贝克勒耳的“命中注定的”发现

贝克勒耳的“命中注定的”发现

对磷光和荧光的兴趣是贝克勒耳家的传统。亨利·贝克勒耳的父亲埃得蒙（Edmond）是安托万·塞扎尔·贝克勒耳（Antoine César Becquerel）的儿子，亨利·贝克勒耳是让·贝克勒耳（Jean Becquerel）的父亲。这四代人的代表都是杰出的物理学家，所以几乎在从1828年到1908年的80年间总有一个，有时是两个贝克勒耳在科学院当院士。说几句关于这个杰出世家的话之所以值得，部分原因是：这个故事说明了亨利是怎么样注定会发现放射性的——他自己是这样说的。

我们必须从亨利的祖父开始谈起。安托万·塞扎尔·贝克勒耳（1788～1878）正好诞生在拿破仑时期，作为一名年轻人在他手下任职。他是第一批从巴黎综合工科大学毕业的官员之一，巴黎综合工科大学多年来一直是法国技术、科学和军事专门人材的源泉。许多法国科学界的伟人都在这所学校受过训。这所学校给所有的学生穿上消除了社会阶级标记的军服，给予学生严格的纪律约束，同时也给他们灌输强烈的爱国主义精神。我曾经有机会在这所综合工科大学讲过学。我记得在讲台上我大声朗诵出那些过去的教授的名字：阿拉果（Arago），安培，泊松（Poisson），傅立叶（Fourier），科希（Cauchy），费涅耳（Fresnel），蒙日（Monge），贝克勒耳和另外其他几个人。这个名单足以吓唬住任何一位来自校外的讲师。事实上，“综合工科大学人”，即巴黎综合工科大学的毕业生已成为在法国科技界或军界谋求职业的标准，皮埃尔·居里因为不是这所学校的毕业生，他就遇到了麻烦。

“综合工科大学人”安托万·塞扎尔·贝克勒耳参加过1810～1812年间在西班牙进行的拿破仑战争，但是在1815年，拿破仑王朝灭亡之后，他从军队中退休。他曾在多次战役中受伤，人们告诉他，他的健康状况极差，没有多长时间可以活了（他活到九十岁）。于是，他将注意力转到物理学方面来，不久，他成为巴黎自然博物馆的物理教授，后来当了自然博物馆馆长。他写了529篇论文和6本教科书，其中有一本共分七卷。他曾研究磷光，在他的书中有两本详细地论述了磷光。他也以研究电和电化学而知名，在这些工作中，他发现了某些电热效应。总之，他是一位著名的很受尊敬的人。我记得，当我作为一个小孩子阅读老版本冈诺的教科书时，经常看见他的名字。这本书把我引向了物理学。

安托万·塞扎尔的儿子埃德蒙（1820～1891）几乎完全跟随着他父亲的足迹，只是没有在军队里任过职。他被录取进入巴黎综合工科大学，在博物馆成为他父亲的助手，后来是那里的一名教授。博物馆的教授职位正成为一种世袭信托，从父亲传给儿子，最后传给了安托万·塞扎尔的曾孙让（1878～1953）。正如让在一篇文章里写的那样，贝克勒耳的四代人生活在居维埃的房子前的植物园里的“同一幢房子，同一座花园，同一座实验室里”。埃德蒙·贝克勒耳研究光的化学作用，他是第一个拍摄了太阳光谱的人。他也是荧光方面的大专家；他特别了解的物质是铀。他设计了一个荧光计，测量了在不同光的作用下荧光的强度和寿命。

到伦琴发现X射线时，埃德蒙·贝克勒耳的儿子亨利（1852～1908）已经继承了他父亲在自然博物馆的教授职位，被指定为综合工科大学的教授，发表过多篇关于磷光和荧光的论文（图2.1）。现在清楚了，为什么从庞加莱处听到了X射线被发现后，他认为这两种现象或许是相关的。然而，亨利的第一个实验得到了否定的结果。他试验的磷光或荧光物质并不发射X射线。在此期间，于1895年1月30日，《大众科学杂志》发表了庞加莱一篇关于X射线的论文，在这篇论文里，他提出了这样一个问题：“是否所有荧光足够强的物体，不管他们荧光的起因如何，都既发射可见光又发射X射线？”如果是这样的话，他说，这类现象是不会与电方面的起因有关的。

贝克勒耳重新开始他的实验，这次他试用铀盐，硫酸铀酰钾，这个铀盐先前被他父亲研究过。2月24日他向科学院作报告说：(https://www.daowen.com)

我用两张厚黑纸包住一张照相底片，包得如此之厚以致于在太阳下曝晒一整天照相底片也不会有雾状出现。我在纸上放了一层磷光物质，把整个东西放在太阳下几小时。在我将底片显影时，我看见了磷光物质在底片上的黑色轮廓……可以再试做这同样的实验，在磷光物质和纸之间放一块玻璃，这样可以排除当磷光物质被太阳光照热后可能会有蒸气，从而发生化学反应的可能性。因此我们可以从这些实验得出这样的结论：该磷光物质发射出能穿透不透光的纸的辐射……

看来，似乎X射线真是由铀化合物发荧光时发射出来的了。但是，一星期后当科学院在3月2日重新开会时，贝克勒耳知道得就更多了。使他能更好地理解的原因是巴黎的气候发生了变化！他曾尝试过重复前述的试验，但是在2月26日、27日天气不好，出太阳的时间不够长，因此，他把所有的东西放在一只暗的抽屉里，把铀样品放在被包好的底片上适当的位置。他对科学院作了叙述：

因为太阳几天都没露面，所以我在3月1日才把照相底片显影，本指望看到的是非常微弱的影象。但恰恰相反，一个极深的黑色轮廓出现了。我立刻想到这一反应可能在黑暗中也可进行。

图2.2显示了贝克勒耳在对他的底片显影时所看到的“黑色轮廓”之一。他立刻意识到他已经发现了某样非常重要的东西。铀盐发射出有穿透黑纸能力的射线，而不管它是否事先在太阳下曝晒过没有。

这是一个易遇奇缘的运气的典型事例，在这里面，机会，洞察力和机灵都是关键性的组成部分。亨利·贝克勒耳也说，对他的发现，荣誉应属于他的父亲和祖父。照他所讲，这件在他们实验室里进行了约六十年的工作是注定在适当的时候会导致放射性的发现的。但是，在当时，对贝克勒耳的发现看来并没有象对伦琴的发现那样高的估价，也没有象伦琴的发现那样引起人们的激动。科学家们继续在谈论X射线和研究它们，却完全听任“贝克勒耳射线”的发现者自顾自研究，不予理会。到1896年3月9日，贝克勒耳已经发现由铀发出的辐射不光使被包起来的照相底片变黑，而且也使气体电离，使它们成为导体。从那以后，简单地通过一个样品产生的电离来测量它的“放射性”才成为可能。用作这种测量的仪器是原始的金箔验电器。