科技日历丨121年前的今天,居里夫人与丈夫一起发现放射元素钋

科技日历丨121年前的今天,居里夫人与丈夫一起发现放射元素钋
2019年07月18日 10:50 前瞻经济学人

原标题:科技日历丨121年前的今天,居里夫人与丈夫一起发现放射元素钋 来源:前瞻经济学人

1898年7月18日,法国波兰裔女科学家居里夫人(玛丽亚·斯克沃多夫斯卡·居里)和丈夫法国科学家皮埃尔·居里宣布发现了新的放射性元素——钚。

1895年,威廉·康拉德·伦琴(Wilhelm Conrad Rontgen)发现了X射线,当时X射线仍是一个热门话题,但已失去了新奇的魅力。另一方面,亨利·贝克勒尔(Henri Becquerel)于1896年发现的铀射线提出了一个令人费解的问题。铀化合物和矿物质似乎在几个月的时间里保持着使照相底片变黑的能力。这种取之不尽用之不竭的能量的来源是什么?它显然违反了卡诺原理,即能量可以转化,但不能被创造或毁灭。

当时,皮埃尔·居里已经是一位著名的物理学家,他在磁性和晶体对称性方面的研究而闻名。居里夫人在皮埃尔·居里的传记中证实,“我们觉得对这一现象的研究非常有吸引力,甚至更有吸引力的是,这个话题相当新颖,没有书目可以研究。”

在最初的兴奋之后,对这种新射线的兴趣迅速消退了。其中一个原因是在各种物质中对类似于铀射线的辐射的错误或可疑观测的扩散。当玛丽·居里出现时,这个话题已经没什么热度了。

然而,在1898年的8个月内,她发现了钋和镭两种元素,建立了一个新的放射性科学领域。这段关于这些发现的简短历史可以追溯到三个实验室笔记。

除了使照相底片变黑,铀射线还使空气导电。后者的性质更适于定量测量。贝克勒尔曾使用过验电器,但测量结果并不可靠。在这一点上,如果没有皮埃尔·居里,就不会有什么进展。1880年,皮埃尔和他的兄弟雅克一起发现了压电(即压电)。当压力作用于象石英这样的半面体晶体时产生的电荷。皮埃尔发明了一种装置,使铀在电离室中产生的电荷,通过施加一个重物到一片石英上所产生的已知数量的相反电荷得到补偿。补偿之后是第二项发明,象限静电计。现在可以从电离室中产生的电荷的补偿所需的重量和时间来量化铀射线的发射。

玛丽·居里的策略在1898年4月12日发表在《伦道斯科学院院报》上的第一篇文章中得到了明确的表述:“我已经研究过除铀化合物以外的物质是否能使空气导电”。

从1898年2月11日开始,她以金属铀的活性为参照,对手头的所有样品进行检测,或借来各种收藏品检测,包括大量的岩石和矿物。她发现,所有含有铀的化合物和矿物都是活性的,而沥青铀矿石(pitchblende),一种来自奥地利约阿奇马斯塔尔(Joachimasthal)矿的铀矿石,以及一种天然磷酸铀——黄铜矿,都比金属铀本身更为活跃。

居里夫人指出:“这一事实相当引人注目,表明这些矿物可能含有一种比铀更活跃的元素。她的假设立刻得到了证实,铜矿并不比其他铀盐更活跃。然后她得出结论,一种未知的元素只存在于比铀更活跃的含铀矿物中。

在这个阶段,寻找所谓的元素成为一件极其重要和紧迫的事情。皮埃尔·居里被玛丽的发现所吸引,3月18日,他放弃了自己的研究项目,和妻子一起参与了这个项目。

在对贝克勒尔射线进行系统研究的过程中,居里夫人也于2月24日发现钍化合物也具有活性。然而,德国物理学家葛哈德·施密特(Gerhardt Schmidt)几周前就观测到了这种辐射。

于是,对铀射线的研究现在从物理学转向了化学。有必要分离和鉴定一种化学性质未知的物质。玛丽和皮埃尔都不是化学家,所以他们得到了古斯塔夫·博蒙特的帮助。

4月14日,三人开始研究沥青铀矿,其活性是铀的2.5倍。6月27日,玛丽·居里从含有铅、铋和活性物质的溶液中析出硫化物。她在笔记本上强调了结果:这种固体的活性是铀的300倍。

7月18日,皮埃尔·居里获得了比铀活跃400倍的沉淀物。居里夫妇仔细地证实了“所有元素的化合物,包括那些最稀有的物质都不活跃。”

于是,皮埃尔·居里和玛丽·居里写信公开这一发现,“关于沥青铀矿中所含的一种新的放射性物质。“我们相信,我们从沥青铀矿中提取的物质含有一种迄今未知的元素,其分析性质与铋相似。如果这种新金属的存在得到证实,我们建议将它命名为钋,以纪念我的祖国。”而皮埃尔·居里7月13日创作的符号Po出现在这本笔记本上。

钋这个名字具有挑衅性的意义,因为波兰在1795年作为一个国家消失了,被普鲁士、俄罗斯和奥地利帝国瓜分。

1903年,居里夫妇和贝克勒尔由于对放射性的研究而共同获得诺贝尔物理学奖,1911年,因发现元素钋和镭再次获得诺贝尔化学奖,因而成为世界上第一个两获诺贝尔奖的人。

居里夫人的成就包括开创了放射性理论、发明分离放射性同位素技术、发现两种新元素钋和镭。在她的指导下,人们第一次将放射性同位素用于治疗癌症。遗憾的是,由于长期接触放射性物质,居里夫人于1934年7月3日因恶性白血病逝世。

居里夫人

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