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| 中外科学家发明家丛书：居里 （三） | 发布于:2012/08/22 | |
| 三、伟大的发现 对于约里奥·居里夫妇来说，1932－1935这几年是一个紧张的创造时 期。他们紧密合作，几乎全部著作都是联名发表的。他们几乎每隔两三个星 期就发表一篇论文，论述他们的研究成果。这些论文虽篇幅不多，但言简意 赅。接着，他们发表长篇评论性文章，对所得的成果加以阐述。他们经常整 天在实验室里紧张地工作，甚至日以继夜。他们感到时间的紧迫，因为时常 有新的研究成果发表，这是各国原子核物理学家出成果的丰收时期。1932年 4月2日约里奥在给他在莫斯科的好友D·斯科贝尔琴的信上说：“我们不得 不加快我们的实验，因为被别的实验室赶上了不是很舒服的事。别人都是立 即进行实验的。” 自1919年英国杰出的核物理学家卢瑟福证明α粒子通过氮时常把质子 从原子核里击出，从而成功地进行了人工原子核嬗变后，在这方面再没有取 得重大进展。人们对于原子核的内部结构还是不太了解，虽然有一种普遍看 法，认为原子核可能由质子组成，但还没有被人们广泛接受。卢瑟福和丹麦 物理学家玻尔已经说明原子核包括两部分： （一）中心部分，即原子核，体 积非常小，具有原子的质量，它由质子和中子组成。 （二）在距原子核超过 其直径约 10万倍的地方，有数目和核子所带正电量相等的电子围绕着它旋 转，但卢瑟福没有能够为他在1919年所做的元素嬗变提供证明。原子核里有 电子这点对于认识β放射性是必要的，但却引起一些很重要的疑问。 1931年奥地利理论物理学家泡利曾经预言了中微子的存在。在 30年代 初期，人们发现在某些原子核反应 （例如 p衰变）中，能量似乎并不守恒， 一部分能量消失了。当时包括玻尔在内的一些人，就认为这些实验表明能量 并不是普遍守恒的，但是另一些人认为在这里能量也是守恒的。泡利提出， 可能存在着一种当时并不知道的极其微小的粒子，所谓消失了的能量，就是 被它们带走了。后来人们把这种粒子叫做中微子。 1930年，德国物理学家玻特和贝克尔，在用天然放射性元素钋放出的α 射线轰击被时，发现从铍发出一种看不见的、穿透力很强的中性放射，当时 他们错误地认为这是“γ射线”。 1932年，约里奥·居里夫妇利用他们自己的强大的α射线源开始研究这 个神秘的放射性现象。他们用钋的α粒子轰击铍、锂和硼等元素，发现所放 出的一种穿透力很强的射线碰到含氢的物质时，能射出速度极高的质子，它 比γ射线强得多，他们用实验证明这种射线不可能是γ射线。于是，他们联 名公布了这个发现，但没能进一步深入地探索。 仅一个月之后，这个谜就被英国物理学家查德威克解开了。他认为铍放 出的不是电磁波，其质量几乎与质子相同，是不带电的中子。查德威克由于 发现了中子而荣获1935年诺贝尔物理学奖。 约里奥·居里夫妇与中子的发现失之交臂，当然是十分可惜的事，但他 们并不气馁，仍然继续研究放射性元素。1932年4月25日至5月8日，夫 妇俩在瑞士容弗劳约赫山上海拔3500米的科学实验站进行关于宇宙射线对 原子核影响的实验。他们“大干一场”，不几天就得出结论：中子不是宇宙 射线的主要成分。 就在同一年里，美国人卡尔·安德森研究了被铅分为两部分的云室里数 十条铅的径迹后，发现有一个奇特的粒子放出来：它具有弯度，说明它具有和电子相同的质量，但弯曲的方向却相反。稍后不久，这一点在英国被帕特 里克·布莱凯特和G·P·奥基亚利尼出色地证实了。它就是英国理论物理学 家P·A·M·迪拉克在1930年所预言的，也就是安德森称之为正电于，或带 正电荷的电子。迪拉克当时预见到电子应该在两种能量状态中都能存在：在 一种状态中它是带负电荷的电子，在另一种状态中它是带正电荷的电子。 约里奥·居里夫妇本来是可以再一次首先发现正电子的，但是机会错过 了。他们在研究过程中注意到在他们的威尔逊云室里有些电子的径迹的弯曲 方向和其他来源相同的电子的径迹弯曲方向相反。后来径安德森和布莱凯特 的研究工作证明，它们就是正电子。约里奥·居里夫妇终于拍出第一张照片， 显示出由于光子的作用而出现的一对正负电子。他们把这种现象称为“外转 换”，以区别于“内转换”。在内转换的过程中激发原子核所放出的不是光 子而是正负电子偶。这项工作成为他们后来获得重大发现的基础。 约里奥进行的实验证明铅或铝中吸收正电子后产生的光子能量达500兆 电子伏左右。他部分地证实了迪拉克的预见。约里奥通过铅吸收片的厚度精 确地测定所放出的光子的能量，并发现除500兆电子伏的光子以外，还有1000 兆电子伏的光子。 在继续研究中，约里奥·居里夫妇想：在卢瑟福的实验中没有放射出质 子的那些元素，受到α粒子轰击会发射出中子，为什么那些放射出质子的元 素不会同时放射出中子呢！于是，夫妇俩密切合作，反复重复作卢瑟福的实 验。在1933年初的这些实验中，他们是用钋所放出的α粒子去轰击铝、钠等 元素，结果发现不仅放射出高能质子和中子，还会放出正电子。当年卢瑟福 只是由于使用的仪器不同，才没有发现中子和正电子。这时约里奥已经设计 和制成了一种威尔逊云室，它特别适合进行这方面的研究工作。他们夫妇把 铍放出正电子的现象解释为是由于铍原子核的γ射线内转换的结果，同时γ 射线的能量转换为电子一正电子偶。但是硼、氟、钠和铅放出正电子的现象 和中子放射是有某种联系的。他们的结论是这些元素具有两种原子核反应： 一种放出质子，另一种放出中子和正电子。在这两种反应里最后产生的是同 一个稳定的元素。由此直接产生的结果就是修正了中子的质量。查德威克曾 经推论中子的质量为 1.006，即小于质子的质量。约里奥·居里夫妇最早精 确测定了中子的质量，并且证明它是大于质子的质量的。 1933年10月在布鲁塞尔召开的的国际科学会议上，约里奥·居里夫妇 就他们最近的工作提出了一份详细的报告，他们的实验结果，引起到会的科 学家们激烈争论。奥地利女物理学家莉泽·迈特纳也做过同样的实验，她连 珠炮似地提问，甚至直截了当地对他们说：“情况并不是这样。”“除了中 子外，什么也没有发现，如果有一个正电子，那么它是从哪里来的呢？”这 对年青的法国夫妇虽然对自己工作的正确性很有信心，但对别人的怀疑也免 不了有些困惑。关于会上的反应，约里奥后来是这样说的：“我们的报告引 起了激烈的争论。迈特纳小姐声称她也进行了同样的实验，但没有得到类似 的结果。最后，出席会议的绝大数物理学家作出结论说，我们的实验是不准 确的。会后，我们很不痛快。玻尔教授却认为我们的材料是非常重要的，泡 利博士后来也同样地支持了我们的工作。” 他们夫妇俩回到巴黎后，决定如果要证明他们的假设是正确的，那就必 须证明不管进行轰击的α射线能量多大，中子和负电子总是同时放出的。他 们用α射线照射铝，并逐渐减少它的能量。他们注意到这时没有中子放出来了，但是将α射线移走后正电子仍然继续出现了一段时间，这就证明他们原 先的假设是错误的，他们的重大发现却向前推进步了一步。 约里奥说：“我们感到惊奇的是，当我们逐渐减少α射线的能量达到最 低速度时，中子就完全停止放出来了，但正电子仍继续放出来，和天然放射 性元素放出电子的情况一样，必需经过一段时间以后数量才减少。我们用简 单的方式重新进行实验：用α射线以最高速度轰击铝，经过照射一段时间后， 移走α射线源，这时我们观察到铝片在几分钟内仍然继续放出正电子。现在 一切都清楚了！”接着约里奥让工作人员对盖革计数管进行检查。当他得知 盖革计数管工作正常，没有问题时，他深信他们夫妇发现了一种新现象—— 人工放射性。尔后他到附近的实验室把伊雷娜找来参加他们需要进行的实 验，以便取得这项发现的物理和化学证据。 作为一个物理学家，他可以认为一切都没有问题了。但是对于一个化学 家来说，恐怕还需要有其他的证据。化学家就要有这个新放射性元素存在的 证据；即他要看到它能在试管中分离出来。于是约里奥·居里夫妇开始干起 来。他们很快地轰击了铝，获得放射性磷。它的半衰期是3分15秒。约里奥 在3分钟内就能在化学上予以确定，这是任何化学家连做梦也没有想到的记 录。他说他充满了“孩童的喜悦。我在当时空着的宽敞的地下室里又跑又跳。 我想到这项发现可能带来的各种结果。” 约里奥·居里夫妇的实验表明，用α粒子轰击铝，不但会发出中子和正 电子，而且也产生了人工放射性，形成了一种放射性元素，这种放射性元素 又发生蜕变。例如： 27 4 30 1 Al 令人非常感动的一件事，就是约里奥·居里夫妇把第一个经过化学分离 的人造放射性元素赠送给玛丽·居里。约里奥在回忆中说：“玛丽·居里曾 经是我们研究工作的见证人。当伊雷娜和我把装在小试管里的第一个人造放 射性元素给她看时，我永远忘不了她当时那种极其高兴的表情。我现在仍然 可以看见她用那被镭烧伤后结了疤的手指夹起装有微弱放射性物质的小试 管。为了核实我们给她介绍的情况，她把试管放在盖革计数管的附近，听到 了计数器发出的卡嗒、卡嗒的声音，这无疑是她一生中最后一次感到满意的 美好时刻。遗憾的是，几个月后（7月4日），她终于因患白血病与世长辞。” 1935年，约里奥·居里被聘为巴黎大学的讲师，并被授予拿破仑所创制 的法国荣誉勋位。同年11月14日，约里奥收到了来自斯德哥尔摩的一份电 报，电文如下： “我荣幸地通知您，瑞典科学院已将1935年度的诺贝尔化学奖金授给您 和约里奥·居里夫人。公函随后发出。” 约里奥·居里夫妇“因合成新的放射性元素”而共同获奖，12月12日 他们在斯德哥尔摩每年一度的隆重典礼上接受了授予他们的诺贝尔奖金。这 次获奖说明他们重大发现的国际意义。人工放射性元素的发现，是人类历史 上的一件大事，它使人类认识深入到原子核的内部，帮助我们打开原子宝库 的大门，促进了近代物理学的发展。 从另一方面说，诺贝尔奖金也来得正好，它使两位青年物理学家可以付 清一笔费用，因为他们在巴黎附近索公园勒诺特大街建了一所新居。 诺贝尔奖金委员会每年发行一本册子，记载那一年所颁发的奖项。凡是 在世的诺贝尔奖金获奖人，都有权利收存此项为他们准备而印发量很有限的 刊物。在约里奥·居里夫妇的藏书室，陈列着一部有历史价值的集子。这部 集子是从1903年居里夫妇一同获得诺贝尔奖金那年开始的。1903—1905年 有二本：皮埃尔和玛丽每人一本。从1906年皮埃尔·居里逝世那年起，就只 有一本了。唯一缺少的是1934年的那一本：那是居里夫人逝世的一年。约里 奥·居里夫妇在第二年获得诺贝尔奖金，于是又重新继承了传统，每年都有 两本新册子按时增添到这部特殊的藏书里。 |
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