放射性和核蜕变

现在我们经常就是否应该建造核能发电站展开争论，然而直到上个世纪末，许多权威的科学家还不相信原子的存在。在古希腊，原子意为物质存在的最基本单元，它的自身不再有结构。道尔顿（John Dalton，1766—1844）在1800年左右用原子代表参加化学反应的最小基元，为18世纪积累的化学做了一个总结。1868年前后，门捷列夫提出元素周期律之后，原子的概念才得到普遍的承认。但是原子是一种数学抽象，还是一种物质实体，人们仍在争论。19世纪末X射线、放射性和电子的发现，导致20世纪对原子内部复杂结构的认识。

●放射性的发现

1895年11月8日，德国维尔茨堡大学校长伦琴（Wilhelm Conrad Roentgen，1845—1923）照例去了他的实验室，对当时发现不久的阴极射线进行研究。熄灯之后，他发现涂着铂氰化钡的屏幕上闪着黄绿色的荧光。这完全是实验目的之外的一个偶然发现。伦琴认为一定有一种未知的射线射到了屏幕上，因为阴极射线管已经被黑纸遮得严严实实，不会有光透过。这种偶然发现的射线有很强的穿透能力，不仅能穿透黑纸，还能穿透约千页厚的书籍、15厘米厚的木版、叠在一起的几张锡箔、几厘米厚的硬橡胶和玻璃板。他还发现，“如果把手放到放电装置和屏幕之间，可以看到骨骼的影像”。人类还从来没有发现过能穿透不透明物质的射线，所以伦琴把它命名为X射线。伦琴给他的妻子拍了一张手的X线照片，伦琴夫人的手骨清晰可见，还有戴在手指上的结婚戒指。对于现代人而言，X线毫无神秘之处，它不过是能量比较高的电磁辐射而已，与光线的性质相同，只是波长比紫外线还短。现在，在医院里拍一张X光片已经是一个非常一般的检查了，但它发现在当时却是轰动世界的新闻。X射线的发现激起了科学界的好奇，关于X射线的研究迅速在各国开展起来，物质世界内部幽深的大门从此逐渐被撬开了。1901年第一次颁发诺贝尔物理学奖，伦琴就是第一位得主。进入20世纪以来，不仅物理学，整个世界的面貌，都因这X射线的发现而发生了巨大的变化。

继X射线之后，许多其它的物质的放射性现象也被发现出来，甚至不少人为一些子虚乌有的射线争夺发现权。1896年，受X射线研究热潮的影响，法国科学家贝克勒耳（Antoine Henri Becquerel，1852—1908）开始研究荧光物质的发光与阳光照射的关系。贝克勒耳选用的荧光物质是一种铀盐，由于连日阴天，只好把铀盐和包在黑纸里的底片一起放到抽屉里。几天后，却发现底片已被感光。继而他发现，无论多黑的地方，只要把铀盐和底片放在一起，底片就会感光。而且，同一包铀盐可以不断地使底片感光。这表明，这块铀盐在没有诸如通电、光照等外界的任何作用的情况下，能不断地发射出某种能使照相底片感光的射线。那么，这种射线一定来自于铀盐的内部，而且应是来自于原子的内部。那么，原子本身就必定不那么简单，而是由其内部结构的。

1897年，J.J.汤姆逊证实，阴极射线实际上是比氢原子质量小得多的、带负电的、来自原子内部的一种粒子。这种粒子就是1881年G.J.斯托尼赋名的“电子”——最小的电荷单位。电子的发现表明，不仅进一步证明原子是有其内部结构的，而且电子必定是原子的一个重要组分。

在放射性研究中接着作出重大贡献者是居里夫妇。玛丽·居里（Marie Curie，1867—1934）婚前的名字是玛丽·斯克罗多夫斯卡（Maria Skradicalodowska），1867年生于波兰。因家境贫寒，中学毕业后，当过6年家庭教师。1891年她来到巴黎索邦大学攻读物理学，1893年获得物理学硕士，1894年获得数学硕士。1895年与皮埃尔·居里结婚而成为居里夫人。铀的放射性被发现后，居里夫人逐一测试了当时已知的元素，发现钍也具有放射性。这使居里夫人坚信，放射性不只为铀和钍元素所独有，它应该是一类元素的特性。1896年居里夫人观察到，一种沥青铀矿和铜铀云母的放射性非常之强，比同体积的纯净氧化铀的放射性要强得多。于是她认为，在这种矿中一定存在一种比铀的放射性更强的元素。居里夫妇利用奥地利政府提供的几顿废铀渣，在既像马厩又像土豆窖的实验室里，进行了新元素的提炼。1898年7月，他们得到了一种比铀的放射性强400倍新元素，居里夫人把它命名为“钋”，这是居里夫人的祖国波兰的第一个音节。这一年的12月26日，刚过完圣诞节，居里夫人在法国科学院又宣布了由她发现的第二个发射性元素，她将其命名为“镭”。当时他们测定的镭放射性比铀的要强900倍，1899年测定的则是强7500倍，几个月后发现强10万倍。1902年居里夫人从几吨重的沥青铀矿中，提取出0.1克左右的纯氯化镭，并用它测定了镭的原子量。居里夫妇和贝克勒耳三人，由于放射性研究的贡献分享了1903年度的诺贝尔物理学奖。当时的居里夫人36岁，居里44岁，贝克勒耳51岁。1910年居里夫人又提炼出金属纯的放射性镭，它的放射性比铀要强300万倍，为此居里夫人又荣获了1911年度的诺贝尔化学奖。

在放射性本身特性研究方面，首推英国科学家卢瑟福（Sir Ernest Rutherford，1871—1937）。1899年他就开始研究放射性镭，并发现了镭射线中包含两种成分。一种穿透能力弱，他命名α射线；另一种比α射线强100倍，命名为β射线。1900年1月居里发现α射线带正电，而β射线带负电。同年4月，维拉德又发现其中还有一种穿透力更强但不带电的射线，被命名为γ射线。几年以后，α射线被证明是一种粒子流，是氦的原子核，带2个单位的正电荷，原子量为4；β射线其实是高速运动的电子流；γ射线则是一种电磁波，比X射线的波长还要短，能量也更高。

●元素蜕变的发现

镭还有很强的热效应，居里夫妇和卢瑟福等人都对此进行过测量。1克镭每小时放出的热量可达100卡，这热量远远高于化学反应所释放出来的热量。那么，放射性元素的能量从何而来？居里夫人在1899年和1900年有过两种假设：一种可能是放射性物质从外界摄取能量然后再放射出来，另一种可能是放射性物质自身释放出来的能量。如果第二种设想成立，就意味着作为物质的基本单位元素本身也是处于不断的变化之中的，而不可能是永恒不变的了。

1902年卢瑟福和青年化学家F·索迪共同发表了一篇论文，宣布发射性元素会通过发出α粒子及β粒子使自己蜕变成另一种元素的原子。1904年卢瑟福提出放射性产物的链式蜕变理论，根据这个理论重放射性元素将逐渐变成比自己轻的放射性元素，最后蜕变成稳定元素铅。比如镭，它的直接衰变产物是放射性气体氡，氡继续衰变成为另一种放射性元素，然后再衰变，直到最后成为铅。卢瑟福因放射性物质研究的贡献获1908年度的诺贝尔化学奖。

元素蜕变的观念令当时人震惊。一座用砖砌成的大厦，如果砖本身在变化，大厦怎能牢固！原子是物质大厦的砖块，如果它在蜕变，世界岂不乱了套！元素蜕变假设还意味着，放射性元素内部的能量不是无穷无尽的，终究会有衰减完结之日。当时已经有了这种旁证，虽然当时发现的放射性元素铀、钍、镭、锕等的放射性似乎经年不衰，但居里夫人发现的钋却是按指数规律衰减的，每140天衰减一半。由此可以断言，其他放射性元素也一定衰变，只不过衰减得比较慢，一时显现不出来，并且这种衰变能一定源于某种未知的新机制。

1911年卢瑟福用α射线轰击铝箔，发现大部分α粒子几乎无障碍地穿过，只有极少数α粒子发生大角度反射。这表明原子内部似乎非常空虚，绝大部分质量集中在原子的中心。根据α粒子散射的角度分布，卢瑟福提出原子的有核结构模型。直到1932年物理学家们才弄清楚，元素的原子核是由荷正电的质子和不荷电的中子组成。元素的原子序数决定于质子数，而原子量则决定于质子数与中子数之和，两个质子数相同而中子数不同的原素称为同位素。由于原子的化学性质只与原子序数或者质子数相关，所以同位素的化学性质完全相同，在元素周期表上占据同一个位置，故有此名。所有元素的原子量都是整数，少数原子的非整数原子量只是其共存的同位素取平均的结果。