弟子们和蜕变的发现

弟子们和蜕变的发现

正当放射性的物理学研究产生这些使人惊奇的结果时，化学研究也在揭示出惊人的现象。克鲁克斯在1900年发现：如果氢氧化铁被沉淀在铀酰盐溶液里，那么所有的放射性都到沉淀物上去了，铀就没有放射性了。然而，几天之后，沉淀物失去了放射性，铀重新得到了放射性。类似的现象也以不同的时间标度——有时几小时，有时几分钟发生在其它的放射性物质中。就像是在实验室里有小妖精，它们正津津有味地把白天仔细地分离出来的制品于晚上又合成起来。直到卢瑟福和索迪（我们将简短地提及他）知道放射性物质会互相蜕变时才搞清楚这看起来神秘的一切。

让我们考虑一个蜕变的例子。镭由于它的衰变而不断地产生另一种放射性物质——222Rn——它也依次衰变。在没有受过干扰的矿石中所有这种衰变以同一速率发生，即每秒钟衰变同样数目的226Ra和222Rn原子。但是，如果我们用化学方法从镭里分离出放射性物质222Rn（由于辐射的本质，222Rn的放射性是唯一可观察到的），我们发现由于222Rn不再有镭的补充，它的放射性以它自己特有的半衰期而减少。同时，已经由于222Rn的分离失去了放射性的镭又重新得到了放射性。因此，我们有两条放射性曲线：一条是分离出来的物质的，一条是镭的。一个下降，一个上升（图3.6）。放射性的总和是常数，因为它对应于平衡态的镭或者对应于没有受过干扰的矿物里的镭。

卢瑟福和索迪弄清楚了所有这些复杂的唯象学，把它们简化为这个基本规则：每一个放射性原子有一确定的在单位时间内的衰变几率（对时间保持不变）。正如在1900年早已被卢瑟福清楚地证明的那样，这个几率是所研究物质的特征，不依赖于其他任何东西。这是一个光辉的具有革命性的思想，而且它暗示了原子的蜕变，这是一件连卢瑟福都犹豫提及的事，因为它听起来太像炼丹术了。事实上，当他讲给他的蒙特利尔的同行们听他已发现了什么，并解释了这现象时，他们劝他在介绍这个证据时要非常谨慎，以便不要愚弄自己。仅管如此，事实存在不容否认。

现在我们来谈谈索迪。当卢瑟福开始感到急需一名化学家时，一个叫做弗里德里克·索迪（Frederick Soddy，1877～1956）的人出现了。他曾在英格兰学习，并得到了化学哲学博士学位。为了在英帝国的某个地方找到职务，他向多伦多申请，同时写信和发电报，焦急地等待着答复。索迪这个活动家，没有等到答复就乘船去加拿大以便了解到底是怎么回事。到达纽约时，他听说他期待的那个位子已被人填补。然而，因为他仍有一张票子，所以决定去蒙特利尔。在那里，他用他的推荐信在麦基尔大学寻找职位。他被雇用在化学系。需要人帮助的卢瑟福同索迪谈了，给他看了他正在做的事，邀请他来合作。索迪立即参加到卢瑟福的工作中去。他们立即成为紧密的合作者，从1900年到1903年，他们一起工作创立了放射性的蜕变理论。之后，索迪对建立同位素概念作出了贡献，根据这个概念，就其原始形式来说，可以存在化学性质全同而放射性性质不同的物质。索迪也创造了“同位素的”一词以说明在化学元素周期表内处于同一位置的物质。他成为牛津大学的化学教授，但是在往后的岁月里，他的创造性才智衰颓了。

其他学生在索迪之后来到了蒙特利尔。其中包括某些未来的“明星们”，如奥托·哈恩（Otto Hahn）（图3.7）。哈恩诞生于法兰克福一个商人家庭里。在他的孩童和学生时期并未显示出科学的早发。他学习有机化学，于1901年毕业于马尔堡，他的教授特奥多尔·青克（Theodor Zincke）将他当作助手。哈恩曾想在那些处于顶峰状态的德国化学工厂中的某一个厂里谋个工业方面的职业。青克建议他学好英语，因此，他把他送到威廉·拉姆齐（William Ramsay）爵士那里，与威廉·拉姆齐一起工作。威廉·拉姆齐爵士是一个惰性气体专家，当时他已发现了氖，氪和氙气。

拉姆齐正尝试着研究放射化学，但没有很大的成就，没有受到卢瑟福的高度尊重。尽管如此，拉姆齐还是给哈恩建议了一个极好的课题：从一些含有镭的氯化钡制品中提取镭。不管是拉姆齐还是哈恩都没有怀疑这个制品中含有另一种镭的同位素Ra228，普通镭（被居里夫妇发现的那一种）是Ra226。哈恩最终也发现了另一种钍的放射性同位素，他称之为放射性钍（Th228）。卢瑟福的一位知心朋友，耶鲁大学杰出的放射化学家R.B.博尔特伍德（R.B.Boltwood），不相信哈恩的工作，在他写给卢瑟福的一封信里评论放射性钍是“一种钍和愚蠢的化合物”。因此哈恩带着使人半信半疑的声誉来到了蒙特利尔。卢瑟福和索迪已发现了另一种称为ThX（Ra221）的镭同位素，更加重了卢瑟福的怀疑态度。

然而，不久哈恩就使卢瑟福和博尔特伍德相信他是对的。要记住：在那时，人们是不知道同位素的，因此每一次一个新的放射性物质被发现时，它总被认为是一个新的元素，当证明它不能与一个早已已知的元素分开时就出现了一个难题。哈恩的放射性钍是钍的一个同位素（用现代术语来讲），因此，不是直接用化学方法可以将它从钍里分离出来的。然而，因为Th衰变为MsTh，这是一个镭的同位素（Ra228），它依次衰变为RaTh，所以这样做是可能的：首先从Th分离出MsTh，然后，让RaTh在MsTh中又重新生长后，将前者分离为比较纯的状态。因此我们得到了一个Th的分离物RaTh，如果要直接这样做，这是不可能的。我们可能会感到诧异，卢瑟福和哈恩已经发现了同位素的例子，那么在这个时候为什么没有抓住同位素这个概念呢？但是，如我们在好些情况中见到的那样，当没有思想准备的时候，眼睛是认识不到的。

哈恩与卢瑟福在一起呆了大约一年的时间。在1906年，他回到德国，回到了埃米尔·菲舍尔有机化学研究所（Emil Fischer's Institute of Organic Chemistry），但是他仍然继续研究放射化学。1907年，他与一位年轻的维也纳物理学家莉斯·迈特纳（Lise Meitner）（图3.7）协力合作，建立了一个重要的原子核研究中心。莉斯·迈特纳是马克斯·普朗克的助手。几年之后，哈恩在柏林达勒姆威廉皇帝研究所（Kaiser Wilhelm 1nstitute of Berlin Dahlem）得到了他自己的实验室，仍然与迈特纳在一起。1938年，迈特纳不得不逃离德国以免遭纳粹迫害，在哈恩与斯特拉斯曼（Strassmann）发现铀裂变之前几个月她移居瑞典。当时哈恩59岁，或许这提供了在较老的年龄下作出重大发现的一个极其罕见的例子。

在这段时期中所报道的许多奇迹中，也不乏有假的发现：“n”射线，这是以一个自信发现了它们的人自杀而告终的悲剧；由全力以赴进行蜕变工作的化学家宣布的水银向金的蜕变；还有另外一些。另一方面，直到1904年，伟大的D.I.门捷列夫，一位年老的但总是在科学上大胆的人还不相信氦能够从原子蜕变中产生。

卢瑟福在他的工作情况允许时，由于喜欢旅行，他非常乐于应邀去讲学。他到过美国和英联邦的许多大学。耶鲁大学为他提供了一个高薪职务，但是卢瑟福谢绝了，并评论说：“他们的所作所为就好像大学只是为学生而开办的一样。”尽管如此，他保持了与耶鲁大学博尔特伍德的密切友谊。他们之间长时间有趣的通信集已经出版，描绘出了当时的放射化学一幅生动的图画，虽然他们没有将居里夫妇的重要工作包括在内。

在放射性蜕变中释放出的能量的来源是在这个领域里仍然极其神秘的问题之一。卢瑟福，同居里夫妇、A.拉博德（A.Laborde）以及其他一些人测量了这个能量，得到了令人惊奇的很大的数值。于是，他以为地球上的放射性物质或许会极大地影响它的热平衡。这给了他一个机会解决了开耳芬勋爵和地质学家们之间的一个争论不休的老问题。开耳芬勋爵算过地球的冷却速率，根据它推论出从熔融白炽球状态到现在的状态所经过的时间。这个时间与地质上的证据相比太短，因此，争论出现了。当卢瑟福考虑由地球上的放射性物质供给的热量时，这个困难就被解决了。卢瑟福为这个发现感到自豪，因此，他描述了他介绍他的发现时的情景：

我进入一个半暗的房间，一会儿认出了开耳芬勋爵在听众里，意识到我的涉及地球年龄的演讲的最后部分会遭到麻烦，我在这里的观点是和他的观点相抵触的。使我欣慰的是，开耳芬甜睡了。但是当我讲到重要地方时，我看见这个精明鬼坐起来了，张开一只眼睛向我投以恶意的目光！于是，我灵机一动，说，开耳芬勋爵已规定了地球的年龄，倘若没有新的能源被发现的话。那个预言性的说法归结为今晚我们正在考虑的东西，镭！看呀！这个老头子看着我微笑哩。

在1903年，卢瑟福被选入伦敦皇家学会，1904年5月19日，在贝克讲座（Bakerian Lecture），他作了题为“放射性物体的级联变化”的演讲。这个贝克讲座由一位十八世纪业余显微镜学家设立他为此留下了一笔基金。要求演讲人评论他们自己的工作，作贝克讲座的演讲是英国科学上可以授予的最高荣誉之一。1920年卢瑟福作了第二次贝克讲座的演讲。

在1904年的贝克讲座中，他将有关他的发现的课题列举如下：(https://www.daowen.com)

1.术语。

2.在不同的辐射照射时间和不同辐射的照射情况下，钍和镭的受激放射性的衰变率。

3.级联变化的数学理论。

4.应用该理论来解释（a）钍（b）锕（c）镭的变化。

5.镭产生的低变化率物质：该物质与马克沃尔德的放射性碲的比较。

6.普通物质的表观放射性，部分来源于大气的低变化率的放射性沉淀。

7.在铀、钍、锕、和镭中级联变化的比较。

8.讨论在放射性元素里“无射线”变化的意义。

9.放射性产物的辐射。β和γ射线在放射性元素的最后快速变化中出现的意义。

10.放射性变化与化学变化间的差别。

11.对测量被α射线带走的电荷的实验的讨论。

12.发生在放射性元素内变化的大小。

13.放射性元素的由来。

这是至那时为止卢瑟福工作的概要。他在实验室周围大步行进时高唱：“前进，基督的士兵们！”是有充分理由的。

然而，卢瑟福在加拿大的逗留结束了。他回英格兰的时候正好也是放射性发展的一个新阶段。为了不干扰事件的历史顺序，现在我们必须把有关卢瑟福的事暂时搁置一会儿。