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放射性的发现

王渝生  发表于 2018年05月17日

1975年,第十五届国际计量大会将放射性活度的国际单位命名为贝克勒尔,简称贝克,符号Bq,以纪念法国物理学家贝克勒尔发现放射性现象。

贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,18521908)出生于法国。1872年就读巴黎理工大学,后在公路桥梁学校毕业,获工程师职位。1878年在巴黎自然博物馆任物理学教授,1895年任理工大学教授。贝克勒尔是法国科学院院士,擅长于荧光和磷光的研究。由于研究荧光现象而发现铀的放射性,1903年因此获诺贝尔物理学奖。由于受到放射性的伤害,1908年,56岁的贝克勒尔英年早逝。

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法国物理学家贝克勒尔

 


X射线的发现给予的启示

1895年底,伦琴将他的《初步通信:一种新射线》和一些X射线照片分别寄给各国著名的物理学家,其中包括法国的庞加莱(H.Poincare,18541912)。庞加莱是著名的数学物理学家、法国科学院院士。1896120日,法国科学院开会,他带去了伦琴寄给他的论文,并展示给与会的科学家。由于X射线的产生与真空玻璃管中的强烈的磷光有关,庞加莱在会上提出假设:被日光照射而发磷光的物质也应发出一种不可见的、有穿透力的、类似于X射线的辐射。说者无心,听者有意,庞加莱的假设给贝克勒尔留下了深刻印象,大大激励了贝克勒尔的兴趣。会后,他立即开始这方面的研究。

科学史上很多事是惊人的相似,当年法拉第听说奥斯特能将电变成磁,便决心要将磁变成电,终于成为电磁学一代宗师;莫尔斯在轮船上听人谈论电传信号,决心致力于此,终于发明了电报。从贝克勒尔从事研究放射性的缘由,可以看出参加学术讨论、进行信息交流对科学发展多么重要。通过学术交流产生的“思维共振”,经常是重大发现的催化剂;在讨论中迸发的一点火星,往往成为创造性工作的开端。

1896224日,贝克勒尔向法国科学院提交了“论磷光辐射”的报告。他发现,硫酸钾铀酰在阳光下曝晒几小时后能发出一种射线,这种射线可穿透黑纸而使照相底片感光。贝克勒尔和庞加莱一样,认为这种射线类似于X射线,其发射以太阳光对铀盐晶体的激发为条件。

 

机遇偏爱有准备的头脑

贝克勒尔准备再多重复几次实验,但天公不作美,226日和27日是阴天,他把准备好的用黑纸包着的底片和铀盐试验装置随便放到暗室的抽屉内,没去管它们。过了几天,31日时,贝克勒尔为了向第二天的科学院会议提供感光图像强度和磷光强度及持续时间关系的证据,冲洗了一张底片,使他目瞪口呆的是,底片上被压在铀盐下的部分异乎寻常的黑,而不像平时晶体经过曝晒后那样微黑。他又冲洗了一张,依然显示出同样的结果。然后他在暗室内又准备了一张照相底片、一个带有铝隔板的干板夹和一个纽扣状的铀盐片。5小时后,冲洗出来的底片还是感光了。

32日例会后,贝克勒尔又精心设计并做了一系列实验。他对这种铀盐晶体进行加热、冷却、研成粉末、溶解在酸里等物理或化学上的加工,发现只要化合物里含有铀元素,就有这种神奇的贯穿辐射。贝克勒尔还用纯金属铀做实验,发现它所产生的放射性要比硫酸双氧铀钾强三四倍。他把这种放射性称为“铀射线”。在518日的科学院例会上,贝克勒尔宣布,铀或铀盐会自发放射出射线(铀射线)。这是一种新的、由原子自身产生的射线,这种射线的强度并不因为加热、冷却、粉碎、溶解等物理或化学上的影响而发生变化,换句话说,这种射线非常“我行我素”,不管外界对它施加何种影响,它始终如一地发出射线。贝克勒尔的这一重大发现同伦琴发现的X射线一起使人们对物质的微观结构有了更新的认识。

事后有人认为贝克勒尔发现放射现象纯属偶然,因为那几天正好遇上阴雨。当然这是偶然因素,但是贝克勒尔做实验十分细心,而且重复实验,这种严谨的科学态度印证了法国科学家巴斯德的一句名言:“在观察的领域中,机遇只偏爱那些有准备的头脑。”不过,用贝克勒尔自己的话说,在他的实验室发现放射性是“完全合乎逻辑的”。这个说法是有根据的,贝克勒尔的父亲就继承祖业研究矿物、化学及磷光等,是欧洲有名的固体磷光专家。在他家的实验室里有各种各样荧光和磷光物质,常年进行各种实验,其中也包括铀盐。铀盐会发出特别明亮的磷光,他的父亲曾专门研究过铀盐。贝克勒尔也算子承父业,加上具有注重收集实验资料、尊重客观事实的传统,使他很自然地得到正确的结论,成为发现放射性的先驱。

 

打开了原子物理学的大门

原子会自发地放出射线,这在物理学中是个全新的领域,激起了许多科学家的兴趣。1897年,居里夫人(Marie Curie,18871934)选择放射性作为自己的博士论文题目,她用精确的测量技术重复了贝克勒尔的铀盐实验,得到了精确的数值。但她并不满足铀的实验,决定对已知的各种元素进行普查。在她的丈夫皮埃尔·居里(Pierre Curie,18591906)的协助下,他们进行了艰苦的提纯工作。1898年,居里夫妇发现了放射性更强的钋和镭。由于这一发现,居里夫妇与贝克勒尔共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。

钋和镭的发现加速了放射性的研究。这其中做出最大贡献的是英国物理学家卢瑟福(Ernest Rutherford,18711937),1899年,他从贝克勒尔射线中分离出两种性质不同的射线——α射线和β射线。1900年,法国物理学家维拉德(Paul Villard,18601934)发现了辐射中的γ射线。经过许多科学家的共同努力,在很短的时间内人们就了解了原子射线的性质。α射线是带正电的氦原子核流;β射线是带负电的电子流;γ射线是不带电的电磁波,具有更强的穿透能力。放射线的发现和研究打开了原子物理学的大门,同时也开启了核物理的时代。


(本文发表于《科学世界》2012年第6期)



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