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1、核 能 史 话第一章：放射性的发现1、人类早期对物质结构的认识 自古以来，人类一直想从千变万化的自然现象中找到如何认识物质世界的客观规律，从而知道各种物质来源于何处？它们是由什么东西组成的？等等。 关于人类早期对物质结构的认识，综合起来大致可分为两种不同的论点：一种认为，世界上的一切都是由上帝创造的；另一种认为，万物皆由某些最基本的物质要素所组成。我国古代思想家曾提出“五行说”，用以说明世界万物的起源。在古希腊时代，也曾流行过类似的学说。如亚里士多德就曾认为，土、气、火和水是组成物质世界的基本要素，它们分别代表干、冷、热和湿四种不同的物质属性。 然而，在所有认为世界是由物质构成的学说中，影响最
2、大的要算由德谟克利特首先提出的“原子说”，他的老师留基伯也是这个学说的创始人之一。他们都认为万物皆由大量不可分割的微小物质粒子组成，这种粒子被称为原子(希腊文“不可分割”之意)。 于此同时，德谟克利特还认为“原子”具有不同的性质。这就是说，在大自然中能够同时存在各种各样的原子。有些原子很轻，能自由地向各处渗透，而彼此间相距又很远，空气和其它各种气体就是由这类轻原子所组成的。相比之下，液体中的原子要重一些，它们虽然相互粘连在一起，但仍能流动，故液体具有体积不变而形状可任意改变的特性。至于固体中的原子，一定是更大、更重的。它们相互结合得更紧密，同圆润而又光滑的液体原子相比，固体原子表面想必是粗糙不
3、平的，因此团体原子间能互相钩牢而不能自由转动，结果形状和体积都可保持不变。 由此可知，早期的原子说虽粗浅，但仍能像现在一样，可用来解释固体、液体和气体的某些物理现象。 到了十七世纪，由于科学技术的发展，各种发明和发现纷至沓来，从而加深了人们对客观世界的认识。人们开始不仅限于用头脑思考提出各种概念，而是力求用实验来验证对自然现象所作的种种假说。 1661年，英国化学家波义耳指出：“组成复杂物体的最简单物质，或在分解复杂物体时所能得到的最简单物质，就是元素”。在这里，被波义耳所采用的“元素”这个词的含义和我们今天的理解是相同的，即物质可由各种元素组成，它是用一般化学方法不能再行分解的最简单的物质。
4、一定的化学元素，就有一定的性质。自然界中各种物体，不论是动物、植物和矿物，还是气体、液体和固体都是由各种元素所构成的，例如金和银，氧和氢就都是元素。 当时波义耳虽认为元素可有很多种，但确切的数字还是不知道的。后来，化学家们又找到了许多种新的元素，至今我们已经知道自然界中存在90种天然元素；到1976年8月止，在实验室中由人工制造的不稳定元素已达17种；这样，总共就有了107种元素。 1808年后，另一位英国化学家道尔顿不但进一步发展了波义耳的元素概念，而且把德谟克利特的原子概念也更加具体化了。在研究总结了化学变化的许多重要规律的基础上，他与意大利化学家阿伏加德罗提出了“原子分子学说”。 道尔顿
5、曾构思了各种原子符号，当时他认为各种元素、单质都是由原子微粒所组成。同种元素的原子都是相同的，反之则不同。另外，他又设想，在物质起变化时，一种原子可和其它原子结合。例如，木材燃烧时，一个碳原子和两个氧原子结合成二氧化碳。当时把这种不同原子的结合称为“复合原子”。 而阿伏加德罗又把这种“复合原子”称作“分子”。他认为分子是组成物质的最小单元，而每个单元又能严格地保持和物质大量存在时所具有的相同性质。根据这个概念，人们就能方便地区分什么是原子？什么是分子？此外，他也确认原子是组成元素的最小颗粒，当不同元素的原子相互化合成化合物时就形成了分子。例如，氧气和氢气是由许多氧分子和氢分子所组成，而氧分子氢
6、分子又分别由氧原子和氢原子组成，人们日常生活中所不可缺少的水，就是由两个氢原子和一个氧原子结合成水分子所组成的，这就是所谓的“原子分子学说”。 总之，到了十九世纪中叶，人们已经知道了五十五种元素。有关原子、元素和分子的概念和学说也已被人们普遍接受，这就为核科学的发展奠定了坚实的基础。2、揭开X射线的秘密 十九世纪末，物理学家们通过对电学的研究，不断思考物质的结构问题。他们采用自己独特的方法，对气体的放电现象进行了十分广泛的研究。 一般说来，在正常条件下的气体都是不导电的。但在特定条件下，如在一个密闭玻璃容器的两端装上一对电极，并加上足够高的电压。与此同时，开动与玻璃容器相连接的抽气系统，容器中
7、的气体压力就将会逐渐下降。一旦气压降到几毫米汞柱时(一个大气压相当于760毫米汞柱)，气体就开始导电，在电极间可观测到有电流通过，并可观察到气体放电产生的光柱，其颜色和容器内所充气体的种类有关。如充氖气，就呈现出红色光；若充氩气，则为淡紫蓝色。生活中常见的霓虹灯和日光灯都是利用低压气体放电原理制成的。 如果继续抽气，容器中的气压就会进一步下降，直到0.1毫米汞柱时，放电发光现象就会突然消失。若再把气压抽到0.001毫米汞柱以下，就能在阴极对面的容器壁上观察到荧光。这好像是从阴极上发射出了什么东西，打到对面玻璃壁上使得玻璃发光。当时人们把从阴极上发射出的东西叫做“阴极射线”，这种用来研究气体放电
8、的玻璃容器叫做“阴极射线管”。 德国物理学教授伦琴就是利用这种阴极射线管进行科学研究的杰出代表，并用它在1895年12月28日发现了X射线。 当时伦琴正对阴极射线进行仔细观察研究，突然发现放在一米外涂有亚铂氰化钡(它是一种荧光物质)的纸上也能发出一种青绿色的荧光。如果去掉阴极射线管上的高电压，阴极射线管停止工作，而亚铂氰化钡纸上的荧光也就同时消失。若再加上高电压使阴极射线管重新工作，纸上的荧光就又重现。奇怪的是当把纸慢慢移远时，竟然仍能见到闪烁的萤火。由此可知，纸上的荧光一定是由阴极射线管工作时所产生的。而当时已知的阴极射线只能穿过几厘米厚的空气层，故一定还有一种人们肉眼所不能见到的射线穿过阴
9、极射线管的管壁，打在纸上，结果产生了荧光。 伦琴为了对这种神秘的射线能有更进一步了解，他又继续做了许多试验。例如，他用黑纸把整个阴极射线管严密地包封起来。又在阴极射线管和涂有荧光物质的纸间放置上千页厚的书，或几厘米厚的木板，或几毫米厚的铝板等等。试验结果发现，无论是纸、木板、玻璃，甚至金属都不能挡住这种射线。这就说明所产生的射线确有很强的穿透能力。由于当时伦琴对这种射线的性质还不分清楚，故就把它叫做“X射线”。后人为了纪念伦琴的功勋，也称之谓“伦琴射线”。 另外，伦琴还发现X射线能穿过墙壁，使相邻房间内的胶片感光。同时又发现它虽能容易地透过薄而轻(即密度小)的物质，但对厚而重(即密度大)的物质
10、却很难穿过。例如，伦琴曾在暗室里把某种柔软物质或金属钥匙之类的硬物质放在照相底版上。然后，用X射线对准底片进行照射(也称曝光)，结果发现射线能全部穿透柔软物质使底片全部曝光。但在放有金属钥匙的底片上，却清晰地看到了一个和钥匙形状一样的未曝光区。 伦琴的伟大发现是在1895年圣诞节后公诸于世的。当时立即引起了许多物理学家的注意。特别是医生们在看到第一张显示人体手骨骼的照片后就更为激动。从此，他们可利用 X射线拍片，察看病人的骨骼在何处破裂或直接寻找弹片和子弹在人体中的位置，以便及时治疗。在第一次世界大战期间，居里夫人就曾在法国部队中，组织伤兵医疗服务队，在战地前线建立了第一座有 X光设备的医疗站
11、，抢救和医治了很多伤病员。而目前X射线在医学上不论是诊断或治疗邪得到了非常广泛的应用。 X射线的发现大大地推动了近代物理学的发展。就在伦琴发现X射线的第二年，法国人贝克勒尔从铀盐中发现了放射性。又过了一年，英国人汤姆逊发现了电子，等等。由于这些重大发现，就使得人们对物质结构的认识更加深化了，人们的思维已深入到原子内部，开始探索原子世界的奥秘了3、铀盐世家的新发现 1895年1月20日，伦琴在巴黎法国科学院宣读关于发现X射线的报告时，在众多的听众中有一位名叫贝克勒尔的法国物理学家。他在听过报告后，反复思考着一个问题，即荧光与神奇的 X射线间，究竟有什么内在的联系？ 然而，最使贝克勒尔感兴趣的是
12、X射线不但和阴极射线管发生荧光时同时产生，而且 X射线也来自阴极射线管发生荧光的那部分玻璃处。也就是说，荧光和 X射线是同时、同处产生的。由此他想 X射线必然与荧光有什么联系，并自己反问自己，那些能发出荧光的物质是否也能发射 X射线呢？ 当然贝克勒尔对荧光现象并不陌生，他的祖父也是一位有名望的物理字教授，对荧光物质也很有研究，他的父亲爱德蒙贝克勒尔也从事过铀盐荧光现象的研究。而亨利贝克勒尔已是这个铀盐世家的第三代。他在1880年制备了一种铀和钾的复合硫酸盐，并且发现这种铀盐在太阳光的紫外线激发下也能产生荧光。此时，贝克勒尔为了要研究荧光与 X射线之间的关系，也就回想起曾经研究过的铀盐，觉得很有
13、重新进行仔细研究的必要。 接着，贝克勒尔就用这种铀盐进行新的头验。他把未感过光的照相底片用黑纸包好，然后在黑纸上放上铀盐，并将它们捆在一起，最后放在阳光下照射，日光中的紫外线能使铀盐产生荧光，这是贝克勒尔早巳知道的。至于铀盐会不会同时产生使底片感光的X射线，就需要实验验证。 经过几个小时以后，他把底片拿去冲洗。结果正如他所期待的那样，底片不但感光了，而且在底片上清楚地显示出铀盐的影像。在多次重复实验中，他又把某些中间打孔的金属板或硬币等物体，放在铀盐和底片之间。所得结果使他非常高兴，因为每次实验在底片上均留下了所放置物体的影像。 随后，贝克勒尔根据上述的实验结果，写出了完整的实验报告，并在18
14、96年2月24日法国科学院的一次会议上宣读了这个报告。他宣称：铀盐在经过日光照射以后，能够发射出一种类似 X射线的射线，它也能穿过黑纸、玻璃等其它物质，能使底片感光。 贝克勒尔的实验结果本身确是一项重大发现，但在分析实验现象时却犯了先验论的错误，为此每个科学家都应从中吸取教训。不论做哪一种科学实验，往往在不能获得预期结果时，一定会非常仔细的严查实验过程。而在工作顺利时，却容易犯粗枝大叶的错误。贝克勒尔正是这样犯了一次意想不到的错误。 贝克勒尔在实验前已经认为 X射线与荧光有关，而铀盐在日光照射下刚好能产生荧光，因此联想到同时又产生了 X射线，实验结果又证明了铀盐确能放射出某种能使底片感光的射线
15、。最后，他就简单地认为铀盐所以能放射出某种类似 X射线的射线，是由于太阳光照射的结果。 当然，任何错误的结论都不能持久，贝克勒尔很快又从实践中发现了自己所犯的错误。他在重复上述实验时，有一次准备工作做好后，天气突然变阴。他想没有太阳实验是无法进行的，故只得把已准备好的底片暂时放入抽屉，并在底片上面撒了一些铀盐，待天晴后再用日光照射。可是一连数日都是阴天，他的实验也就无法进行。 几天后，又要到法国科学院的会议日期了，虽然他认为不会有什么结果，但还是决定将其中一张冲洗出来看一下，不料其结果竟好得出奇。虽然铀盐未受日光照射，但底片上却留下了比以往更黑、更深地阴影。 于是贝克勒尔反复思考这一奇怪的现象
16、，为何不经阳光照射，放置时间长一些，就能得到更深、更黑的图像呢？为了揭开这个谜底，他又多次重复这个实验。结果发现，即使是在暗室中制备的铀盐样品，也就是说这种铀盐从未经过日光照射，仍能放射出射线使底片感光。显然，这种射线的发射和阳光无关。 后来，贝克勒尔对不同类型的荧光物质也进行了实验。他发现不是所有的荧光物质都能发射这种射线的，但只要是含有铀元素的，则都能放射出这种能使底片感光的射线。而且这种射线还具有使空气电离，验电器放电的本领。看来，铀是能放射这种奇特射线的关键物质。 为了证明这一点，贝克勒尔又用含铀但不发出荧光的物质做实验，同样也获得了使底片感光的结果。即使把含铀物质加热熔化或把铀盐配制成溶液，也都破坏
