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从炼金术到周期表:X射线、U射线和黑抽屉

时间:2023-10-19 理论教育 版权反馈
【摘要】:贝克勒尔的一张照相底板,正是这张底板帮助他发现了射线的奥秘起初贝克勒尔认为,这些射线类似于X射线,但进一步的观察表明两者有很大的不同。X射线是无法被磁场偏转的,但他发现的射线可以。贝克勒尔称之为“U射线”,认为只有铀才能放射这种射线。X射线和γ射线也是电磁波谱的一部分,α射线和β射线则不是,因为后两者是运动的粒子,而非能量波。贝克勒尔的学生、波兰化学家居里夫人发现,钍也能产生“U射线”。

从炼金术到周期表:X射线、U射线和黑抽屉

1896年,法国物理学家贝克勒尔在研究磷光材料(可在黑暗中发出之前储存的光)时发现了放射性。他希望在磷光和X射线之间建立联系,却发现各种铀化合物能使照相底板变黑。和其他许多发现一样,这个发现纯属偶然。

贝克勒尔先将铀盐(硫酸铀酰钾)暴露在阳光下,然后放在用黑纸包裹的照相底板旁边。在冲印时,他发现底板上有阴影,他认为那是由铀盐发出的某种“射线”造成的。当天气变得阴沉,不适合做吸收太阳光的实验时,贝克勒尔就将铀盐和底板放在抽屉里,以备日后使用。几天后,在未做光照铀盐实验的情况下,他从抽屉里取出底板冲洗。令他感到惊奇的是,铀盐虽然没有机会吸收光能,“射线”却还是穿透了底板,留下了印迹。他还发现,金属铀也有同样的效果。

贝克勒尔的一张照相底板,正是这张底板帮助他发现了射线的奥秘

起初贝克勒尔认为,这些射线类似于X射线,但进一步的观察表明两者有很大的不同。他制造了一台设备,利用磁场来偏转射线。X射线是无法被磁场偏转的,但他发现的射线可以。贝克勒尔称之为“U射线”,认为只有铀才能放射这种射线。其他人则称之为“贝克勒尔射线”,并准备到更多地方去寻找它。

电磁波谱

电磁波谱是辐射能量的全部频率范围。我们可以看得到的光(即可见光,从红光到紫光)是这个波谱的一部分,就像加热食物的微波和传输广播、无线互联网的无线电波一样,区别只在于波长,也就是能量波的两个波峰或两个波谷之间的距离。X射线和γ射线也是电磁波谱的一部分,α射线和β射线则不是,因为后两者是运动的粒子,而非能量波。

电磁波谱,从最长波长(无线电波)到最短波长(γ射线)

人们很快就发现,铀并不是唯一能发射贝克勒尔射线的元素。贝克勒尔的学生、波兰化学居里夫人发现,钍也能产生“U射线”。她和丈夫皮埃尔研究了被称为“沥青铀矿”的矿物,发现其放射性比铀本身更强。

甚至连铀被提取后留下的废料,也比铀本身的放射性更强。居里夫妇判断,其中至少还含有另一种放射性元素。于是两人进一步研究,在一口巨大的锅里熔化了数千公斤沥青铀矿,并用一根几乎和居里夫人本人一样高的铁棒搅拌。努力最终得到了回报,他们发现了两种新的放射性元素。1898年,他们分离出了第一种元素,并以居里夫人的家乡波兰将其命名为钋(Po)。后来他们发现,钋的放射性是铀的100万倍。但在钋被移除后,残留物仍然具有放射性,这有力地表明其中仍存在另一种放射性元素。

居里夫妇需要大量的沥青铀矿来采集铀,但沥青铀矿价格十分昂贵。居里夫人联系了奥地利的一家铀工厂,买到几吨已经提取过铀的沥青铀矿。居里夫妇又开始用大锅工作,终于在1902年分离出了另一种元素,他们称之为镭(Ra)。镭的放射性是铀的250万倍。提取钋和镭的工作堪称伟大的壮举:每吨铀矿石只能产生0.14克镭,而钋更是只有100微克,即0.0001克。

沥青铀矿是铀矿石(铀的氧化物)的一种形式,从中可提取铀
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按照磷光的模式,即吸收和释放能量的模式,居里夫人指出:放射性物质吸收了某种永久存在的背景辐射,然后发出这种辐射,就像磷光材料吸收和发出光一样。“放射性”一词正是由居里夫妇创造的(其词根来自镭)。

把安全抛在脑后

搅动一锅经过加热的、放射性极强的物质,这对人体健康而言可不是什么好事。居里夫人最终死于再生障碍性贫血,大概正是她在职业生涯中密切接触放射性物质而导致的。在巴黎的居里实验室里,有一种轻视潜在风险的氛围。谁要是担心个人安全,就会被认为对科研和进取不够专注。居里夫人的许多研究人员都病倒了。她和丈夫皮埃尔从1903年起,就已经出现了辐射病的早期症状。

居里夫人
(1867—1934)

居里夫人出生于波兰,本名玛丽亚·斯克沃多夫斯卡,父母都是教师。从母亲去世时起,她便中断了自己的学业。她通过当家庭教师来帮衬家里的生计,并利用空闲时间热切地阅读和学习。1891年,她从华沙移居巴黎,进入索邦大学学习数学和物理学。

1895年,她结识了皮埃尔·居里并与他成婚,且改用法语中的“玛丽”作为自己的名字。两人在巴黎高等物理化工学院工作时发现,辐射不受元素化学状态的影响:一个放射性原子无论是化合物状态还是原生状态,都会以同样的速度和方式发出辐射。放射性作为物理现象与元素的化学状态是彼此独立的,凭借这一发现,夫妇两人在1903年与贝克勒尔共同获得诺贝尔物理学奖。

居里夫妇对铀进行持续的研究,遍历艰辛后终于发现了钋,继而又发现了镭。1911年,居里夫人因这些发现获得了第二个诺贝尔奖,而这一次是化学奖。自1906年皮埃尔去世后,她继续从事两人一直以来的研究,并接替丈夫成为索邦大学的化学教授。

第一次世界大战爆发时,居里夫人和她17岁的女儿伊雷娜(后来成为放射化学家)带着流动X光车奔赴法国前线,开展诊断骨折和帮助伤兵查找弹片的工作。居里夫人后来率先将放射性用于医疗,特别是用于癌症的治疗。她是第一个获得两项诺贝尔奖的科学家,也是迄今唯一两度折桂的女科学家。

居里夫妇与女儿合影,伊雷娜后来也因为在放射性研究上的成就获得了诺贝尔奖

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