皮埃爾·居禮:放射性物質——鐳

皮埃爾·居禮(1859——1906),法國物理學家和化學家。生於巴黎。1895年成為教授,1904至1906年任索邦大學物理學教授。早期的主要貢獻為確定磁性物質的轉變溫度(居裡溫度),建立居裡定律和發現晶體的壓電現象。後與居裏夫人共同研究放射性現象,發現外和鐳兩種天然放射性元素,因此與柏克勒爾、居裏夫人共獲1903年諾貝爾物理學獎。主要著作有《皮埃爾·居裡著作集》等。

  首先請允許我告訴大家,今天我非常高興能在這裡向皇家科學院講演。皇家科學院決定把諾貝爾獎這一極大的榮譽授予居裏夫人和我本人。我們應該感到歉意的是,由於一些我們自己也無法控制的原因,我們沒有能早日在斯德哥爾摩同大家見面。 
  今天我要講的是「放射性物質」的特性,或者說「鐳」的特性。我不可能只講我們自己的研究工作。在1898年開始研究這個題目的時候,只有我們二個人和貝克勒爾對此問題感興趣,但是從那時以後越來越多的研究工作出現了,如果不講這些物理學家們的研究成果,那麼放射性也就無從談起。這些人有盧瑟福、德比爾納、埃爾斯特、蓋泰耳、蓋斯勒、考夫曼、克魯克斯、拉姆賽和索迪。我只談其中的幾位,他們使我們對於放射性的認識有了重要的進展。 
  關於鐳的發現,我想快一些講過去,對它的特性只作簡要的概括,然後向大家講放射性的發現在科學各個分支中給我們帶來的重大成果。 
  1896年貝克勒爾發現了「鈾」及其化合物的特殊的放射性。鈾放射出的微弱射線可在照相底板上留下痕跡。這種射線可穿透黑紙和金屬,可使空氣導電。這種輻射不隨時間而變化,但產生這種放射性的原因並不清楚。 
  法國的居裏夫人和德國的施密特都指出,銑及其化合物也具有這種性質。1898年居裏夫人又指出,在實驗室制備或使用的化學物質中,只有含鈾或竈的那些物質才放射出一定量的貝克勒爾射線。我們稱這些物質為「放射性物質」。 
  這樣,放射性本身是鈾或針的一種原子特性。如果一種物質含鈾或竈的量多,它的放射性也就越強。 
  居裏夫人研究了含鈾或釷的礦物。按照剛才所講的觀點,這些礦物都是放射性的。但是在測量時她發現,這些礦物的放射性比它們含鈾或含釷的量所對應的輻射強很多。居裏夫人認為,這些物質中含有我們尚未認識的放射性化學元素。居裏夫人和我決定在一種鈾礦物——「瀝青鈾礦」——中尋找這種設想的新物質。我們對這些礦物作了化學分析,對分別處理的每批礦物的放射性進行化驗。首先我們發現了化學性質與鉍很相似的強放射性物質,我們稱它為「釙」,後來與貝蒙特合作又發現了與鋇相似的第二種強放射性物質,我們稱它為「鐳」,最後,德比納爾又分離出屬於稀土族的第三種放射性物質「錒」。 
  這些物質在瀝青鈾礦中只是微量存在,但它們的放射性很強,比鈾的放射性大200萬倍。經過大量的處理工作,我們成功地獲得了足夠數量的有放射性的鋇鹽,以便用分餾法從中提取純鹽形式的鐳。鐳是鹼土族中比鋇序數大的同族元素,它的原子量經居裏夫人測定是225。鐳有特殊的光譜,首先被德姆西(Demarcay)發現,後來又由克魯克斯、朗格(Runge)、普裡希特(Precht)、伊克斯納(Exner)和哈希克(Haschek)等人進行了研究。鐳的光譜反應很靈敏,但它遠不像放射性那樣能用來發現微量鐳的存在。 
  鐳的放射性產生的效應很強,而且有各種不同的效應。 
  曾經做過下列幾個實驗:驗電器的放電,射線穿過數厘米厚的鉛板,由鐳引起的火花,鉑氰化鋇、矽酸鋅和紫鋰輝石受激發出磷光,射線使氣體產生顏色,氟和佛青受鐳輻射後熱致發光,鐳射線照相。 
  鐳這種放射性物質是一個持續不斷的能源,它的放射性可以表示出它的能量。在我與拉博爾德(Laborde)合作的研究中還發現,1克鐳每小時連續釋放的熱量達100卡。盧瑟福和索迪,朗格和普裡希特,還有埃格斯特朗(Angstrom),都曾測量過鐳釋放的熱量。看來,能量的釋放經過數年後仍將是不變的,因此鐳釋放的總能量是相當驚人的。 
  許多物理學家,如邁耶、施威德萊爾(schweidler)、蓋斯勒、貝克勒爾、皮埃爾·居裡、居裏夫人。盧瑟福和維拉德(P.Villad)等人的研究工作指出,放射性物質放射出三種不同的射線。盧瑟福把它們命名為a射線、β射線和γ射線。三種射線的不同點表現在磁場和電場對它們的作用不同:磁場和電場能改變a和β射線的軌跡。 
  β射線與陰極射線相似,其特性很像質量比氫原子小2000倍的帶負電粒子(電子)。居裏夫人和我已經確定β射線帶負電。a射線與哥爾德斯坦發現的極隧射線相似,其特性很像比β射線重1000倍的帶正電的粒子。γ射線與倫琴射線相似。 
  有幾種放射性物質,如鐳、錒和釷,除了它們本身有輻射作用外,還能使周圍的空氣變成放射性的。盧瑟福認為,這些物質放出一種不穩定的放射性氣體,他把這種氣體叫作「射氣」,射氣散發到周圍空氣中。 
  這種射氣的強度在時間上按指數規律自發地衰變,這種衰變是各種放射性物質的特徵。可以確定,鐳射氣每4日衰變1/2;釷射氣每55秒衰變1/2;錒射氣每3秒衰變1/2。 
  當固體物質置於放射性物質周圍有放射性的空氣中時,它也會變成有放射性的。居裏夫人和我發現的這個現象叫作「感生放射性」。這種感生放射性同射氣一佯,也是不穩定的,各自按特定的指數規律自發地衰變。 
  曾做過下列實驗:在玻璃管中裝著鐳射氣從巴黎運出,感生放射性的射線使驗電器放電,在射氣的作用下硫化鋅發磷光。 
  最後,根據拉姆賽和索迪的研究,鐳是一個連續不斷地自發產生氦的源。 
  看來,鈾、釷、鐳、錒的放射性在若幹年內是不變的,但針卻按指數規律衰減著,140天衰減1/2,若幹年後它將幾乎完全消失。 
  這些都是極為重要的事實,是經過許多物理學家的努力而被證實了的。他們已廣泛地研究了某些現象。 
  這些事實的重要意義正在各門學科中顯示出來。對於物理學來說意義是明顯的。在實驗室中鐳成了研究工作的一種新的手段,是一個新的放射源。對於β射線的研究已取得了豐碩的成果。這項研究證明了J.J.湯姆遜和亥維賽(Heaviside)關於運動中的帶電粒子的質量的理論。根據這個理論,粒子的一部分質量是由於真空以大的電磁反作用引起的。考夫曼對鐳的β射線進行實驗得出了一個假設:某些粒子的速度稍低於光速。根據湯姆遜和亥維賽的理論,當速度接近於光速時,粒子的質量隨著速度而增大,粒子的整個質量是電磁性質的。如果假設物質是由帶電粒子集合而成,那麼看來力學的基本原理就要從根本上加以修正。 
  對於化學來說,認識放射性物質的特性,意義或許更為重大,它使我們認識了一種維持著放射現象的能源。 
  在開始研究的時候,居裏夫人和我就認為,此現象可用兩種不同的一般假設來解釋。關於這些假設,居裏夫人在1899年和1900年作過闡述(見Revue Generale des Sciences,1899年1月10日和Revue Scentifique,1900年7月21日)。 
  1.第一種假設:放射性物質從外界攝取能量並加以釋放,因此這種放射是二次輻射。空間不斷被穿透性很強的射線所穿透,在穿透過程中被一定的物質所捕獲。這種假設並不荒謬。根據盧瑟福、庫克(Cooke)和麥克林南(Mc Lennan)最近的工作,看來這一假設有助於解釋很多物質的極微弱的輻射。 
  2.第二種假設:放射性物質釋放的能量出自物質本身,因此放射性物質處在變化當中,它們緩慢地逐漸衰變,儘管某些物質的狀態在表面上是不變的。鐳在數年中釋放出的熱量如果與相同重量的物質在化學反應中釋放的熱量相比,那是非常巨大的。然而,釋放出的這些熱量只不過是少量的鐳在衰變中放出的能量,這些鐳少得甚至衰變數年後還察覺不出。這就使我們得出一種假設:放射性物質的衰變要比普通的化學變化深刻得多,原子的存在可能要成為問題,因為放射性衰變是元素的轉化。 
  第二個假設看來在解釋所謂的放射性物質的特性時是更富於創造性的,特別是它可以直接去解釋外的自發衰變和由鐳產生氦。盧瑟福和索迪大膽地發展並建立了元素的衰變理論。他們認為,放射性元素的原子存在著連續的、不可逆的解集過程。在盧瑟福的理論中,這種解集過程一方面會產生穿透性射線,另一方面會產生射氣和感生放射性,後者是新的經常有極快衰變的氣態或固態的放射性物質,它們的原子量都比衍生出它們的原元素為小。這樣看來,假若將鐳從其他元素中分離出來,那麼它的壽命將是有限的。在自然界中,鐳總是與鈾共存的,可以設想它是由鈾產生出來的。 
  因此,這是一個名符其實的元素衰變理論,儘管它不像煉金術士所說的那種樣子。無機的東西在漫長的歲月裡總是按照不變的規律在演變著。 
  放射性現象對地質學也有意想不到的重大意義。例如,人們發現在礦物中鐳總是與鈾伴生,甚至還發現,在所有的礦物中鐳和鈾的比例是一個常數(鮑特伍德的發現)。這就證實了鐳是從鈾產生的想法。這一理論也可以推廣去解釋在礦物中經常存在的其他元素共存的現象。可以想像到,某些元素是在地球表面的一定區域形成的,它們是在一定時間內由其他元素產生的,這個時間可能就是地質年代的標誌。這是一個新的觀點,地質學家們將會加以考慮。 
  埃爾斯特和蓋泰耳曾經指出,在大自然中鐳射氣散佈得非常廣泛,它的放射性在氣象學中或許起著重要作用,因為空氣的電離將引起水蒸汽的凝聚。 
  最後,在生物科學方面鐳射線初鐳射氣產生了令人感興趣的效應,目前正在被人們研究著。鐳的射線已用於治療某些疾病(狼瘡、癌癥和神經方面的疾病)。在某些情況下射線的作用可能會有危險性。如果一個人把裝有數十毫克鐳鹽的小玻瓶放在一個木盒或紙盒中放在口袋裡幾個小時,這個人決不會有任何的感覺,但是經過十五天以後,他的皮膚就會發紅,然後是疼痛,再想治癒是很困難的。如果受放射作用的時間再長,人就會癱瘓和死去。鐳必須封在厚的鉛盒中傳送。 
  可以想像到,如果鐳落在惡人的手中,它就會變成非常危險的東西。這裡可能會產生這樣一個問題:知曉了大自然的奧秘是否有益於人類,從新發現中得到的是裨益呢,還是它將有害於人類。諾貝爾的發明就是一個典型的事例。烈性炸藥可以使人們創造奇跡,然而它在那些把人民推向戰爭的罪魁們的手中就成了可怕的破壞手段。我是信仰諾貝爾的人們當中的一個,我相信,人類從新的發現中獲得的將是更美好的東西,而不是危害。 
                     (宋玉升 譯)

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