书城科普读物站在巨人肩上-从拉瓦锡谈化学革命
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第15章 居里夫人与镭(2)

贝克勒尔开始怀疑他已拟就报告的结论了,他决心重新再来,不过,这次他又增加了几种荧光物质,实验结果很快出来了。其他荧光物质不论是否用阳光照射,都不能使感光底片感光,而铀盐不论是否用阳光照射,都能使感光底片感光。

问题很明显了,贝克勒尔进行的实验说明,底片感光不是荧光物质发射X射线的结果,而是一种新的射线使底片感光,这种射线源就是铀盐。

此后,贝克勒尔便着重研究含铀物质,他发现所有含铀的物质都能发射出一种神秘的射线,他把这种射线叫做“铀射线”。贝克勒尔的发现吸引了他的同伴,他们也和贝克勒尔一样投入了研究。

贝克勒尔的发现,引起了旅居在法国巴黎的波兰女科学家居里夫人的注意,冲向深入研究铀矿石的最前沿。不久,皮埃尔·居里也参加到妻子的行列。他们经过千辛万苦,相继提炼出钋、镭等放射性元素,引起全世界的高度重视。

X射线的发现,把人们引向了一个完全陌生的王国——微观世界。放射性的发现,直接地揭开了原子的秘密,为深入到原子内部的科学研究,提供了线索,打通了航道。

下面就让我们更加详尽地了解一下居里夫人发现镭的故事。

1898年2月6日,法国,气温6.25℃。

这是法国巴黎理化学校居里夫妇实验室的气温记录。

位于罗蒙德大街和娄西埃路交汇处的巴黎理化学校主楼,是一座中三侧二、水泥墙面的灰色建筑。主楼后面是一个四面漏风的玻璃工作室。这间棚屋原来是一个贮藏室和机器房,很闭塞,潮湿得直冒水,即使白天也得点着灯才能进行工作。正是在这间寒冷潮湿的小工作室里,伟大的居里夫人发现了放射性元素——镭。

玛丽·斯可罗多夫斯卡娅,即著名的居里夫人,被誉为“镭的母亲”。1867年11月7日,诞生于俄国沙皇侵略者统治下的波兰首都华沙。父亲是华沙高等学校的物理学教授,母亲是闻名遐迩的钢琴家。玛丽具有父亲那样的智慧和母亲那样的巧手,她从小就对科学实验发生了兴趣,中学毕业后,她曾给人当家庭教师。1891年,她到巴黎继续深造,获得了两个硕士学位。学业完成后,她本打算返回祖国为受奴役的波兰人民服务。但是,同法国年轻物理学家皮埃尔·居里的相识,改变了她的计划。1895年,她与皮埃尔结婚;1897年生了一个女儿,一个未来的诺贝尔奖金获得者。

居里夫人一边抚育女儿,一边翻阅试验研究报告,注意到法国物理学家贝克勒尔的研究工作。自从伦琴发现X射线之后,贝克勒尔在检查一种稀有矿物质“铀盐”时,又发现了一种“铀射线”,朋友们都叫它“贝克勒尔射线”。事实上,贝克勒尔发现的是后来居里夫人命名的放射性现象。

贝克勒尔的发现,引起了居里夫妇的兴趣,射线放射出来的力量是从哪里来的?这种放射的性质是什么?这是一个绝好的研究题目,如果能够取得成果,那会是一篇绝好的博士论文。居里夫人看到当时欧洲所有的实验室还没有人对铀射线作过深刻研究,于是决心在这个领域进行研究。

经皮埃尔的多次请求,校长才允许居里夫人使用那一间潮湿的小屋做理化实验。在6℃的室温里,居里夫人研究了各种铀盐矿石,她被铀盐矿石神奇的射线所吸引,她完全投入到铀盐的研究中去了。

居里夫人在化学方面有很深的功底。她在研究铀盐矿石时想到,没有什么理由可以证明铀是唯一能发射射线的化学元素,为什么别的元素不能有同样的力量呢?她根据门捷列夫的元素周期律排列的元素,逐一进行测定,很快发现另外一种钍元素的化合物,也能发出射线,与铀射线相似,强度也相像。居里夫人认识到,这种现象决不只是铀的特性,必须给它一个新名称。居里夫人提议叫它“放射性”。铀、钍等有这种特殊“放射”功能的物质,叫做“放射性元素”。

居里夫人在帮助理化学校装卸采集的各种矿物时,发现一种来自捷克斯洛伐克的沥青铀矿放射性强度比预计的强度大得多。

居里夫人起初是怀疑的,但经过仔细研究,居里夫人不得不承认,用这些沥青铀矿中铀和钍的含量,决不能解释她观察到的放射性的强度。这种反常的、过度的放射性是哪里来的呢?只能有一种解释:这些沥青矿物中含有一种少量的比铀和钍的放射性作用强得多的新元素。

但是,这又是什么元素呢?居里夫人在以前所做的试验中,已经检查过当时所有已知的元素了。

居里夫人意识到,这是一种人类还不知道的新元素。她要找到它。

1898年4月12日,法国巴黎理科博士学院发表的报告中写道:“玛丽·斯可罗多夫斯卡·居里宣布在沥青铀矿中大约有一种新物质,具有比以往更强的放射性……这种铀矿比纯铀的放射性强得多。这种事实极可注意。它使人相信,这些矿物中含有一种比铀的放射性强得多的元素。”这是镭的发现的第一阶段。

不久,皮埃尔也加入妻子的研究行列,在潮湿的工作室里,居里夫妇共同寻找这种未被人知的新元素,经过他们的合力攻关,1898年7月,他们宣布发现了这种新元素。它比纯铀放射性要强400倍。为了纪念居里夫人的祖国——波兰,新元素被命名为钋(波兰的意思)。

居里夫人非常热爱着自己的祖国,她虽然身居法国,却把有关新元素钋的论文“论沥青铀矿中所含的有放射性的新物质”在未发表之前,就已经寄回波兰一份,交给她从前做初步试验的实业博物馆实验室主任约瑟·柏古斯基。于是这篇轰动科学界的论文,几乎同时在巴黎和华沙发表,为当时这个欧洲的弱小国家争得了荣誉。

1898年12月,居里夫妇宣布,他们又发现了一种放射比钋还强的放射性新元素。他们将这种新元素命名为“镭”。可是,当时谁也不敢确认他们的发现,因为按化学界的传统,一个科学家在宣布他发现新元素的时候,必须拿到实物,并精确地测定出它的原子量。而居里夫人的报告却没有钋和镭的原子量,手头也没有钋和镭的样品。

为了让科学界同行们看到钋和镭,证实它们的存在,居里夫妇决心拿出实物,这当然也是为了使自己完全有把握。这是一件难上加难的事情,主要难在沥青铀矿石上。

藏有钋和镭的沥青铀矿在当时是一种非常昂贵的矿物,主要在波希米亚的圣约阿希姆斯塔尔矿,炼制这种矿物,人们从中提取制造彩色玻璃用的铀盐。对于生活十分清贫的居里夫妇来说,购买这些昂贵的矿石是不可能的。他们的智慧补足了财力,他们预料,提出铀之后,矿物里所含的新放射性元素一定还存在,那么一定能从提炼铀盐后的矿物残渣中找到它们。

百般周折,奥地利政府决定馈赠1吨残矿渣给居里夫妇,并答应如果他们将来还需要大量的矿渣,可以在最优惠的条件下供应。当然,他们仍须购买这种原料,并且付出运到巴黎的费用。居里夫妇高兴极了,他们耐心地等待着矿物残渣的到来。

一天早晨,载重马车将矿渣运到理化学校门前,居里夫人喊道:“这是铀矿残渣,镭就藏在里面!”她剪断绳子,打开那些粗布口袋,把双手伸进那无光的棕色矿物中,她就要从中提炼出镭来。

居里夫妇在艰苦的条件下不停地实验。他们克服了人们难以想象的困难,为了提炼镭,辛勤地奋斗着。居里夫人立即投入提取实验,她每次把20多公斤的废矿渣放入冶炼锅里熔化,连续几小时不停地用一根粗大的铁棍搅动沸腾的材料,而后从中提取仅含百万分之一的微量物质。

居里夫妇日以继夜的工作,并充满了信心。他们从1898年一直工作到1902年,经过几万次的提炼,处理了几十吨矿石残渣,终于得到了0.1克的镭盐,测定出了它的原子量是225。

镭宣告诞生了!

居里夫妇证实了镭元素的存在,让全世界都被放射性现象所吸引。镭的发现在科学界爆发了一次真正的革命。

居里夫人以“放射性物质的研究”为题,写完了她的博士论文。1903年,居里夫人获得巴黎大学的理学博士学位;同年,居里夫妇和贝克勒尔共同荣获诺贝尔物理学奖。

继镭的发现之后,另一些新的放射性元素,如锕等也相继被发现。探讨放射现象的规律以及放射性的本质成为科学界的首要研究课题。随着X射线、放射性和电子的发现,动摇了以古典物理学理论为基础的传统观念,使物理学处于“危机”之中。向原子内部进攻和“分裂”原子,已成为世纪交替时期科学领域中最振奋人心的口号。

16世纪,欧洲工业的蓬勃兴起推动了医药化学和冶金化学的创立和发展,使炼金术转向生活和实际应用,从而更加注意物质化学变化本身的研究。元素的科学概念建立之后,通过对燃烧现象的精密实验研究,建立了科学的氧化理论和质量守恒定律,随后又建立了定比定律、倍比定律和化合量定律,为化学进一步科学的发展奠定了基础。

19世纪初,近代原子论的建立,突出地强调了各种元素的原子的质量为其最基本的特征,其中量的概念的引入,是与古代原子论的一个主要区别。近代原子论使当时的化学知识和理论得到了合理的解释,成为说明化学现象的统一理论。分子假说提出了,建立了原子分子学说,为物质结构的研究奠定了基础。门捷列夫发现元素周期律后,不仅初步形成了无机化学的体系,而且与原子分子学说一起形成化学理论体系。

经典性的化学分析方法通过对矿物分析发现的许多新元素也有了自己的体系。草酸和尿素的合成、原子价概念的产生、苯的六环结构和碳价键四面体等学说的创立、酒石酸拆分成旋光异构体,以及分子的不对称性等等的发现,导致有机化学结构理论的建立,使人们对分子本质的认识更加深入,并奠定了有机化学的基础。

19世纪下半叶,热力学等物理学理论被列入化学之后,不仅澄清了化学平衡和反应速率的概念,还可以定量地判断化学反应中物质转化的方向和条件。相继建立了溶液理论、电离理论、电化学和化学动力学的理论基础。物理化学的诞生,把化学从理论上提高到一个新的水平。