1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng) 放射性的發(fā)現(xiàn)和研究 1903年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)一半授予法國物理學(xué)家亨利貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel，18591906)，以表彰他發(fā)現(xiàn)了自發(fā)放射性(spontaneous radioactivity)；另一半授予法國物理學(xué)家皮埃爾居里(Pierre Curie，18591906)和瑪麗斯可羅多夫斯卡居里(Marie Sklodowska Curie，18671934)，以表彰他們對貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的輻射現(xiàn)象所作的卓越貢獻(xiàn)。 亨利貝克勒爾是法國科學(xué)院院士，擅長於螢光和磷光的研究。1895年底，倫琴將他的初步通信：“一種新射線”和一些X射線照片分別寄給各國著名物理學(xué)家，其中包括法國的潘卡瑞(H. Poincar)。潘卡瑞是一位著名的數(shù)學(xué)物理學(xué)家，當(dāng)時(shí)也是法國科學(xué)院院士。1896年1月20日法國科學(xué)院開會，他帶去倫琴寄給他的論文，並展示給與會的科學(xué)家。這件事大大地激勵(lì)了亨利貝克勒爾的興趣。他問這種穿透射線是怎樣產(chǎn)生的? 潘卡瑞回答說，這一射線似乎是從陰極對面發(fā)螢光的那部分管壁上發(fā)出的。貝克勒爾推想，可見光的產(chǎn)生和不可見的X射線的產(chǎn)生或許是出於同一機(jī)制。第二天他就開始試驗(yàn)螢光物質(zhì)會不會產(chǎn)生X射線。然而，貝克勒爾最初的一些實(shí)驗(yàn)卻是失敗的。正在這個(gè)時(shí)候，潘卡瑞在法國一家科普雜誌上發(fā)表了一篇介紹X射線的文章，文章又一次提到螢光物質(zhì)是否會同時(shí)輻射可見光和X射線的問題。貝克勒爾讀到後很受鼓舞，於是再次投入螢光和磷光實(shí)驗(yàn)，終於找到了鈾鹽有這種效應(yīng)，他用兩張厚黑紙包了一張感光底片，紙非常厚，即使放在太陽光下曬一整天也不致使底片曝光。他在黑紙上面放一層鈾鹽，然後一起拿到太陽光下曬幾小時(shí)，顯影之後，他在底片上看到了磷光物質(zhì)的黑影。然後他又在磷光物質(zhì)和黑紙之間夾一層玻璃，也做出了同樣的實(shí)驗(yàn)， 證明這一效應(yīng)不是由於太陽光線的熱使磷光物質(zhì)發(fā)出某種蒸氣而產(chǎn)生化學(xué)作用所致。於是得出結(jié)論：鈾鹽在強(qiáng)光照射後不但會發(fā)射可見光，還會發(fā)出穿透力很強(qiáng)的X射線。 貝克勒爾這一結(jié)論並不正確，一次偶然的機(jī)遇使他作出了真正的發(fā)現(xiàn)。 1896年3月2日法國科學(xué)院又該舉行例會，貝克勒爾準(zhǔn)備再次報(bào)告自己的實(shí)驗(yàn)進(jìn)展。他原想再作一些試驗(yàn)，可是2月26日、27日連續(xù)陰天，見不到陽光。他只好把所有的器材放在抽屜裏，鈾鹽也擱在包好的底片上，等待好天氣。正當(dāng)他為陰雨不止而焦急時(shí)，一種職業(yè)性的靈感使他作出決定，雖然底片沒有曝光，也洗出來試試看。沒有想到，洗出的底片和曝過光的一樣黑。這件事使他恍然大悟，原來鈾鹽的輻射在黑暗中也照常進(jìn)行，無需強(qiáng)光的照射。顯然這是與X射線有根本區(qū)別、穿透力也很強(qiáng)的另一種輻射。貝克勒爾肯定這是鈾鹽自發(fā)的輻射，就取名為鈾輻射。 在科學(xué)院例會上報(bào)告後，他又繼續(xù)做了許多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鈾輻射不僅能使底片感光，還能使氣體電離變成導(dǎo)體。這一發(fā)現(xiàn)為以後的研究開闢了道路，因?yàn)閺碾婋x即可測量放射性。他研究了各種因素對這一輻射的影響：鈾鹽的狀態(tài)(是晶體還是溶液)、溫度、放電等等，並且斷定這種輻射與磷光效應(yīng)無關(guān)；他還從試驗(yàn)得出，純鈾的輻射比鈾化合物強(qiáng)好幾倍。於是，他在5月18日又一次科學(xué)院例會上宣布，放射性是原子自身的作用，只要有鈾這種元素存在，就有貫穿輻射產(chǎn)生。這就是貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性的經(jīng)過。 瑪麗斯可羅多夫斯卡居里原是波蘭人，1867年11月7日生於華沙，1891年到法國巴黎求學(xué)。她的生活簡樸貧窮，由於刻苦學(xué)習(xí)，成績優(yōu)良，獲獎(jiǎng)學(xué)金才得以繼續(xù)完成學(xué)業(yè)。1892年取得物理學(xué)碩士學(xué)位。在巴黎認(rèn)識了皮埃爾居里。為科學(xué)獻(xiàn)身的理想，把他們聯(lián)繫在一起。1895年他們結(jié)成了夫妻。 皮埃爾居里是巴黎大學(xué)教授，1859年5月15日出生於巴黎，1880年曾與其兄長雅克斯居里(Jacques Curie，18551941)一起發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)，這是一項(xiàng)很重要的發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時(shí)皮埃爾居里年僅21歲。後來皮埃爾居里繼續(xù)研究晶體，取得了不少成果。繼而研究磁學(xué)，發(fā)現(xiàn)鐵磁材料的磁性隨溫度變化的性質(zhì)。這時(shí)他已成了法國知名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家。 貝克勒爾發(fā)現(xiàn)放射性的論文引起了居里夫婦極大的興趣。1897年，居里夫人根據(jù)皮埃爾居里的建議，選放射性這一新課題做博士論文。開始只是重複貝克勒爾的鈾鹽輻射實(shí)驗(yàn)，不過由於她在測量方法上作了重大改進(jìn)，不但得到了定性的結(jié)果，而且獲得了大量精確的數(shù)據(jù)。她用的是居里兩兄弟創(chuàng)造的石英晶體壓電秤，代替了貝克勒爾的驗(yàn)電器。 石英晶體壓電秤的基本原理是利用石英晶體的壓電效應(yīng)，來與放射性物質(zhì)的電離效應(yīng)相互補(bǔ)償，通過壓電效應(yīng)測量空氣電離產(chǎn)生的電離電流，從而對放射性的強(qiáng)度進(jìn)行比較。 居里夫人用壓電秤測放射性的方法一直運(yùn)用了多年。她的學(xué)生們也沿用這一獨(dú)特的方法做了許多實(shí)驗(yàn)。居里夫人首先檢驗(yàn)了貝克勒爾的結(jié)論，證實(shí)輻射的強(qiáng)度僅與化合物中鈾的含量成正比，與化合物的組成無關(guān)，也不受光照、加熱、通電等因素的影響，肯定這是一種原子過程。但她並不滿足於這一結(jié)論，決定全面檢查已知的各種元素。她找來各種礦石和化學(xué)物品，一一做了試驗(yàn)。1898年取得的初步結(jié)果表明：絕大多數(shù)材料的電離電流都比較小，唯獨(dú)瀝青鈾礦石、氧化釷和輝銅礦石(內(nèi)含磷酸鈾)會產(chǎn)生很強(qiáng)的電離電流。於是，居里夫人斷定釷也是一種放射性元素。她還發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦石和輝銅礦石比純鈾的活性還強(qiáng)得多。居里夫人想到，既然兩種鈾礦石都比鈾自身還更活潑，從這個(gè)事實(shí)可以相信，在這些礦石中可能含有比鈾活潑得多的元素。 居里夫人認(rèn)為，既然不止一種元素能自發(fā)地放出輻射，顯然這是一種普遍的自然現(xiàn)象。 上述實(shí)驗(yàn)只是提供了新放射性元素存在的證據(jù)，進(jìn)一步的任務(wù)當(dāng)然是要找到這種新的元素。這時(shí)居里夫人顯示了她那剛毅的氣質(zhì)，她預(yù)料從礦石中提煉這一微量元素絕非輕而易舉的事，但她還是決心投入極其繁雜的化學(xué)分析中去。皮埃爾居里認(rèn)識到她這個(gè)決定的重要意義，就中斷了自己的研究計(jì)劃，盡力協(xié)助夫人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 瀝青鈾礦是一種成分複雜的礦石，以鈾為主，其餘是多種雜質(zhì)，包括銀、銅、鋇、鉍、鈷等金屬的化合物，這些雜質(zhì)中究竟那一種成分含有放射性，只有靠化學(xué)方法分離後，再用靜電計(jì)比較其電離電流才能鑑別，他們先要把礦石溶解在酸液裏，然後通以硫化氫等試劑，使某些成分沉澱。收集到的沉澱物再用別的試劑溶解和沉澱。這樣一邊進(jìn)行化學(xué)分析，一邊用物理儀器測試，結(jié)果發(fā)現(xiàn)鉍的成分顯示強(qiáng)烈的放射性，比同樣質(zhì)量的鈾強(qiáng)400倍。 他們進(jìn)一步確證，放射性並不是來自鉍本身，而是混在鉍內(nèi)的一種微量元素，經(jīng)過反覆試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)可以利用兩種金屬溶解度不同的特點(diǎn)再進(jìn)行分離。加水使鉍鹽溶解後，從首先沉澱下來的渣物中找到了特別強(qiáng)的放射性物質(zhì)。居里夫婦建議稱之為釙(Polonium)，為的是紀(jì)念他們之一的祖國波蘭。 接著，居里夫婦繼續(xù)進(jìn)行分離試驗(yàn)，又發(fā)現(xiàn)鋇鹽中有更強(qiáng)的放射性，他們認(rèn)為還有第二種物質(zhì)，放射性更強(qiáng)，化學(xué)性質(zhì)則與第一種完全不同，用硫化氫、硫化銨或氨都無法使之沉澱；這種新的放射性物質(zhì)在化學(xué)性質(zhì)上完全像純鋇，其氯化物可溶於水，卻不溶於濃鹽酸和酒精。由它可得鋇的光譜。他們認(rèn)為，這種物質(zhì)中必定還有一種化學(xué)性質(zhì)極其接近於鋇，卻能產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的放射性的新元素。 他們進(jìn)行了一系列的分離，得到越來越活潑的氯化物，其活性竟比鈾大900倍以上。他們把這種新的放射性元素命名為鐳(Radium)。 居里夫婦用分離結(jié)晶的方法不斷提高含鐳氯化鋇中鐳的成分。這是一件非常煩瑣而細(xì)緻的工作，要求有潔淨(jìng)的工作場所，氯化鐳比氯化鋇的溶解度差些，在結(jié)晶時(shí)首先析出，不過每一次結(jié)晶仍然伴隨著大量的氯化鋇，因此要反覆結(jié)晶。結(jié)晶的遍數(shù)越多，晶體中鐳的含量也越高，放射性就越強(qiáng)。1899年，居里夫婦得到的晶體比鈾的放射性強(qiáng)7500倍。他們繼續(xù)分離，竟達(dá)到了100000倍，然而仍然不是純粹的鐳鹽。 為了提煉出足以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的純鐳鹽，居里夫婦不得不從更多的礦渣中分離含鐳的氯化鋇。他們得到成噸的瀝青鈾礦礦渣，找了一間沒有人用的舊木棚當(dāng)實(shí)驗(yàn)室。沒有窗戶，原來有的玻璃頂蓋早已破碎，冬天無法取暖，夏天悶熱難熬。他們兩人就像水泥工人一樣，整天和礦渣溶液打交道。為了加速化學(xué)反應(yīng)，他們要拿著粗大的鐵棒不停地?cái)嚢璐笸把Y的溶液，還要給溶液加熱，煙燻霧嗆，勞累不堪。居里先生體質(zhì)很差，夫人就擔(dān)負(fù)起最繁重的勞動(dòng)，上下忙碌，把測試的工作留給居里先生管。經(jīng)過四年的奮鬥，他們終於從八噸礦渣中提取出了0.1克的純鐳鹽。1902年，居里夫婦宣布，他們測得鐳的原子量為225，找到了兩條非常明亮的特徵光譜線。這時(shí)，鐳的存在才得到公認(rèn)。經(jīng)過幾年的勞累，居里夫婦身體日漸衰弱，原來身強(qiáng)力壯的居里夫人，體重竟減輕了20磅，加上當(dāng)年缺乏放射性防護(hù)的知識，他們不可避免地遭受了放射線的襲擊。1906年4月19日居里先生不幸在街上被馬車壓死，這使居里夫人受到極大打擊，但她還是頑強(qiáng)地工作，帶領(lǐng)她的學(xué)生(其中包括自己的女兒伊倫居里和女婿弗列德利克約裏奧)繼續(xù)戰(zhàn)鬥在放射學(xué)的前沿。居里夫人後來長期患惡性貧血癥。她