氘的发现

在查德威克把他的关于中子的报告寄送给《自然》杂志后的第二天，美国的《物理评论》收到了另一篇非常重要的报告。文中说发现了质量为2的氢的同位素。报告的作者是：哈罗德·C·尤里（Harold C.Urey），纽约哥伦比亚大学的化学教授；F.G.布赖克韦特（F.G.Brickewedde），华盛顿国家标准局低温部的负责人；以及哥伦比亚大学的G.M.墨菲（G.M.Murphy）。

哈罗德·尤里（生于1893年）是印第安纳州一位牧师的儿子。在他六岁时，父亲就死了。他母亲又和另一位牧师结了婚。这个家庭十分贫困，所以哈罗德早年就必须自给。他上了蒙大拿州立大学，1917年在该大学获得了化学学士学位。之后，尤里在一家从事军工生产的化工厂找到了工作。然而，他还是设法尽快地回到了蒙大拿大学，当上了一名化学教师。直到1921年他才进入一所真正的研究所。当时，他去伯克利，在才华横溢的吉尔伯特·牛顿·刘易斯（Gilbert Newton Lewis，1875～1946）的指导下，攻读他的哲学博士学位。刘易斯原来是一位物理化学家和热力学家，但他的好奇而富于想象力的头脑，纵使不总是中肯的话，至少也是以激励人的方式涉足了许多领域的。他负责的伯克利大学化学系，在很大程度上讲是他自己亲手创建的。在与化学有关的许多领域里都有着刘易斯的不少杰出的学生，尤里是其中之一。

尤里在获得了博士学位以后，借助于奖学金到了哥本哈根。在那里，他学习了1924年时的原子物理，并与A.E.鲁阿克（A.E.Ruark）合著了一本书。这本书对在美国化学家中传播这种新的思想是有影响的。1929年他在哥伦比亚大学成为化学教授，并在那里发现了氘。二次大战期间，他主管曼哈顿计划中用扩散法分离同位素的工作。战后他到芝加哥大学；最后来到圣地亚哥的加利福尼亚大学。他的战后活动主要是从事行星和月球问题的研究。尤里有着热情的性格，总是准备支持良好的事业。在美国，这是共有的传统。

天然元素的同位素成分、单个同位素原子量的精确测量，从阿斯顿时代起就已经揭示：甚至就是单种同位素也不具有整数质量。这里，我们象通常一样按这种方式假定一种原子的重量单位：例如C12的重量准确地为12。由于核结合能的缘故，单种同位素原子量含有小数。另一方面，化学原子量有非整数值的原因，主要是由于化学上的“元素”其实是同位素的混合物。例如：氯，化学原子量为35.46，它是原子量为34.97和36.97两种同位素的混合物。早在1919年，奥托·斯特恩就已经考虑过这种可能性，即具有原子量为1.0079的氢，它可能是两种同位素的混合物。他与他的同事M.伏尔末（M.Volmer）研究过这种可能性，结果是否定的。他们曾假定：1与1.0079之间的全部差值可能是由于质量为2的一种假想的新同位素掺杂而引起。这种同位素含量为百分之一的量级。这一思想基本上正确，但在定量上是错误的，因为氘原子存在的量约为百分之0.015。(https://www.daowen.com)

后来，通过对某些元素的带光谱进行仔细的研究，导致了对氧和氮的稀有同位素的发现。对于氢，尤里和他的同事们重新作了考虑。他们采用对液态氢的分馏来浓缩这种稀有同位素，最终从光谱学上证实了氘的存在（图9.9）。氘在核物理中是异常重要的一种氢同位素。由于巧合，M.S.利文斯顿（M.S.Livingston）和E.O.劳伦斯（E.O.Lawrence）关于这个课题的一篇重要论文与这个报导同时彼此独立地出现，而且在某些核反应堆中，它甚至还有实际用途。

图9.9　氢同位素的赖曼系。它显示出由于核质量的变化，相对于普通氢谱线的氘谱线的移动。图7.3中的公式，给出了这些光谱线的频率，它包含了对氘和氢是不相同的“折合质量”

奇迹般的1932年，我们也看到了粒子加速器有了良好的开端。这种粒子加速器是注定要改变核物理面貌的。由于偶然的巧合，利文斯顿和劳伦斯在这一课题上的重要论文之一与宣布发现氘的报导同时相互独立地出现。1932年2月20日，在尤里的论文之后两天和在查德威克发现中子的报道一周之后，《物理评论》收到了这篇文章。