诺贝尔物理学奖史演义(四)——科研巾帼攀高峰

作者:魏德勇来源:蝌蚪五线谱发布时间:2019-11-28

可谓巾帼不让须眉。

法国物理学家亨利·贝克勒尔在研究X射线的实验中,发现了具天然放射性的铀射线,因此站上了1903年度诺贝尔物理学奖的领奖台。然而,他并没弄清铀射线是从哪里来的,也不知道其它元素会不会发出类似的天然射线。

1897年3月,在法国西里奥里镇的一栋公寓里,一位美丽的女人独自坐在客厅里,细读着关于铀射线的相关论文。这间客厅非常简陋,只有一个书架、一张桌子和两个凳子,很显然只用来读书和吃饭。

居里夫人铜像

居里夫人铜像(来源:百度)

这位美丽的女人名叫玛丽,因丈夫名叫彼埃尔·居里,人们都称她为居里夫人。出生在波兰,从小就很聪明,功课总在全班第一。1895年,也就是德国物理学家伦琴发现X射线那一年,她嫁到法国。婚后,夫妻琴瑟和鸣,共同搞科学研究。通过努力,居里夫人不但获得物理、数学双学士学位,还完成了法国工业振兴协会委托的钢铁磁气研究,并考取了中学教师资格证。

不满足是向上的车轮。居里夫人的生活十分美满幸福,科研事业也很顺利,但她还要选择别人未做过的研究作为博士论文的选题。

反复阅读近几年的物理学期刊后,居里夫人对贝克勒尔关于铀射线的论文产生兴趣。展读再三后,她隐隐觉得,贝克勒尔的研究在物理学上富启发性,很可能成为某种伟大研究的开端。与丈夫商量以后,怀胎三月的她决定把研究铀射线的来源及相关放射现象作为博士论文的研究课题。

平心而论,居里夫人的这个决定非常具有前瞻性。一则,能量来源是当时科学界的难题,一般学者不敢碰;二则,贝克勒尔的重要发现还没得到科学家的充分重视,要完成这个选题虽然参考的资料少,但成功机率大;三则,当时世界上还没有女性的理科博士,完成论文可以证明当时女性并不比异性差!

可是,当决定真正落地时,居里夫人发现困难比想象大得多。第一个“拦路虎”就是没有实验室。物理学家没有实验室就跟战士没有枪一样。当时的欧洲各国只为少数有地位的学者配备实验室。一般学者要么花巨资自己建,要么去别人的实验室当助手。家境一般的居里夫人虽然取得很多成绩,但在当时还是属于“一般学者”的范畴。

居里夫人在实验中(来源:教案网)

居里夫人在实验中(来源:教案网)

关键时刻,居里先生出现了。在巴黎理化学校任教的他与校长协商,向学校借了一间仓库和一个杂货间作为实验室。仓库环境真不敢恭维,地面不平整,屋顶会漏雨,夏季闷热,冬季有寒风从墙壁的缝隙吹进来。更头痛的是,当理化学校还是巴黎医学院时,这里还是尸体解剖室,因此光线暗,湿气重,设备更是简陋。

只要有实验室一切问题都不是问题。居里夫人找人把屋顶、墙壁整理一遍,保证基本不漏雨、不进风,修好壁炉,并添置了一些基本的实验设备。湿气重始终没法解决,就这样,她的第一个实验室就诞生了。尽管居里夫人以后又换过许多实验室,但眼前这个无疑是她实验工作的起点。

同行也给了居里夫人很大的安慰。化学家安德烈·波恩特送来实验仪器时,看到如此简陋的实验室,露出惊讶而敬佩的表情。作为“锕”元素的发现者,他深知实验研究的重要性。“亲爱的居里夫人,您是最棒的女人。你们一定会成功!”他紧握居里夫妇的手,发出真诚的祝福。

准备就绪,终于可以进行实验了。她做的第一个实验是测量铀射线的强度,这也是贝克勒尔重复做过的实验。贝克勒尔当年发现铀元素有三种特性:使气体电离、使照片感光、具有穿透力。居里夫人通过实验测量,确定铀射线的强度与铀的质量能成正比,不受光照、加热等因素影响,单质如此,化合物也如此。由此,再次证实了贝克勒尔的结论:铀射线的放射是原子内部运动的结果。

随着实验的深入,居里夫人惊喜地发现铀射线有一种非同寻常的性质,这种性质可能对人类生活产生无可估量的作用。虽然当时确定铀元素自动放出铀射线,但没有证据证明铀元素是唯一可以发出这种射线的元素。

居里夫妇在实验中

居里夫妇在实验中(来源:教案网)

贝克勒尔只是巧合的情况下发现了铀射线,但如果就此认为只有铀元素才会发出这种射线,那必须得用实验数据来说话。居里夫人找来若干种矿石和化学物品,决心检查当时所有的已知元素,看是否能发出这种射线。

通过反复实验,居里夫人确认:钍也能发出天然射线。而且她相信,以后随着科学的发展,科学家们还会发现更多像铀、钍一样的元素。于是,她把原子核自发地放出射线的现象叫“放射性”,把铀、钍等具有放射性的元素叫“放射元素”。

含钍的矿石(来源:中国新石器网)

含天然放射元素的钍矿(来源:中国新石器网)

放射性,对于科学界而言是多么重要的名词。1903年,诺贝尔奖组委会给居里夫妇定的获奖理由即是发现天然“放射性”。从研究“放射性”出发,居里夫人发现了钋、镭两种新元素,并获得1909年度诺贝尔化学奖。30年后的1939年,她的大女儿伊雷娜又因发现人工放射性物质而获诺贝尔化学奖。一个家族两代女人获诺贝尔奖,千古流传。

放射性实在太重要了。从放射源角度出发,放射性分为两种;天然放射性遍布整个地球,乃至整个宇宙;人工放射性是通过核反应方法获得的放射现象。放射性已经被广泛应用到各个领域:工业上建立核电站,核能发电;医学上用X光治疗癌症;考古学上利放射性定年法来判断出土文物的所属年代;日常生活中,手机、电脑、电视、感应器等等,都要用到放射性技术……

天然放射现象(来源:免费文档)

天然放射现象(来源:免费文档网)

放射性与我们生活息息相关。从这方面讲,居里夫人获十次诺贝尔奖也不为过。可惜,由于当年男权主义的盛行,她不得不与居里先生作为共同研究者,并与铀射线的发现者贝克勒尔一起站在诺贝尔物理学奖的领奖台上。

当居里夫人在巴黎醉心于放射性实验研究的同时,被誉为“20世纪初英国最负盛名之物理学家”的瑞利勋爵,正用物理实验和物理理论研究空气密度及构成,并因此获得1904年度诺贝尔物理学奖。欲知瑞利勋爵是如何进行理论与实验研究,且听下回分解。
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【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《伟大的女科学家居里夫人》,江西高校出版社,2015年7月。

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