诺贝尔物理学奖史演义系列(三)——天然放射性的秘密

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-11-21

贝克勒尔发现铀射线具有跨时代的意义。

>>>传送门《诺贝尔物理学奖史演义系列(二)——以实证虚分大奖》

德国物理学家伦琴发现X射线的消息很快传遍全球,引起科学界的震动。许多人都对这种穿透力极强的人工射线产生了浓厚的兴趣,纷纷进行实验或研究。

1896年1月20日,法国科学院举行的月度例会上,物理学家亨利·庞加莱向在座的科学工作者展示了一封来自伦琴的信,信中夹了一张X射线拍的照片。会上,一位中年人站了起来询问:“伦琴先生有说明过X射线是如何产生的吗?”庞加莱答道:“贝克勒尔先生,X射线是从真空管阴极对面的荧光处发出来的。荧光和X射线之间有什么关系,荧光物质是否也能产生类似射线?伦琴先生没给出答案。您可以就此进行研究,或许比您的博士论文更具挑战性!”

二十世纪初的领袖数学物理家庞加莱(来源:百度)

二十世纪初的领袖数学物理家庞加莱(来源:百度)

庞加莱所说的博士论文,是贝克勒尔早期的科学杰作之一。贝克勒尔原名安东尼·亨利·贝克勒尔,法国人,祖父和父亲都是知名的物理学家。40岁以前,他的物理学研究侧重于光学领域,包括平面偏振光、磷光现象、荧光现象等。1878年,他在巴黎自然博物馆担任物理学教授,并由博物馆推荐继续主持父亲授过的应用物理学讲座。1888年,他凭借论文《晶体对光的吸收》获得科学博士学位。

贝克勒尔是研究磷光和荧光的专家。根据余辉长短,晶体发光的方式分为两种:磷光和荧光。当入射光停止后还有发光现象,这种光即磷光,如夜明珠发出的光;入射光停止后发光现象即消失,这种光即荧光,比如伦琴实验中的X射线。

会后第二天,贝克勒尔就开始做关于X射线的实验。他试了很多种含荧光的物质都没发出让底片感光的X射线。没办法只能转向研究含磷光的物质,因为磷光和荧光的发光原理是一样的。

在半个多月后,他终于找到一种符合条件的物质——铀盐。其主要化学成分为硫酸双氧铀钾,在阳光照射下会发出磷光。贝克勒尔参照伦琴的实验方法,在一张胶卷的底片外面包上严实的黑色纸片,并在纸片外放上晶体铀盐,然后放在阳光下晒几小时。最后把黑纸包带进暗房,冲洗照片,发现底片上有一块与铀盐大小相符的黑影。

铀矿石(来源:新浪网)

铀矿石(来源:新浪网)

铀盐经过阳光照射后会让底片感光,这说明它里面含有类似X射线的未知射线。可是伦琴先生告诉我们,光线中只有X射线才能穿透黑纸。这是怎么回事?同为磷光研究专家的父亲建议他多做几次实验,确保万无一失再做结论。

实验中的贝克勒尔(来源:图说科技网)

实验中的贝克勒尔(来源:图说科技网)

贝克勒尔点头表示同意。可是,巴黎连日阴云密布,太阳不见踪影,实验无法进行。只能把那块铀盐和几张底片用黑纸包起来放进抽屉里,并在纸包上放了一把钥匙,以免纸包散开。等待天气转好再说。

四天后的上午,贝克勒尔看到太阳出来高兴地从抽屉里取出纸包,走进暗房,当他取出底片时,惊奇地发现,底片已经感光了,上面还有钥匙的黑影!

“这是怎么回事?铀盐不是要经太阳光照射后才会发出让底片感光的射线吗?没有太阳光,射线从哪里来?”他自语道。

贝克勒尔查阅资料,认真思考,他已断定铀盐发出的射线与X射线并不相同。为此,他又进行了无数次实验,包括铀盐的化学成分分析、铀盐的感光测试等。实验证明铀盐发出了与X射线不同的射线。这种未知射线是天然形成的,不受光照等外来情况的影响。为了研究方便,他把这种未知射线称为“铀射线”。

射线在底片上的显影(来源:百度)

射线在底片上的显影(来源:百度)

1896年5月18日,贝克勒尔向法国科学院提交了一份关于铀射线的科学报告。报告中写道:经过多次实验证明,铀元素会源源不断地发出铀射线,作为一种天然的磷光现象,铀射线是物质内部原子自身作用的结果。

贝克勒尔不但从表象上解释了铀射线,还从化学结构上对它进行了本质分析。不久,他通过实验证明纯铀的金属板也会产生铀射线,由此确认了天然放射性的存在。后人把天然发出的射线叫做“贝克勒尔射线”,把“贝克勒尔”作为放射性活度的基本单位。

贝克勒尔发现铀射线,还证明原子核内部还有复杂结构,这为原子核物理学和粒子物理学的发展打下了根基,也为打开物质的微观世界铺平了道路,推动了近代化学的发展。后来,科学家们证明,原子序数大于83的天然元素都具有放射性,它们同时放出α、β、γ射线。

核电站中的核燃料,铀金属(来源:新浪网)

核电站中的核燃料,铀金属(来源:新浪网)

贝克勒尔发现铀射线的另一重要贡献在于启发了人类对铀元素的开发和应用。1896年以前,科学家们对铀的研究都是理论性的,铀化合物的用途仅限于为陶瓷或玻璃涂色。发现铀射线之后,科学家们对铀的研究就延伸到实用阶段。后来居里夫人在铀矿中发现了重要的放射性元素镭,铀成为开采镭的副产品。二战期间,由于以原子弹为主的核武器的需要,铀资源开采得以加速,因为原子弹装药主要以铀元素的同位素——铀235为主。美国于1945年8 月在日本广岛和长崎投下了两颗原子弹,迫使日本加快投降的步伐。自此,核武器制造得到迅速发展,铀的研究也受到各国的重视。

原子弹爆炸蘑菇云(来源:新浪).webp

原子弹爆炸蘑菇云(来源:新浪)

贝克勒尔发现铀射线具有跨时代的意义。成立没多久的诺贝尔奖组委会自然也明白。1903年,组委会经过多轮评选后,把年度物理奖同时颁给三个人:发现天然放射现象的贝克勒尔和受其启发而发现放射性元素钋、镭的居里夫妇。而居里夫妇又是怎样的科学故事呢?敬请期待《诺贝尔物理学奖史演义系列之四》
____________________________________________________

【参考资料】

1、 图书《诺贝尔物理学奖一百年》,2002年上海科学普及出版社出版,作者是郭奕玲、沈慧君。

2、 论文《20世纪物理学的伟大缩影》,作者清华大学郭奕玲,《物理研究》2009年第2期。

3、 文章《贝克勒尔的故事》,作者怡云,《中学生时代》,2011年7月。

扫码加蝌蚪五线谱微信