在,這就是維拉德1900年所確認的這種射線.后來盧瑟福把它稱為γ
射線,并于1914年確定了它是一種波長比X射線更短的電磁波.貝克勒1899年發現β射線在磁場中偏轉的方向與陰級射線相同.居里夫人證明它荷負電.1900年貝克勒測定了它的荷質比,確認β射線就是電子流.為了揭示α射線的本質,盧瑟福作了多年的努力.1902年,他用強磁場使射線發生的偏轉,
證明了它是帶正電荷的粒子流,這種粒子被稱為α粒子.1906年他測定了α粒子的荷質比,證明它的數量級與氫或氦離子相同,但當時的實驗精度還不能分辨出它帶一個還是兩個電荷.1907年盧瑟福到英國曼徹斯特大學任教授后,和年輕的德國物理學家蓋革(Geiger,H.1882-1945)一起工作,利用他發明的計數管和克魯克斯創造的閃爍計數法,計數了一克鐳一秒鐘內放出的α粒子數,測量了從鐳源得到的總電量,從而計算出每個α粒子帶有兩個單位電荷.盧瑟福由此推測出α粒子是帶有兩個正電荷的氦離子.盧瑟福又和合作者拍攝了α粒子的光譜線,證明它和氦的光譜線一樣,由此判定,α粒子是氦離子.
