探索放射性物质

探索放射性物质

贝克勒尔发现新射线之后，引起了科学家们的极大兴趣。当时在剑桥大学卡文迪什实验室的卢瑟福也开始了对放射性物质的探索。

卢瑟福的家原来也在英国。在1842年时，他的祖父移居到新西兰。卢瑟福的父亲是一位农场主，并兼做轮箍匠，他共有12个子女，卢瑟福排行第二。小时候，卢瑟福帮助父亲料理过农事。在上学期间，卢瑟福表现出了非凡的才能，十几岁就获得了奖学金，并进入大学读书。大学毕业时，成绩排名第四。排名倒不能说明什么，不过这时的卢瑟福对物理格外有兴趣。当时无线电技术刚刚兴起，卢瑟福对此很有兴趣，他竟发明了一个无线电检波器。它能干什么用呢？卢瑟福并不关心。后来法院接到一个有关无线电的案子，法院要卢瑟福作为一名专家出庭作证，卢瑟福却拒绝了。对物理学来说，这实在是万幸啊！否则的话，卢瑟福就不可能走入“象牙之塔”，他倒有可能成为一名无线电技术领域的专家了。

卢瑟福的人生转折点发生在1895年。这一年，他参加了一场考试，以争取去剑桥大学读书的奖学金。遗憾的是，他考了第二名。这样，卢瑟福就只得回家了，因为要让家里为他付学费，这几乎是不可能的。可是事有凑巧，考取第一名的人因为要结婚而放弃了这个名额，因此，第二名就递补上去了。这样，“遗憾”就变成了万幸。据说，在收到这令人高兴的录取通知书时，卢瑟福正在地里收土豆。这时，他甩掉了手中的土豆，说道：“这是我要挖的最后一个土豆了。”其实，卢瑟福那时也是准备结婚的，但为了求学上进，他只得推迟婚期，只身去了英国。

到了剑桥，卢瑟福成了汤姆逊的研究生。这个英国导师正值壮年，也正带着一个集体活跃在物理学研究的前沿。不久汤姆逊发现了电子。不过汤姆逊的操作技术很一般，然而，汤姆逊很快就发现这个新西兰人则不一样。卢瑟福是个大嗓门，看上去大大咧咧的，性格粗犷，但他满脑子聪明，而且手很灵巧；他很自然地受到汤姆逊的器重。同学们也很喜欢这个新西兰人，一位同学在家信中写道：“我们这里从地球上和我们相对的地方来了一只‘长毛兔子’，他正在挖掘非常深的洞。”同学说他是一只“长毛兔子”，是戏称，因为在英国人的眼里，新西兰那个地方只出兔子，没想到来了一个绝顶聪明的人。他的同学说的不错。像居里夫人一样，卢瑟福对贝克勒尔的发现很有兴趣，并紧随贝克勒尔在这一新的领域进行探索。

1898年，卢瑟福使用铝箔来检验铀射线的穿透本领。他发现，铀射线由两部分构成，一种射线可以穿透0．02毫米厚的铝箔，另一种射线的贯穿能力则要大出几十倍，能穿透0．5毫米厚的铝箔。卢瑟福将它们分别命名为α射线和β射线。1900年，法国的保尔·维拉德从铀射线中发现了第三种射线，并称为γ射线。它的贯穿本领更强。

为了进一步研究铀射线的带电性质，人们又将放射性铀放入一个铅室，射线从狭窄的通道放射出来，并进入一个抽成真空的空筒。从侧面给射线加上一个磁场，可以清楚地看到射线分为三股射线向左偏转，但偏转的程度不大，说明射线是由带正电的粒子构成，并且粒子较重；β射线向右偏转，但偏转的程度很厉害，说明β射线是由带负电的粒子构成，并且粒子较轻；还有一束射线并不偏转，说明它不带电，这就是γ射线。

贝克勒尔测定了β射线的电荷与质量的比值，发现它同阴极射线的电荷与质量的比值是一样的，这说明，β射线是高速运动的电子流。至于γ射线，当时还不能确定，有人说是粒子流，也有人说是电磁波。后来，人们才搞清楚这是一种波长更短的电磁波，它比X射线的波长还要短。

不过当时人们对射线本质的认识仍是有限的。卢瑟福最初仿照汤姆逊那样，利用电场和磁场来测量。粒子的一些物理量。他测定了粒子的电荷与质量比值，并与氢离子的电荷与质量比值相比，二者正好差了1倍，即前者为后者的一半。经过认真的分析，卢瑟福推测，α粒子的电荷为氢离子的2倍，而α粒子的质量为氢离子的4倍。也就是说，α粒子可能是氦离子。为了肯定这一推断，他和他的学生将镭放射出的α粒子都收集起来，进行了光谱分析，终于得到证据，确定α粒子就是氦离子。

到20世纪初，人们在经过几年的放射性研究之后，发现将放射性物质加温到几千摄氏度，或加压到几千万帕，或放到几千奥斯特的磁场中，甚至将它溶解、熔化重新结晶，都不能改变放射性物质的放射性。这实际上已经说明，放射性不是原子现象，而是来自原子内部的辐射。这样，传统的“原子不可变”的观点就受到了严重的挑战。

从1902年起，卢瑟福与英国科学家索迪一起研究物质的放射性问题。索迪于1898年毕业于英国牛津大学，后于1899年到加拿大麦克吉尔大学与先期到此的卢瑟福一起工作，并在卢瑟福指导下研究放射性问题。

他们俩的研究与英国著名科学家克鲁克斯的观点有关。克鲁克斯发现，铀发出射线后就变成了另一种物质。这是一条重要线索。卢瑟福与索迪将铀与钍分别进行化学处理，发现铀和钍在整个辐射过程中，依次转变成一系列的中间元素。每一种中间元素都各以一定的速率衰变，他们确定了一个特殊的“寿命”——半衰期。所谓半衰期就是这种中间元素衰变为只剩下了一半所经过的时间。各种物质的半衰期是不同的，长的可达几个月、几年，甚至更长，短的则只有几个小时、几分钟。另外，随着放射性物质辐射，放射性物质会不断减少，但新元素却不断产生出来。如果新元素也是放射性元素，它也要辐射，所以新元素也要变化，也要不断减少，并再产生下一代的新元素……这就是他们提出的元素嬗变理论。以镭元素的嬗变为例，镭的嬗变，其产物是放射性氡，氡又嬗变为钋－218，直到最后嬗变为稳定元素铅。每种放射性物质都以一定的速度或半衰期变化着。如镭的半衰期为2160年，氡的半衰期为3．6天，钋－218的半衰期只有0．16秒。

元素嬗变理论是一个辉煌的革命性学说。传统的观点认为，原子是不变的，是不可分割的。嬗变理论则证明了原子也不是铁板一块，而是有着复杂的结构，原子也是可分的，它可由一种元素转变为另外几种元素。

元素可以嬗变的观点真是太有趣了。当初，化学作为一个自然科学的分支建立起来，近代化学的先驱们就是在清除了炼金术之后完成的。化学家们认为，化学元素是不可改变的，怎么现在的化学家认为化学元素是可以嬗变的，难道又回到了炼金术的时代了吗？其实，人们大可不必大惊小怪。卢瑟福与索迪的发现是基于确凿的实验事实，嬗变理论是科学理论，而不是炼金家那样依靠一些咒语和想像，梦想着把普通金属变成贵金属，梦想着发财和长寿。因此，当卢瑟福要发表他们的论文时，有些好心人劝他们要慎重，不要闹出笑话。可是尊重科学事实的卢瑟福和索迪毫不在意，勇敢地将研究成果发表出来。正是卢瑟福这种勇往直前的性格，学生们为他起了一个绰号——“鳄鱼”。正是这条“鳄鱼”，一旦发现真理之光就要坚定地向前，不论这条路是充满着荆棘，还是极其曲折。当然，就元素理论的研究，嬗变理论还只是开了一个头，科学家们仍有许多问题亟待解决。