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1、 第二節(jié) 天然放射現象 衰變擴展資料
貝克勒爾的偶然
在一個物理學家的家庭里，爸爸是研究熒光的．有一種鐘表上使用的物質，白天在陽光照射后，到了黑夜里會發(fā)出微弱的光亮，在物理學上，這種經過太陽的紫外線照射以后發(fā)出的可見輻射，稱為熒光．
1896年，兒子亨利·貝克勒耳從爸爸那里選了一種熒光物質鈾鹽，學名叫硫酸鉀鈾，想研究一下一年前倫琴發(fā)現的X射線到底與熒光有沒有關系．
貝克勒耳想，要弄清這個問題，方法并不難．只要把熒光物質放在一塊用黑紙包起來的照相底片上面，讓它們受太陽光的照射，就能作出判斷．由于太陽光是不能穿透黑紙的，因此太陽光本身是不會使黑紙里面的照相底片感光的．如果在由于太陽光的激發(fā)
2、而產生的熒光中含有X射線，X射線就會穿透黑紙而使照相底片感光．
于是，貝克勒耳進行了這個實驗，結果照相底片真的感光了．因此，他滿以為在熒光中含有X射線．他又讓這種現象中的“X射線”穿過鋁箔和銅箔，這樣，似乎就更加證明了X射線的存在．因為當時除了X射線之外，人們還不知道有別的射線能穿過這些東西．
可是，有次一連幾天是陰沉沉的天氣，太陽始終不肯露頭，這就使貝克勒耳無法再做實驗．他只好把那塊已經準備好的硫酸鉀鈾和用黑紙包裹著的照相底片一同放進暗櫥，無意中還將一把鑰匙擱在了上面．幾天之后，當他取出一張照相底片，企圖檢查底片是否漏光．沖洗的結果，卻意外地發(fā)現，底片強烈地感光了，在底片上出現了硫酸鉀鈾
3、很黑的痕跡，還留有鑰匙的影子．可這次照相底片并沒有離開過暗櫥，沒有外來光線；硫酸鉀鈾未曾受光線照射，也談不上熒光，更談不到含有什么X射線了．
那么，是什么東西使照相底片感光的呢？照相底片是同硫酸鉀鈾放在一起的，只能推測這一定是硫酸鉀鈾本身的性質造成的．硫酸鉀鈾是一種每個分子都含有一個鈾原子的化合物．
鈾放出了神秘的射線
物質的最小單元是分子，分子若是由不同元素的原子組成的物質，被稱為化合物．
硫酸鉀鈾這種化合物，含有硫原子、氧原子、鉀原子、鈾原子，通過比較和鑒別，后來進一步發(fā)現，原來，硫酸鉀鈾中，硫、氧、鉀原子是穩(wěn)定的，只有其中的鈾原子能夠悄悄地放出另一種人們肉眼看不見的射線，使照相底
4、片感光了．
這種神秘的射線，似乎是無限地進行著，強度不見衰減．發(fā)出X射線還需要陰極射線管和高壓電源，而鈾鹽無需任何外界作用卻能永久地放射著一種神秘的射線．
貝克勒耳雖然沒有完成他預想的試驗，卻意外地發(fā)現了一種新的射線．后來，人們把物質這種自發(fā)放出射線的性質叫放射性，把有放射性的物質叫做放射性物質．這就是世界聞名的關于天然放射性的發(fā)現．
在科學上，決不能輕易地放過偶然出現的現象．新的苗頭或線索，一經出現，就要立即抓住它，刨根究底，問它個為什么，查它個水落石出．
據說，在貝克勒耳之前，已經有人發(fā)現了這種怪現象．有一位科研人員把瀝青鈾礦石和包好的照相底片擱在一起，底片因曝光而作廢了．但是，這
5、個人只得出了一個“常識性”的結論：不能把照相底片同瀝青鈾礦石放在一起．這個結論雖然是對的，也有實用價值；可是由于他缺乏一種刨根究底的鉆研精神，沒有把原因搞清楚，以至白白地放過了完成一項重大發(fā)現的機會．
粗心的人是難有重要發(fā)現的，偉大的機會到來時，常常被擦肩而過．因此，科學上想要有成就，必須首先養(yǎng)成善于細心觀察事物的習慣和本領．
近代微生物學奠基人巴斯德說過一句話：“在觀察的領域中，機遇只偏愛那種有準備的頭腦．”這話說的很有道理．
新世紀的火炬
天然放射性的發(fā)現揭示了一個非常重要的問題．在自然界中有某些元素能自發(fā)地放出射線來，可是這些元素又都是由某種原子構成的，這不就說明了原子本身還會發(fā)
6、生某種變化嗎？這種變化深刻地意味著原子還有結構，原子還隱藏著秘密．所以說，這項發(fā)現從根本上動搖了在這以前那種認為原子是不可分割的陳舊觀念．從此，人類跨入了進一步了解原子的大門．
天然放射性的發(fā)現被譽為原子科學發(fā)展的第一個重大發(fā)現．
在世紀之交的十九世紀末期，科學上是個令人迷惘的時期，面對如此重大的發(fā)現，有的科學家想不通，例如，當時很有名望的科學家洛倫茲就企圖把這些嶄新的實驗事實納入舊理論的框框，從舊的原子學說中尋找答案，這當然是不行的，不會取得任何成就的．于是，在這些客觀事實面前，他們苦惱和彷徨，甚至對科學喪失信心，哀嘆物理學發(fā)生了“危機”，“科學破產”了．他本人曾絕望地說：“在今天，人們
7、提出了與昨天所說的話完全相反的主張；在這樣的時期，真理已經沒有標準，也不知道科學是什么了．我很悔恨，我沒有在這些矛盾出現的五年前死去”．個別科學家甚至因此而走上了自殺的道路．
而后來的事實發(fā)展充分證明，正是這些劃時代的發(fā)現，點燃了新世紀的火炬．
釙的發(fā)現
居里夫婦——法國物理學家皮埃爾·居里和物理學家、化學家瑪麗·斯克洛多夫斯卡，多年潛心研究鈾射線．
瑪麗從觀察鈾射線的存在，并精確測量它的強度著手，制作了一種測量鈾射線的儀器--平面電容器．她從許多地方收集到了各種各樣的化學物質，從實驗室弄到了一切已知元素的化學上純凈的鹽和氧化物，包括幾種稀少得比黃金昂貴得多的鹽，還有博物館贈送的采自世
8、界各地的礦物標本．兩位科學家就在一個廢棄的小板屋里進行工作．
瑪麗把這些物質一一放到電容器的金屬片上，觀看電流計上的讀數．可是，電容器下邊的那片金屬上雖然已經更換了成百種不同的物質，電流計的指針始終沒有擺動．瑪麗不怕失敗，繼續(xù)實驗下去，最后，金屬片上放了釷的化合物，電流計上的指針終于擺動了．原來，釷和釷的化合物也能發(fā)射看不見的光線．
瑪麗測量了鈾的射線強度，又測量了鈾的氧化物、鈾鹽、鈾酸和種種含鈾礦物的射線的強度．它們都能夠或強或弱地增大空氣的導電能力，含鈾的百分比同空氣導電的能力成正比．鈾的射線強度比一切鈾的化合物的都強．
奇怪的事情發(fā)生了：把瀝青鈾礦和銅鈾云母分別放到那片金屬上時，電
9、充計反映出來的電流都比鈾反映出來的要強得多！這意味著，這兩種礦物里可能隱藏著另一種能夠發(fā)射出射線的元素．
瑪麗用人工方法合成了銅鈾云母，就成分看，它同天然的相同，含鈾量也相等．可是，當人造的銅鈾云母研成粉末，撒到那金屬片上時，它的射線卻比天然礦物弱18％．這說明，在天然的銅鈾云母礦中，存在著一種活潑的物質，它的射線比鈾更強．這樣，使皮埃爾·居里決定暫停自己的研究，同妻子一起揭露新射線的奧秘．
居里夫婦決心把那謎一般的物質從瀝青鈾礦里提煉出來．他們把礦石溶解在酸里，再往里面通進硫化氫，溶液底部沉積了各種金屬的硫化物．沉淀物里含有鉛、銅、砷、鉍．那透明溶液里是鈾、釷、鋇和瀝青鈾礦所含的其他幾種
10、成分．他們把沉淀物和溶液分別放到那金屬片上實驗，結果是沉淀物發(fā)射的射線更強．這說明，那種活潑的物質是在沉淀物中．
居里夫婦把沉淀物的雜質一一除去以后，剩下來的這一部分物質所發(fā)出的射線，比鈾發(fā)出的強400倍．這一部分里有很多的鉍，還有很少的一點未知物質，不過還不能將它們分離開來．
1898年7月，居里夫婦向法國科學院提出一份工作報告，肯定地說他們已經發(fā)現了一種新元素，它同鉍相似，卻能夠自發(fā)地射出一種強大的不可見射線．他們把這元素命名為“釙”．釙的法文意思是“波蘭”，居里夫人為紀念她的祖國才取了這個名字．現在還沒有制得純態(tài)的釙．它的化學性質很像碲，屬放射元屬的鐳系．半衰期是137.6天．
如
11、何確定古木的年代
考古學家確定古木年代的一種方法是用放射性同位素作為“時鐘”，來測量漫長的時間，這叫作放射性同位素鑒年法．
自然界中的碳主要是12C，也有少量14C，它是高層大氣中的原子核在太陽射來的高能粒子流的作用下產生的．14C是具有放射性的碳同位素，能夠自發(fā)地進行β衰變，變成氮，半衰期為5730年．14C原子不斷產生又不斷衰變，達到動態(tài)平衡，它在大氣中的含量是穩(wěn)定的，大約在1012個碳原子中有一個14C．活的植物通過光合作用和呼吸作用與環(huán)境交換碳元素，體內14C的比例與大氣中的相同．植物枯死后，遺體內的14C仍在進行衰變，不斷減少，但是不再得到補充．因此，根據放射性強度減小的情況就可
12、以算出植物死亡的時間．
例如，要推斷一塊古木的年代，可以先把古木加溫，制取1g碳的樣品，再用粒子計數器進行測量．如果測得樣品每分鐘衰變的次數正好是現代植物所制樣品的一半，表明這塊古木經過了14C的一個半衰期，即5730年．如果測得每分鐘衰變的次數是其他值，也可以根據半衰期計算出古木的年代．
我國考古工作者用放射性同位素鑒年法對馬王堆一號漢墓外槨蓋板杉木進行測量，結果表明該墓距今2130±95年．通過歷史文獻考證，該古墓的年代為西漢早期，約在2100年前，兩者符合得很好．
衰變時、、射線不能獨立放出其中一種嗎？
教材指出：“當放射性物質連續(xù)發(fā)生衰變時，各種原子核中有的放出射線，有的放出射
13、線，同時伴隨射線，這時放射線中同時會有、、三種射線。”這是指眾多原子核衰變。就某一原子核來說，在發(fā)生衰變時雖不能單獨放出射線，卻能單獨放出射線或射線。當原子核單獨放出射線或射線時，若有多余能量，則同時伴隨有射線產生，若無此能量，叫只是單獨放出或射線，不產生射線。
我們周圍充滿射線嗎？
單個原子核衰變就會放出，或射線，一定質量的物質發(fā)生衰變時，該放出多少射線，而這些射線又將去向何方？在我們的周圍是否充滿了射線呢？我們知道，射線的電離能力很強，它在空氣中經過之處，每厘米徑跡上會出現幾千個乃至幾萬個離子對，而原子電離是要吸收能量的，粒子的動能因此而減少，運動變慢的粒子，將吸收兩個自由電子，而成為
14、普通的氦原子，從而結束其“生命歷程”．射線的電離能力和粒子相比要小得多，但在粒子的徑跡上仍能形成不少離子對，每形成一個離子對，粒子的動能就減少一些，隨著飛行的距離增加，粒子的動能越來越小，最后成為一個自由電子或被一正離子俘獲，而成為繞核旋轉的核外電子．射線是能量很高的光子，光子能量被其他物質吸收后，射線也就消失了．可見，放射源不斷向外放出、、射線，這些射線又很快找到各自的歸宿，因而除了在放射源附近，其他空間中射線是很有限的．
追蹤第94號元素
研究新途徑
1941年1月，美國物理學家路易斯·特納發(fā)表了一篇論文，題目為《來自鈾238的原子能》．文章認為，大部分鈾238的裂變能量即使不能直接
15、利用，也可能間接利用．其原因在于用中子轟擊鈾，存在把部分鈾轉變?yōu)殁櫤笤剡@種可能性．當鈾238的一個原子俘獲一粒中子后，就成為同位素鈾239．這種物質也可能裂變，但是無論鈾239裂變與否，它在能量上都是不穩(wěn)定的，很可能由于放射出粒子而衰變?yōu)閹追N比鈾重的新元素，這些新元素中的一種或幾種可能由于慢中子產生裂變，這就使鈾238間接地得到利用．
在元素周期表中，鈾后面第一個元素應是第93號元素，特納認為第93號元素可能衰變成第94號元素．第94號元素在吸收一個中子時，比輕一點的鈾同位素更可能產生裂變，因此推測它具有更大的裂變截面．
自從費米尋找鈾后元素失敗后，有許多核物理學家參與到探索鈾后元素的研
16、究中來．1939年當哈恩發(fā)現裂變的消息傳到美國后，伯克利人麥克米倫利用勞倫斯的回旋加速器，來探索在裂變發(fā)生的同時到底有沒有鈾后元素產生．經過幾個月的努力，他發(fā)現在鈾核反應中，有一種半衰期為23分鐘的產物可能是鈾239，另外有一種半衰期為2.3天的物質可能是第93號元素．
到1940年春天，在實驗物理學家的幫助下，麥克米倫證實，隨著半衰期為23分鐘的鈾239的放射性活動的衰減，半衰期為2.3天的物質的放射性活動逐漸增強．這種半衰期為2.3天的元素就是第93號元素，他將它命名為镎．接著，麥克米倫發(fā)現镎不穩(wěn)定，放射出粒子而衰變，其產物可能是第94號元素．他猜測第94號元素也像鈾236一樣，天然地放
17、射粒子．在1940年秋天，他終于證實了有一種放射粒子的物質不是鏷、鈾或镎的同位素，它很可能是第94號元素．他準備進行科學分離．就在這關鍵的時候，美國國防研究委員會在麻省理工學院建立了一個大實驗室．贊助人想請美國最負盛名的實驗物理學家勞倫斯（1939年諾貝爾物理獎獲得者）去當實驗室主任．但勞倫斯不想離開伯克利，于是他說服手下最能干的麥克米倫去麻省理工學院．麥克米倫走后，他的同事西博格以麥克米倫合作者的身份進行第94號元素的分離工作．
第94號元素
西博格決定采取兩個途徑：一是致力于研究已發(fā)現的一種強烈的粒子放射物，希望能證實它就是在化學性能上與任何已知其它元素不同的第94號元素的一種同位素．
18、與此同時，他們還準備大量生產出镎239，研究它的衰變產物是否為第94號元素，并試圖測定這種物質的裂變可能性．
1941年1月9日，西博格把10克六水硝酸雙氧鈾放在152厘米的回旋加速器中進行6小時的轟擊．第二天早晨，他們又對另外5克轟擊了1小時．到了下午，他們通過電離室的測定知道，他們可以通過回旋加速器的轟擊得到第94號元素．他們計算出每一公斤的六水硝酸雙氧鈾經過適當的輻照，可以由镎經過一段時間的衰變得出0.6微克（百萬分之一克）的第94號元素．
1月20日，西博格找到了镎238放射出粒子后的產物．要確切地證明它就是第94號元素，需要進行化學分離．2月23日下午，西博格的助手沃爾發(fā)現，他可
19、以用釷為載體把這種粒子放射物從酸溶液中沉淀出來，不過他卻不能把它與釷分離開．他向伯克利的一位化學教授請教，這位教授建議采用一種更強的氧化劑．
當天晚上，沃爾試驗用新的氧化劑分步沉淀，獲得成功．釷從溶液中沉淀出來，而那種粒子放射物則有足夠的數量留在溶液中．實驗至此，他們已將粒子放射物與任何已知的元素分離開．因此可以斷言，這種粒子放射性是來自第94號元素．
接下來，西博格又使用回旋加速器轟擊1公斤六水硝酸雙氧鈾，結果得到微量的镎239．對它進行濃縮后，放在一個小碟中，讓它完全衰變成第94號元素．西博格將這種新元素稱為“钚”．接著，西博格又通過實驗證實钚239可由慢中子產生裂變．
科學上的突破
20、常常有賴于科學家的獻身精神．西博格整天夜以繼日地做實驗，終于提煉出200毫克钚的樣品，可是由于上呼吸道感染與過度疲勞綜合癥使他的高燒老是不退．無奈，他只好脫離工作崗位，去療養(yǎng)一段時間．
苦心人，天不負．1951年，西博格和麥克米倫因發(fā)現了镎和钚一同榮獲諾貝爾化學獎，他們的辛勤耕耘終于有了令人羨慕的收獲．由此開辟了超鈾元素化學新領域，為延長元素周期表作出了開拓性的貢獻．
钚的發(fā)現，為原子彈的研制開辟了另一條途徑．
居里夫婦
比埃爾·居里(Pierre Curie)1859年5月15日生于巴黎一個醫(yī)生家庭里．在他的兒童和少年時期，性格上好個人沉思，不易改變思路，沉默寡言，反應緩慢，不適應普
21、通學校的灌注式知識訓練，不能跟班學習，人們都說他心靈遲鈍，所以從小沒有進過小學和中學．父親常帶他到鄉(xiāng)間采集動、植、礦物標本，培養(yǎng)了他對自然的濃厚興趣，學到了如何觀察事物和如何解釋它們的初步方法．居里14歲時，父母為他請了一位數理教師，他的數理進步極快，16歲便考得理學士學位，進入巴黎大學后兩年，又取得物理學碩士學位．1880年，他21歲時，和他哥哥雅克·居里一起研究晶體的特性，發(fā)現了晶體的壓電效應．1891年，他研究物質的磁性與溫度的關系，建立了居里定律：順磁質的磁化系數與絕對溫度成反比．他在進行科學研究中，還自己創(chuàng)造和改進了許多新儀器，例如壓電水晶秤、居里天平、居里靜電計等．1895年7月2
22、5日比埃爾·居里與瑪麗·居里結婚．
瑪麗·居里(Marie Curie)1867年11月7日生于沙皇俄國統(tǒng)治下的華沙，父親是中學教員．16歲她以金質獎章畢業(yè)于華沙中學，因家庭無力供她繼續(xù)讀書，而不得不去擔任家庭教師達六年之久．后來靠自己的一點積蓄和姐姐的幫助，于1891年去巴黎求學．在巴黎大學，她在極為艱苦的條件下勤奮地學習，經過四年，獲得了物理和數學兩個碩士學位．
居里夫婦結婚后次年，即1896年，貝可勒耳發(fā)現了鈾鹽的放射性現象，引起這對青年夫婦的極大興趣，居里夫人決心研究這一不尋?，F象的實質．她先檢驗了當時已知的所有化學元素，發(fā)現了釷和釷的化合物也具有放射性．她進一步檢驗了各種復雜的礦
23、物的放射性，意外地發(fā)現瀝青鈾礦的放射性比純粹的氧化鈾強四倍多．她斷定，鈾礦石除了鈾之外，顯然還含有一種放射性更強的元素．
居里以他作為物理學家的經驗，立即意識到這一研究成果的重要性，放下自己正在從事的晶體研究，和居里夫人一起投入到尋找新元素的工作中．不久之后，他們就確定，在鈾礦石里不是含有一種，而是含有兩種未被發(fā)現的元素．1898年7月，他們先把其中一種元素命名為釙，以紀念居里夫人的祖國波蘭．沒過多久，1898年12月，他們又把另一種元素命名為鐳．為了得到純凈的釙和鐳，他們進行了艱苦的勞動．在一個破棚子里，日以繼夜地工作了四年．自己用鐵棍攪拌鍋里沸騰的瀝青鈾礦渣，眼睛和喉嚨忍受著鍋里冒出的
24、煙氣的刺激，經過一次又一次的提煉，才從幾噸瀝青鈾礦渣中得到十分之一克的鐳．由于發(fā)現放射性，居里夫婦和貝可勒耳共同獲得了1903年諾貝爾物理學獎．
1906年，比埃爾·居里因車禍不幸逝世，年僅47歲．
比埃爾·居里去世后，居里夫人忍受著巨大的悲痛，接任了她丈夫在巴黎大學的物理學教授職位，成為該校第一位女教授．她繼續(xù)放射性的研究工作．1910年，她和法國化學家德別愛爾諾一起分析出純鐳元素，確定了鐳的原子量和在元素周期表中的位置．她還測出了氡和其他一些放射性元素的半衰期，整理出放射性元素衰變的系統(tǒng)關系．由于這些重大成就，又榮獲1911年諾貝爾化學獎，成為歷史上僅有的兩次獲得諾貝爾獎的科學家．
25、居里夫婦親自體驗了鐳的生理效應，他們曾不止一次地被鐳射線燙傷．他們與醫(yī)生一起研究將鐳用于治療癌癥，開創(chuàng)了放射性療法．第一次世界大戰(zhàn)期間，她為了自己的祖國波蘭和第二祖國法國，參加了戰(zhàn)地衛(wèi)生服務工作，組織X光汽車和X光照相室為傷兵服務，還用鐳來治療傷兵，起了很大的作用．
大戰(zhàn)結束后，居里夫人回到巴黎她創(chuàng)建的鐳學研究所，繼續(xù)自己的研究工作并培養(yǎng)青年學者．晚年完成了釙和錒的提煉．居里夫人在無任何防護設施的情況下從事了35年的鐳元素研究，加上大戰(zhàn)期間四年建立X射線室的工作，射線嚴重地損害了她的健康，引起她嚴重貧血．1934年5月她不得不離開自己心愛的實驗室，并于1934年7月4日與世長辭．
居里夫婦一生淡薄、謙虛，不喜歡世俗的恭維與贊揚，不關心個人的名利和地位．在發(fā)現鐳和提煉成功以后，他們不請求專利，也不保留任何權利．他們認為，鐳是一種元素，應該屬于全人類．他們向全世界公開他們的提鐳方法．對他們花費十幾年制備出來的、約值十萬美元的一克多鐳，全部交給了鐳學研究所，不取分文．對美國婦女界贈獻給她的一克鐳，也不據為私有，一半給了法國鐳學研究所，一半給了華沙的鐳學研究所．在將鐳用于治療癌癥時，他們本可以一夜之間成為百萬富翁，但是他們商定，不要他們的發(fā)明帶來的一切物質利益．他們辛勤勞動的目的，是為人類從新發(fā)現中獲得幸福．
第6頁 共6頁 段建輝
第二節(jié) 天然放射現象 衰變擴展資料
