1903年诺贝尔物理学奖一半授予法国物理学家亨利·贝克勒尔(Antoine Henri Becquerel,1852-1908)(左图),以表彰他发现了自发放射性;另一半授予法国物理学家皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859-1906)(中图)和玛丽·斯可罗多夫斯卡·居里(Marie Sklodowska Curie,1867-1934)(右图),以表彰他们对贝克勒尔发现的辐射现象所作的卓越贡献。

     

亨利·贝克勒尔是法国科学院院士,擅长于荧光和磷光的研究。1895年底,伦琴将他的初步通信:《一种新射线》和一些X射线照片分别寄给各国著名物理学家,其中包括法国的庞加莱(H.Poincaré)。庞加莱是著名的数学物理学家、法国科学院院士。1896年1月20日法国科学院开会,他带去伦琴寄给他的论文,并展示给与会的科学家。这件事大大地激励了亨利·贝克勒尔的兴趣。他问这种穿透射线是怎样产生的?庞加莱回答说,这一射线似乎是从阴极对面发荧光的那部分管壁上发出的。贝克勒尔推想,可见光的产生和不可见X射线的产生或许是出于同一机理。第二天他就开始试验荧光物质会不会产生X射线。然而,贝克勒尔最初的一些实验却是失败的。正在这个时候,庞加莱在法国一家科普杂志上发表了一篇介绍X射线的文章,文章又一次提到荧光物质是否会同时辐射可见光和X射线的问题。贝克勒尔读到后很受鼓舞,于是再次投入荧光和磷光实验,终于找到了铀盐有这种效应,他用两张厚黑纸包了一张感光底片,纸非常厚,即使放在太阳光下晒一整天也不致使底片感光。他在黑纸上面放一层铀盐,然后一起拿到太阳光下晒几小时,显影之后,他在底片上看到了磷光物质的黑影。然后他又在磷光物质和黑纸之间夹一层玻璃,也做出了同样的实验,证明这一效应不是由于太阳光线的热使磷光物质发出某种蒸气而产生化学作用所致。于是得出结论。铀盐在强光照射下不但会发射可见光,还会发出穿透力很强的X射线。

贝克勒尔这一结论并不正确,一次偶然的机遇使他作出了真正的发现。

1896年3月2日法国科学院又该举行例会,贝克勒尔准备再次报告自己的实验进展。他原想再作一些试验,可是2月26日、27日连续阴天,见不到阳光。他只好把所有的器材放在抽屉里,铀盐也搁在包好的底片上,等待好天气。正当他为阴雨不止而焦急时,一种职业性的灵感使他作出决定,虽然底片没有曝光,也洗出来试试看。没有想到,洗出的底片和曝过光的一样黑。这件事使他恍然大悟,原来铀盐的辐射在黑暗中也照常进行,无需强光的照射。显然这是与X射线有根本区别、穿透力也很强的另一种辐射。贝克勒尔肯定这是铀盐自发的辐射,就取名为铀辐射。

在科学院例会上报告后,他又继续做了许多实验,发现铀辐射不仅能使底片感光,还能使气体电离变成导体。这一发现为以后的研究开辟了道路,因为从电离即可测量放射性。他研究了各种因素对这一辐射的影响:铀盐的状态(是晶体还是溶液)、温度、放电等等,并且断定这种辐射与磷光效应无关;他还从试验得出,纯铀的辐射比铀化合物强好几倍。于是,他在5月18日又一次科学院例会上宣布,放射性是原子自身的作用,只要有铀这种元素存在,就有贯穿辐射产生。这就是贝克勒尔发现放射性的经过。

玛丽·斯可罗多夫斯卡·居里原是波兰人,1867年11月7日生于华沙,1891年到法国巴黎求学。她的生活简朴贫穷,由于刻苦学习,成绩优良,获奖学金才得以继续完成学业。1892年取得物理学硕士学位。在巴黎认识了皮埃尔·居里。为科学献身的理想把他们联系在一起并于1895年结成了夫妻。

皮埃尔·居里是巴黎大学教授,1859年5月15日出生于巴黎,1880年曾与其兄长雅克·居里(Jacques Curie,1855-1941)一起,发现了压电效应,这是一项很重要的发现。当时皮埃尔·居里年仅21岁。后来皮埃尔·居里继续研究晶体,取得了不少成果。继而研究磁学,发现铁磁材料的磁性随温度变化的性质。这时他已成为法国知名的实验物理学家。

贝克勒尔发现放射性的论文引起了居里夫妇极大的兴趣。1897年,居里夫人根据皮埃尔·居里的建议,选择放射性这一新课题做博士论文。开始只是重复贝克勒尔的铀盐辐射实验,不过由于她在测量方法上作了重大改进,不但得到了定性的结果,而且获得了大量精确的数据。她用的是居里两兄弟创造的石英晶体压电秤,代替了贝克勒耳的验电器。

石英晶体压电秤的基本原理是利用石英晶体的压电效应,来与放射性物质的电离效应相互补偿,通过压电效应测量空气电离产生的电离电流,从而对放射性的强度进行比较。

居里夫人用压电秤测放射性的方法一直运用了多年。她的学生们也沿用这一独特的方法做了许多实验。居里夫人首先检验了贝克勒尔的结论,证实新辐射的强度仅与化合物中铀的含量成正比,与化合物的组成无关,也不受光照、加热、通电等因素的影响,肯定这是一种原子过程。但她并不满足于这一结论,决定全面检查已知的各种元素。她找来各种矿石和化学物品,一一做了试验。1898年取得的初步结果表明:绝大多数材料的电离电流都比较小,唯独沥青铀矿石、氧化钍和辉铜矿石(内含磷酸铀)会产生很强的电离电流。于是,居里夫人断定钍也是一种放射性元素。她还发现沥青铀矿石和辉铜矿石比纯铀的活性还强得多。居里夫人想到,既然两种铀矿石都比铀自身还更活泼,从这个事实可以相信,在这些矿石中可能含有比铀活泼得多的元素。

居里夫人认为,既然不止一种元素能自发地放出辐射,显然这是一种普遍的自然现象。

上述实验只是提供了新放射性元素存在的证据,进一步的任务当然是要找到这种新的元素。这时居里夫人显示了她那刚毅的气质,她预料从矿石中提炼这一微量元素绝非轻而易举的事,但她还是决心投入极其繁杂的化学分析中去。皮埃尔·居里认识到她这个决定的重要意义。就中断了自己的研究计划,尽力协助夫人进行实验。

沥青铀矿是一种成分复杂的矿石,以铀为主,其余是多种杂质,包括银、铜、钡、铋、钴等金属的化合物,这些杂质中究竟那一种成分含有放射性,只有靠化学方法分离后,再用静电计比较其电离电流才能鉴别,他们先要把矿石溶解在酸液里,然后通以硫化氢等试剂,使某些成分沉淀。收集到的沉淀物再用别的试剂溶解和沉淀。这样一边进行化学分析,一边用物理仪器测试,结果发现铋的成分显示强烈的放射性,比同样质量的铀强400倍。

他们进一步确证,放射性并不是来自铋本身,而是混在铋内的一种微量元素,经过反复试验,发现可以利用两种金属溶解度不同的特点再进行分离。加水使铋盐溶解后,从首先沉淀下来的渣物中找到了特别强的放射性物质。居里夫妇建议称之为钋(Polonium),为的是纪念居里夫人的祖国--波兰。

接着,居里夫妇继续进行分离试验,又发现钡盐中有更强的放射性,他们认为还有第二种物质,放射性更强,化学性质则与第一种完全不同,用硫化氢、硫化铵或氨都无法使之沉淀;这种新的放射性物质在化学性质上完全像纯钡,其氯化物可溶于水,却不溶于浓盐酸和酒精。由它可得钡的光谱。他们认为,这种物质中必定还有一种化学性质极其接近于钡,却能产生非常强烈的放射性的新元素。

他们进行了一系列的分离,得到越来越活泼的氯化物,其活性竟比铀大以900倍以上。他们把这种新的放射性元素命名为镭(Radium)。

居里夫妇用分离结晶的方法不断提高含镭氯化钡中镭的成分。这是一件非常烦琐而细致的工作,要求有清静的工作场所,氯化镭比氯化钡的溶解度差些,在结晶时首先析出,不过每一次结晶仍然伴随着大量的氯化钡,因此要反复结晶。结晶的遍数越多,晶体中镭的含量也越高,放射性就越强。1899年,居里夫妇得到的晶体比铀的放射性强7500倍。他们继续分离,竟达到了100000倍。然而仍然不是纯粹的镭盐。

为了提炼出足以进行实验的纯镭盐,居里夫妇不得不从更多的矿渣中分离含镭的氯化钡。他们搞到成吨的沥青铀矿矿渣,找了一间没有人用的旧木棚当实验室。没有窗户,原来有的玻璃顶盖早已破碎,冬天无法取暖,夏天闷热难熬。他们两人就像水泥工人一样,整天和矿渣溶液打交道。为了加速化学反应,他们要拿着粗大的铁棒不停地搅拌大桶里的溶液,还要给溶液加热,烟醺雾呛,劳累不堪。居里先生体质很差,夫人就担负起最繁重的劳动,上下忙碌,把测试的工作留给居里先生管。经过四年的奋斗,他们终于从8t矿渣中提取出了0.1g的纯镭盐。1902年,居里夫妇宣布,他们测得镭的原子量为225,找到了两根非常明亮的特征光谱线。这时,镭的存在才得到公认。经过几年的劳累,居里夫妇身体日渐衰弱,原来身强力壮的居里夫人,体重竟减轻了20磅,加上当年缺乏放射性防护的知识,他们不可避免地遭受了放射性的袭击。1906年4月19日居里先生不幸在街上被马车压死,这使居里夫人受到极大打击,但她还是顽强地工作,带领她的学生(其中包括自己的女儿伊伦·居里和女婿弗列德利克·约里奥)继续战斗在放射学的前沿。居里夫人后来长期患恶性贫血症。她和居里先生在工作中肯定遭受了大剂量的辐射,甚至还可能吃进了不少放射性物质。弗列德利克·约里奥曾检验过她当年的实验记录本,发现全都严重沾染了放射物。她当年用过的烹调书,50年后再检查,还有放射性。1934年居里夫人受长期贫血病折磨后去世。她的女儿伊伦和女婿弗列德利克·约里奥也因恶性贫血症相继于1956年和1958年去世。居里的一家向人类贡献了镭,他们自己却被镭夺去了宝贵的生命。