X射线和放射性的发现

X射线/放射性/化学史一、Ｘ射线的发现Ｘ射线是１８９５年德国物理学家伦琴（RontgenW.K.1845-1923）发现的。１８９５年１１月８日晚，伦琴为了进一步研究阴极射线的性质，他用黑色薄纸板把一个克鲁克斯管严密地套封起来，在完全暗的室内做实验。在接上高压电流进行实验中，他意外地发现在放电管一米以外的一个荧光屏（涂有荧光物质铂氰化钡的纸屏）上发生亮的光辉。一切断电源，荧光就立即消失。这个现象使他非常惊奇，于是全神贯注地重复做实验。他发现即使在跷仪器二米处，屏上仍有荧光出现。伦琴确信，这个新奇现象不是阴极射线造成的，因为实验已证明阴极射线只能在空气中进行几厘米，而且不能透过玻璃管。他决定继续对这个新发现进行全面检验。一连六个星期都在实验里废寝忘食地工作着。经过反复实验，他确信发现了一种过去未被人们所知的具有许多特性的新射线。这种射线的本质一时还不清楚，所以他取名为“Ｘ射线”（后来科学界称之为伦琴射线）。他在１２月下旬写的论文中说明了初步发现的Ｘ射线的如下性质：（１）阴极射线打在固体表面上便会产生Ｘ射线；固体元素越重，产生的Ｘ射线越强。（２）Ｘ射线是直线传播的，在通过棱镜时不发生反射和折射，不被透镜聚焦。（３）与阴极射线不同，不能借助磁体（即使磁场很强）使Ｘ射线发生任何偏转。（４）Ｘ射线能使荧光物质发出荧光。（５）它能使照相底片感光，而且很敏感。（６）Ｘ射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。它可以穿透射线具有很强的贯穿能力，比阴极射线强得多。它可以穿透千页的书，二、三厘米厚的木板，几厘米的硬橡皮等。１５毫米厚的铝板，不太厚的铜板、银板、金板、铂板和铅板的背后，都可以辨别荧光。只有铅等少数物质对它有较强的吸收作用，对１．５毫米厚的铅板它实际上不能透过。伦琴一次检验铅对Ｘ射线的吸收能力时，意外地看到了他自己拿铅片的手的骨髂轮廓。于是他请他的夫人把手放在用黑纸包严的照相底片上，用Ｘ射线照射，底片显影后，看到伦琴夫人的手骨像，手指上的结婚戒指也非常清晰，这成了一张有历史意义的照片。１８９６年元旦，伦琴将他的论文和第一批Ｘ射线照片复制件分送给一些著名物理学家。几天之后，这个发现就传遍了全世界，在公众中引起轰动。其传播之迅速，反应之强烈，在科学史上是罕见的。Ｘ射线很快就被应用于医学和金属探伤等领域，从而创立了Ｘ射线学。Ｘ射线究竟是一种电磁波，还是一种粒子流，曾经争论许多年。直到１９１２年德国物理学家劳厄和他的助手发现Ｘ射线通过晶体后产生衍射现象，才证明它是一种波长很短的电磁波。Ｘ射线的发现具有十分重大的意义，它是１９世纪末２０世纪初发生的物理学革命的开端。它的发现对于化学的发展也有重要意义：１９１３年，根据对各种元素的特征Ｘ射线光谱的研究发现的莫斯莱定律，确定了元素的原子序数等于核电荷数，这对元素周期律的发展和原子结构理论的建立起了重要作用。以Ｘ射线晶体衍射现象为基础建立起来的Ｘ射线晶体学，是现代结构化学的基石之一。伦琴由于发现Ｘ射线，于１９０１年成为第一个诺贝尔物理学奖获得者。伦琴作出这个重大发现并非由于偶然的幸运。他的广博深厚的科学素养，周密敏锐的观察能力，顽强探索的科学精神和严谨细致的实验工作，使他具有高瞻远瞩的科学远见，能迅速地揭示出并捕捉住前人所未注意的有重要价值的新现象，紧紧抓住这种现象进行深入研究，终于取得成功。二、天然放射线的发现１８９６年法国著名数学家和物理学家彭加勒（Poincare,H.1854-1912）注意到Ｘ射线是从受阴极射线轰击而发出荧光的玻璃管壁上产生的。他提出是不是所有能强烈地发荧光和磷光的物质都能发射出Ｘ射线。法国物理学家亨利·贝克勒（Becquerel,H.A.1852-1908）由此受到启发，立即开始研究究竟有哪些荧光和磷光物质能发射Ｘ射线。他把许多磷光和荧光物质一一放在密封照相底片上置于阳光下曝晒，底片都没有感光。他想起十五年前和他父亲一起制备的磷光物质硫酸铀酰钾晶体，于是他把一块这种晶体放在日光下曝晒，直到它发出很强的荧光，然后把它和用黑纸包封的照相底片放在一起，发现底片感光了。他错误地认为这种晶体发射Ｘ射线。１８９６年２月２４日他向法国科学院报告了这一实验，认为Ｘ射线与荧光有关。３月１日，贝克勒把在抽屉里和铀盐放在一起的一张密封的底片拿去冲洗，显影后发现一件奇怪的事：这张底片已经感光，上面有很明显的铀盐的象，和刚经过日晒的铀盐产生的影象同样清晰。究竟日晒和荧光对于铀盐发出的这种神秘射线有没有关系呢？于是他亲自用纯试剂合成一些硫化物荧光物质，并设法加强它们的磷光，但它们日晒后都不能使底片感光。经过几个月的反复试验，贝克勒确信使底片感光的真实原因是铀和它的化合物不断地放射出一种奇异的射线，日晒与荧光都与照相底片感光无关，他把这种射线称为“铀射线”。１８９６年５月１８日，贝克勒宣布：发射铀射线的能力是铀元素的一种特殊性质，与采用哪一种铀化合物无关。铀及其化合物终年累月地发出铀射线，纯铀所产生的铀射线比硫酸铀酰钾强三至四倍。铀射线是自然产生的，不是任何外界原因造成的（光照、加热、阴极射线激发等不需要），所以既与荧光无关，也和Ｘ射线不同。铀射线能穿透过黑纸使照相底片感光，能使空气电离，使验电器放电，这些性质与Ｘ射线相同。但它的穿透能力不如Ｘ射线，它不能穿透肌肉和木板。铀射线的发现，立即引起科学界的极大兴趣。当时在巴黎大学攻读博士学位的居里夫人，即玛丽·斯克洛多芙斯卡（Sklodowska,M.1867-1934），决定选择铀射线的本质和来源问题作为自己的博士论文题目。１８９７年她开始研究。要深入研究铀射线的本质，首先要有一台能精确测量铀射线强度的仪器。玛丽的丈夫、法国物理学教授居里（Curie,P.1859-1906）设计了一个灵敏而简易的铀射线检验器。经过几周的研究，玛丽先弄清楚了铀射线的强度与试样中铀的浓度成正比，而与含铀化合物的化学组成无关，也不受外界光照和温度起落的影响。由此可以确认这种辐射是铀原子一种特性。１８９８年，她和德国人施米特（Schmidt,G.C.1856-1949）分别发现钍元素也具有这种性质，表明这种性质并非铀元素所独有。于是玛丽建议把这种性质叫做“放射线”，把具有放射线的元素如铀和钍叫做“放射性元素”。三、放射性元素钋和镭的发现居里夫人对很多种矿物标本逐个检验有无放射性。检验了几百种物质，都没有放射性。但当她检验到一种沥青铀矿和一种铜铀云母矿时，发现它们有很强的放射性，其强度比根据其中铀或钍的含量所预计的强度大得多。她又根据天然铜铀云母矿精确分析得到的组成，自己合成了铜铀云母，发现天然铜铀云母的放射性是人工合成试样的４．５倍。这两种矿物的异常的放射性，只能解释为其中含有某种含量很少但比铀和钍的放射性强得多的新元素。１８９６年６月，居里夫妇开始合作搜索这种新元素。他们先到沥青铀矿中去找。他们把这种矿石分解后，用系统的化学分析程序把其中的各种元素按组一组一组逐步分开。每经过一步分离，就测定两部分的放射线，根据溶液和沉淀有无放射性或放射性的大小来确定新元素在哪一部分中。经过几次淘汰搜索的范围逐步缩小，最后他们发现在沥青铀矿中有两种而不是一种新的放射性元素。１８９８年７月他们根据放射性证实了一种新放射性元素的存在，当时他们还只得到了一点富集了这种新元素的硫化铋，它的放射性远比金属铀的放射性大得多。要知道在沥青铀矿中这种新元素的含量只有一亿分之一，用一般的化学方法把它富集起来是何等艰巨啊！玛丽为这个新元素命名为“Polonium”（钋），这是为了纪念她的祖国波兰。五个月后，居里夫妇又根据放射性发现了另一种新的放射性元素，它已富集在氯化钡结晶里。这种混有新元素的晶体比金属铀的放射性竟大九百倍。居里夫妇给该元素命名为“Radium”（镭），意思是“赋予放射性的物质”。钋富集在硫化铋沉淀中，镭富集在氯化钡晶体中，这说明它们的化学性质分别很象铋和钡，而与铀相差很远。但是，这时居里夫妇还没有得到一点点纯的镭或钋的化合物。他们决定下一阶段的工作是从沥青铀矿制取纯的镭化合物。他们估计从沥青铀矿中提取了铀以后钋和镭可能原封不动地存留在废矿渣中，因为钋和镭的化学性质与铀相差很远。于是他们便从奥地利处理沥青铀矿的国营矿场买到了便宜的废矿渣。从１８９９年到１９０２年底，居里夫妇在物理学校的矿烂工棚里艰苦地工作了４５个月，一公斤一公斤地处理了两吨废矿渣。经过几百万次的溶解、沉淀和结晶等提炼工作，终于得到仅仅１００毫克的光说纯氯化镭。它的放射性强大得令人吃惊，竟是铀盐的二百万倍！把它放在玻璃瓶里，玻璃瓶就放出紫色的荧光，它也能使金刚石、红宝石、萤石、硫化锌、铂氰化钡等发出磷光。他们对镭的原子量进行了初步测定，大约是２２５，从而确定了它在周期表中处于ⅡＡ族钡的下面。１９０３年６月２５日，３６岁的玛丽·居里夫人在巴黎大学通过了博士论文答辨，论文题目是《放射性物质的研究》。这年１１月，英国皇家学会授予居里夫妇载维金质奖章。１２月１０日居里夫妇和贝克勒一道荣获这一年的诺贝尔物理学奖，分享奖金。１９１０年，居里夫人和法国化学家德比尔纳（Debierne,A.1874-1949）合作，通过电解氯化镭取得了金属镭，研究了它的性质。１９１１年，居里夫人获得了诺贝尔化学奖。全世界只有为数极少的几位科学家两次获得诺贝尔奖，居里夫人是其中唯一的女科学家。玛丽·斯克洛多芙斯卡１８６７年１１月７日出生沙俄统治下的华沙，当时波兰已经亡国一百多年了。她少年时就有强烈的爱国思想，在青年时代又爱上了科学，决心要以科学振兴祖国，为波兰争光。她于１８９１年来到巴黎求学，先后以优异的成绩获得数学和物理学硕士学位，１８９５年与已是物理学教授的居里结婚，结成了一对后来非常著名的科学伴侣。从１８９８年６月起居里决定和玛丽合作共同探索沥青铀矿中的新的放射性元素，他们的亲密合作一直持续了八年。１９０６一天居里在大街上被载重马车撞倒，车轮夺去了他的生命。居里夫人悲痛欲绝，几乎神经失常。经过长期疗养后刚刚康复，她就以惊人的毅力，不仅担负起抚养两个女儿的家庭重担，承担了居里在巴黎大学的教授席位，而且为放射科学的建立和发展又作出了重大贡献，从而获得了１９１１年诺贝尔化学奖。镭的发现在科学界引发了一场革命，居里夫妇的工作是原子能应用研究的开端。但居里夫人不仅是有重大贡献的科学家之一，而且是一位高尚无私的人。当时镭的价格十分昂贵，但居里夫人甘于过着简朴的生活，她毫无保留地公布了镭的提炼方法，没有申请专利。正如她所说“镭不应该使任何人发财，镭是化学元素，应该属于大家”。她所获得的巨额奖金，也几乎全部用于接济穷苦的学生，或支援了科学团体。１９３４年７月４日，居里夫人在长期患恶性贫血白血病后与世长辞。医生的证明是：“夺去居里夫人生命的真正罪人是镭”。她把自己的一生献给了科学事业。四、α、β、γ三种射线的发现居里夫妇曾发现，镭发出的射线有两种。１８９８年，出生于新西兰在剑桥大学卡文迪许实验室工作的青年物理学家卢瑟福（Rutherford,E.1871-1937）开始投入放射性的研究工作。他用强磁铁使铀射线偏转，发现射线分为方向相反的两股，这表明它至少包含有两种不同的射线，一种非常容易被吸收，称为α射线；另一种具有较强的穿透力，称为β射线。１９００年法国人维拉德（Villard,P.1860-1934）观察到，镭除了上面两种射线之外，还存在着第三种射线，它不受磁场的影响，与Ｘ射线非常类似。在此之前，卢瑟福已于１８９８年发现一种比α和β射线穿透力更大的射线存在，这就是维拉德１９００年所确认的这种射线。后来卢瑟福把它称为γ射线，并于１９１４年确定了它是一种波长比Ｘ射线更短的电磁波。贝克勒１８９９年发现β射线在磁场中偏转的方向与阴级射线相同。居里夫人证明它荷负电。１９００年贝克勒测定了它的荷质比，确认β射线就是电子流。为了揭示α射线的本质，卢瑟福作了多年的努力。１９０２年，他用强磁场使射线发生的偏转，证明了它是带正电荷的粒子流，这种粒子被称为α粒子。１９０６年他测定了α粒子的荷质比，证明它的数量级与氢或氦离子相同，但当时的实验精度还不能分辨出它带一个还是两个电荷。１