陋室里的重大发现——镭和钋

作者:胖瓜来源:蝌蚪五线谱发布时间:2015-08-11

在简陋小棚改造成的实验室里,居里夫妇发现了镭和钋,为人类揭开了放射性元素的神秘面纱。

  1896年,法国的亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)发现了铀盐的放射性,并认为这种源源不断的辐射来自铀盐本身,而不是像磷光现象那样需要先吸收外界的能量。这项惊人的发现很快传遍了整个国家,物理专业出身的玛丽·居里(Marie Curie),也就是我们熟知的居里夫人,立即对放射性产生了极大的兴趣,决定将它作为自己的研究方向。

1920年的玛丽·居里(网络图)

1920年的玛丽·居里(网络图)

 

  想要做研究,首先要有好的设备。正巧,玛丽的丈夫皮埃尔·居里(Pierre Curie)在二十岁的时候,曾经和兄弟一起捣腾出了一台改良过的静电计,它可以敏锐地测量微量的电荷。

  在这台静电计的帮助下,玛丽研究测试了一些具有放射性的铀盐样品。在那个时候,人们普遍认为放射性来自于铀盐分子间的化学反应,而玛丽却惊奇地发现,这些样品的放射性只与铀的质量有关。铀含量越多,放射性越大。温度、催化剂这种可以改变化学反应速率的因素,完全起不了作用。

  这种矛盾催生了一个大胆的假设——玛丽认为,放射性很可能来自铀原子本身。这个假想是人类的一大进步:在此之前,大家都认为原子是不能被分割的最小单位。

右侧

居里夫妇在实验室里(网络图)

 

  在艰苦的条件下,玛丽继续研究着那些具有放射性的矿物样品。她发现,同样质量的沥青铀矿和辉铜矿的放射性比纯净的铀还要大——这明显有问题。如果她先前的猜测是正确的,那么同等质量下杂质多多的铀矿的放射性只会比纯铀要小,除非——除非杂质里含有某些放射性比铀更强的元素。没错,玛丽又做出了一个大胆的、几近天马行空的假设。皮埃尔注意到了妻子在实验中获得的进展,并高瞻远瞩地发现了其中的重大意义,决定终止自己原本在晶体方面的研究,加入到玛丽的研究中来。

  他们没有专门的实验室,夫妇两个大部分的研究工作,都是在一间原先作为解剖教室的小棚屋里进行的。这间简陋的房间既不通风,又不防水,冬冷夏凉,巴黎任何一位体面的科学工作者都不会愿意屈尊于此。

  1898年4月12日,法国科学院发表了玛丽的论文。这本该是个激起千层浪的发现,但因为她那明显属于女性的名字,人们选择性地忽视了。一百多年前的科学界,尚未产生过任何有成就的女性科学家,学术界仍腐朽地充满着对女性的偏见。皮埃尔不断鼓励着妻子,他认为,只要他们把这个神秘的元素提纯出来,那就可以说服全世界了。

沥青铀矿结晶(网络图)

沥青铀矿结晶(网络图)

 

  1898年4月14日,居里夫妇乐观地准备了100克磨碎了的沥青铀矿样品,准备从里面提取出新元素。1898年7月,居里夫妇发现了钋(polonium),并以玛丽的故乡波兰(Poland)命名;但尽管他们已经发现了钋,矿物样品的放射性和铀、钋的质量之间依然体现不出完美的、平行的正比关系。这种感觉,就像是拼了命解开一个死结,发现下面还是一个死结。干劲十足的居里夫妇很快接受了这个事实,他们冷静下来,在复杂的理论计算后推断,矿物里还有一种未知的新元素,他们还把它命名为“镭”,意思是“放射性的”。

  提炼镭远比提炼钋要困难。钡的化学性质和镭很相近,任何已知的方法都不能将它们分离,同时镭在矿物中的含量简直低得丧心病狂——居里夫妇没有想到,他们最后居然靠双手分离处理了整整一吨的矿物样品。经过四年枯燥的提炼工作,他们在1902年提炼出了0.1克氯化镭。没错,这宝贵的0.1克物质还只是镭的化合物。夫妇两个继续在科学的道路上跋涉,想要得到完全纯净的金属镭。

金属镭,表面是与氮气接触后产生的黑色氮化镭(网络图)

金属镭,表面是与氮气接触后产生的黑色氮化镭(网络图)

 

  不幸的是,在1906年一场大雨中,皮埃尔在穿过道路时被一辆飞驰的马车撞倒,车轮轧过了他,并碾碎了他的颅骨。失去知己挚爱的玛丽悲痛不已,但也只能独自挑起工作的大梁。

  在距离他们发现镭的十二年后,她终于提炼出了纯净的的金属镭。镭很美丽——它是纯白色的,虽然一旦暴露在空气中,很快就会因为接触到了氮气,而在表面生成黑色的氮化镭。翌年,玛丽·居里因为发现镭和钋,并提炼出镭的成就被授予了1911年的诺贝尔化学奖。

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