居里夫人的鐳

居里夫人

1895年在科學史上是很重要的一年试读,在這一年的12月,德國物理學家倫琴發(fā)現(xiàn)x射線荠耽。第二年3月钩骇,法國物科學家貝克勒爾,又由于研究x射線骇塘,而發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性伊履。正是這一年,瑪麗以第一名的成績通過了教師資格考試款违。1897年懷孕的瑪麗·居里完成了論文《淬火鋼的磁特性》唐瀑。這個研究,告一段落之后插爹,30歲的瑪麗哄辣,面臨著需要找一個合適的博士論文的研究課題。對于一個科學工作者來說赠尾,能否選擇正確的研究課題是至關(guān)重要的力穗。有人說方向選擇對了,就成功了一半气嫁,這話很有道理当窗。

19世紀末的那幾年,在物理學家面前展現(xiàn)了一個光怪陸離寸宵、變幻莫測的神奇世界崖面,同時也令全人類為之眼花繚亂。英國物理學家湯姆遜發(fā)現(xiàn)的電子梯影,使原來認為原子是不可分的最基本的物質(zhì)單位的傳統(tǒng)科學信條發(fā)生了動搖巫员。法國物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)的鈾元素的質(zhì)量在天然輻射中減少的現(xiàn)象,也動搖了物質(zhì)質(zhì)量不能自行改變的信條甲棍。經(jīng)典物理學認為原子如果存在的話简识,就一定是最小而又不能再分割的粒子,而鈾原子卻能不斷的放射出一種射線來,那么原子不是仍然可以分割的嗎七扰?更使人迷惑不解的是奢赂,鈾鹽可以不斷的放出射線來,而射線又是帶有能量的戳寸,那么這個能量是從哪兒來的呢呈驶?如果是這樣拷泽,那么能量守恒定理豈不是也要發(fā)生動搖了嗎疫鹊?

30歲的瑪麗·居里正在選擇她的博士論文,為了尋找有吸引力的課題司致,她把近幾年的科學期刊拆吆,差不多翻了個遍。在翻閱大量的文獻過程脂矫,她對貝克勒關(guān)于由射線的論文產(chǎn)生了興趣枣耀,由于射線神秘兮兮,誰也弄不清楚它的能量是從哪兒來庭再。受對未知事物探究內(nèi)心沖動的驅(qū)使捞奕,瑪麗·居里覺得這個問題很有研究價值。她選擇這個課題拄轻,還有一個原因颅围,貝殼勒爾的發(fā)現(xiàn),盡管引起了很大的轟動恨搓,但接下來的研究工作并沒有取得普遍的重視院促,因此選擇這個課題研究成功的可能性比較大。

1897年底斧抱,瑪麗.居里在比埃爾·居里的幫助下常拓,在理化學校找到了一間小房間,建立了她第一個獨立的實驗室辉浦,開始瑪麗只是重復貝克勒爾做過的實驗弄抬,在重復實驗當中,她做了一個很關(guān)鍵的改動宪郊。為了更精確的觀測鈾射線的強度掂恕,她沒有采用貝克勒爾使用的底片感光的方法,而是采用比埃爾·居里和他的哥哥雅克·居里共同發(fā)明的壓電石英靜電計废膘,來精確測定鈾射線的強度竹海。貝克勒爾是根據(jù)底片感光程度,或者驗電器金屬箔下垂的快慢丐黄,來猜測鈾射線的強度斋配,這些方法根本無法做到定量的控制和測量。

貝克勒爾已經(jīng)發(fā)現(xiàn)鈾天然放射性的三種效應,能夠使照相底片感光艰争,可以使氣體分離坏瞄,對不同物質(zhì)有不同的穿透力。他采用的測定方法無法做到定量的分析甩卓,使他忽略了后兩種效應○龋瑪麗·居里的高明之處,在于它的方法逾柿,利用了放射性的電離效應缀棍,可以通過補償法精確測出鈾射線的強度。

1882年當瑪麗還只有15歲机错,她在一所公立高中念書的時候爬范,23歲的比埃爾·居里已經(jīng)被任命為巴黎市理化學校物理實驗室的主任。比埃爾的哥哥雅克·居里也非常喜愛物理弱匪,他在1880年發(fā)現(xiàn)了晶體的壓電效應青瀑,就是石英、電氣石萧诫、酒石酸鉀鈉等不對稱的晶體斥难,在外力的作用下,因為極性而使兩端表現(xiàn)出電勢差的現(xiàn)象帘饶,這就是晶體的正壓電效應哑诊。后來比埃爾加入到雅克的研究當中,繼續(xù)進行這個實驗尖奔,又確定了產(chǎn)生壓電效應的條件和變化的規(guī)律搭儒。1881年發(fā)現(xiàn)了這一效應的逆反應,也就是逆壓電效應提茁,他們還根據(jù)壓電效應制造出非常精密的靜電計淹禾。這種靜電計可以準確的測量非常微小的電量,被稱為壓電石英靜電計茴扁。

在認識瑪麗之前铃岔,比埃爾已經(jīng)有了許多卓越的發(fā)現(xiàn),比如用他的名字命名的居里精密天平峭火,居里定律毁习,居里溫度等等,這些概念對磁學的研究卖丸,至今仍然非常重要纺且。比埃爾和雅克發(fā)現(xiàn)了晶體的對稱性和電壓現(xiàn)象之后,又獨立推廣了對稱原理稍浆,把它應用到許多物理現(xiàn)象當中载碌,比埃爾也是第一個把群論的概念引進到物理學領(lǐng)域的人猜嘱。

利用壓電石英靜電計,瑪麗經(jīng)過非常細致和耐心的測量嫁艇,得出一個重要的結(jié)論:鈾射線的強度與鈾化合物當中鈾含量成正比朗伶,與鈾化合物的組成無關(guān),也不受光照步咪、加熱和通電等因素的影響论皆。這個結(jié)論進一步證實了貝克勒爾“鈾射線的發(fā)射是一種原子的自發(fā)過程”。

1898年初猾漫,瑪麗發(fā)現(xiàn)除了鈾之外点晴,釷也是一種放射性元素,正是這個發(fā)現(xiàn)静袖,瑪麗決定把研究的范圍擴大到鈾和釷以外的化合物觉鼻,包括測試大量的自然礦石俊扭。她縝密的邏輯思維能力队橙,使她產(chǎn)生了一個更大膽的設想,既然放射性是一種原子的特性萨惑,那么更強的放射性就意味著有新的元素存在捐康。同樣量的鈾鹽和含鈾的瀝青相比較,含鈾的瀝青放射性強度要比純鈾鹽要強4倍多庸蔼,這說明含鈾鹽的瀝青中還含有其它新元素解总。

瑪麗的研究工作,除了生孩子那幾天外從來就沒有間斷過姐仅,既然她已經(jīng)確信有了新的放射性元素存在花枫,那她就一定要把這種新元素給找出來。瑪麗生活的時代掏膏,人類總共發(fā)現(xiàn)了大約80種元素劳翰,每種元素的發(fā)現(xiàn)都使它的發(fā)現(xiàn)者在科學史上千古留名,如果她能夠使元素的大家族再添上一種馒疹,這是多么有價值佳簸,多么吸引人的事情啊颖变!

瑪麗知道要先從礦石當中提煉出帶放射性的微量元素生均,無異于大海撈針。他和比埃爾采用的方法是以放射性為基礎(chǔ)腥刹,采用分步結(jié)晶的方法马胧,從瀝青鈾礦當中分離出新的放射性物質(zhì),她先用靜電計測定出瀝青鈾礦當中礦石成分具有的放射性強度衔峰,在以此為線索追蹤放射性元素隱藏在什么成分當中佩脊。

結(jié)果录别,他們發(fā)現(xiàn)放射性很強的化合物,不是一種邻吞,而是兩種组题,其中,一種是瀝青鈾礦當中含鋇的化合物抱冷,另一種是含鉍的化合物崔列。放射性強度不同意味有不同元素,如果他們沒有猜錯的話旺遮,這兩種新元素當中的一種赵讯,應該隱藏在含鋇的化合物里,而另一種新元素應該隱藏在含鉍的化合物里耿眉。他們進一步確認边翼,在含鉍的化合物里,放射性不是出自鉍本身鸣剪,而是混合在鉍內(nèi)部一種極微量的元素组底。直到1898年7月的一天,他們終于在鉍的化合物里筐骇,找到了期待已久的新元素≌Γ瑪麗建議把新元素起名為釙凄鼻,以此來紀念她的祖國波蘭薇溃。

1898年,當時人們對放射性的認識還很膚淺聂示,不相信可以用放射性的方法告唆,來尋找和確定新的元素棺弊,科學家們一味堅持必須要用元素的特征光譜,來確定是否是新元素擒悬。

在法蘭西科學院模她,1898年12月《論文匯編》上刊登了一則報告,報告中有一段話:“我們有充分的理由可以得出以下結(jié)論茄螃,這種放射性的新物質(zhì)里含有一種新元素缝驳,我們給他定名為鐳」椴裕”提出了鐳用狱,并不等于已經(jīng)看見了鐳。為了把釙和鐳展現(xiàn)在不相信的人們面前拼弃,為了向全世界證明他們確實存在夏伊,居里夫婦還要付出長期的、艱苦的吻氧、代價高昂的努力溺忧。


藏有釙和鐳的瀝青鈾礦是一種貴重的礦物咏连,在奧地利,一個提取玻璃工業(yè)鈾鹽的礦場里就有這樣的礦物鲁森。他們預料祟滴,瀝青鈾礦在提起鈾之后,礦渣當中所含有的微量元素釙和鐳也許還會原封未動歌溉。于是垄懂,在一個奧國同行的幫忙下,他們得到奧地利政府同意饋贈的一噸鈾礦的殘渣痛垛。

分離含鈾的瀝青礦碴


從1898年到1902年草慧,這四年當中,居里夫婦就在簡易的棚子里匙头,點火熔化漫谷,過濾沉淀,倒出來再熔化蹂析,再過濾再沉淀……舔示。后來居里夫人采用自己獨創(chuàng)的分步結(jié)晶法,來完成最繁重的那部分工作识窿,把每噸瀝青殘渣當中斩郎,提起10到20公斤的硫酸鋇,再把硫酸鋇變成氯化物喻频,這些氯化物當中含鐳量大約是萬分之三,現(xiàn)在居里夫人可以從氯化物當中完成最后的結(jié)晶了肘迎。這四個寒暑甥温,是居里夫婦英勇的歲月。鐳似乎要與它最執(zhí)著的發(fā)現(xiàn)者作對妓布,不肯輕易露出它的面容姻蚓。居里夫人被他極強的放射性所迷惑,以為在瀝青鈾礦的殘渣鐳里的含量可以達到百分之一匣沼,事實上并非如此狰挡,它的含量小的多,而且跟其他雜質(zhì)密切的混合著释涛,很難被離析加叁。狡猾的鐳把居里夫婦拖住了曠日持久的較量當中。

然而居里夫人是不會放棄的唇撬。比埃爾非常了解瑪麗性格堅韌的程度∷埃瑪麗就是這樣一種人,她想要做的事就要做到窖认,她想離析鐳就一定要把它離析出來豫柬。鐳終于在頑強的對手面前屈服了告希!1902年,居里夫婦宣布鐳可能存在之后的45個月烧给,瑪麗終于打贏了這場持久戰(zhàn)燕偶,提煉出了一分克的純鐳,而且初步測定了鐳原子量225.93础嫡。

在黑暗的棚屋里杭跪,鐳寶貝就裝在一只極小的玻璃容器里,它自動的發(fā)出藍色的熒光〕巯牛瑪麗恍如進入夢幻般的世界涧尿,在那首次看到熒光閃耀的一晚,被永遠銘刻在記憶中檬贰。

鐳有它的特征光譜姑廉,有確定的原子量,而且有種奇異的特性翁涤,除了發(fā)光桥言,鐳的放射性強度是鈾的幾十萬倍,一種新元素不容置疑的誕生了葵礼。他們付出巨大代價的新發(fā)現(xiàn)号阿,奠定了一個新的學科,放射性學科鸳粉。

自從門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期律以后扔涧,科學界對于找到一種新元素,并用它來填補周期表上的空白届谈,懷有極大的興趣枯夜,并且把每一種新元素的發(fā)現(xiàn),當作化學領(lǐng)域的一個重大進展艰山。雷被稱為革命家湖雹,是因為居里夫婦在提煉鐳的過程當中創(chuàng)造了化學界離析提純的一種新方法,放射性加上分步結(jié)晶法曙搬,這種方法對化學的發(fā)展具有重要的意義摔吏。居里夫婦不但最先發(fā)現(xiàn)了鐳的輻射強度大大超過了鈾,而且比埃爾還測出纵装,一克原子鐳每小時放出22.5千卡的熱量征讲。按數(shù)量級來計算這個熱量,與一克氫氣燃燒時產(chǎn)生的熱量相等搂擦,這實際上是人類第一次測出的原子能稳诚。

這么顯著的能量從哪里來!直到1905年瀑踢,偉大的物理學家愛因斯坦提出扳还,質(zhì)量是物體當中含有能量的尺度才避,才得到問題的答案!

鐳確實太不可思議了氨距。

鐳會自動產(chǎn)生一種特殊的氣體桑逝,鐳射線。這種活躍的射線即使在封閉的玻璃管里也會有規(guī)律的自我毀滅俏让,很多溫泉的水里就含有這種鐳射線楞遏。

鐳自動放熱,它在一個小時內(nèi)放出的熱量也可以融化與它等量的冰首昔,在不受冷氣影響的情況下寡喝,它的熱度可以使周圍空氣的溫度升高10℃。

鐳的神奇非常直觀勒奇,它能夠穿過黑色的紙在照相底片留下影子预鬓,也能使空氣電離,使遠處的驗電器放電赊颠,能夠使裝它的玻璃容器成為紫色或淡紫色格二,能夠把包裹它的紙或棉花一點點的腐蝕掉成粉末。

鐳發(fā)出一種白天看不見的光竣蹦,在黑暗里顶猜,一點點鐳發(fā)出的光足以用來照明,它不但自己發(fā)光痘括,還能使金剛石等不能發(fā)光的物體發(fā)出磷光长窄,可以用來辨別金剛石的真假。

鐳的放射是傳染的远寸,如果某種植物抄淑、動物和人靠近它,就會看到它傳染的痕跡驰后。

僅僅在幾年前,人們還確定矗愧,物體是由永遠不變的元素組成的灶芝。可是鐳讓所有的人都驚呆了唉韭,現(xiàn)在每一秒鐘夜涕,鐳粒子用極大的力量,把本身的氦氣原子放射出去∈舴撸瑪麗把這種極小的驚人的爆發(fā)女器,叫做原子嬗變的激變。爆發(fā)后的殘渣是鐳射線的一種氣體原子住诸,這種氣體原子又變成另外一種具有放射性的物質(zhì)驾胆,這種物質(zhì)又再次發(fā)生變化涣澡。這些放射性元素,作為這個家庭的一個成員丧诺,都是從她母體自動嬗變產(chǎn)生的入桂。

鐳是鈾的子孫,釙是鐳的子孫驳阎!

在永遠的相同的周期內(nèi)抗愁,每一種放射性元素會失掉它實體的一半,鈾減去一半呵晚,需要幾十萬年蜘腌,鐳需要1600天,鐳射氣需要4天饵隙,鐳射氣的子孫只需要幾秒鐘撮珠。

1903年,諾貝爾獎頒發(fā)給一位弱不禁風的金發(fā)女郎居里夫人居里夫人癞季,她是第一位獲得該獎的女性劫瞳,在男性占統(tǒng)治地位的物理學領(lǐng)域獲獎,居里夫人令人肅然起敬绷柒!

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