[其它杂谈]核能史话  找到了人工放射性核素 [第19页]

第三章：核世界奥秘的探索

4、找到了人工放射性核素

    质子和中子的相继发现，不但加深了科学家们对原子核结构的认识，而且他们深深懂得若要改变原子核的性质，必须设法改变原子核中的中子或质子数目。为了达到这个目的，科学家们纷纷借助于α粒子、质子和中子等作为炮弹，去轰击各元素的原子核，看看能否通过核反应，产生出某些在自然界尚未发现过的人工放射性核素。

    我们知道，二十世纪三十年代是核科学发展的黄金时代。1932年查德威克发现了中子；同年，美国物理学家安德森在研究宇宙射线时，应用威尔逊云室观测到了一种质量和电子相同，而所带电荷又和电子相反的粒子所产生的径迹。经过实验证明，它是一种尚未发现过的新粒子，被称作为正电子。

    当时，约里奥·居里夫妇根据这些发现，并吸取了在寻找中子过程中的教训，又重新开始系统地对那些能够在α粒子轰击下发射中子的核反应过程进行实验研究。他们仍然用钋放射的α粒子去轰击除了铍以外的其它轻元素(如铝、镁、锂和硼等)。结果从它们的核反应中都观测到了中子，其中特别是铝被α粒子轰击后，能发射中子的现象使他们产生了浓厚助兴趣。因为在卢瑟福的α粒子散射实验中，曾用铝靶测得过质子，而现在约里奥·居里夫妇又从这一反应过程中观测到了中子。这就表明，铝核在α粒子轰击下，不仅能放射质子，同对也能放射中子。

    如果铝元素是由数种同位素组成，那末当α粒子和数种同位素同时作用下，就有可能发生不同的核反应结果。有的放出中子，有的放射质子。但我们己清楚地知道，铝元素在自然界中只有一种单一的同位素。这样中子和质子一定都是从铝27的核反应中产生的。约里奥·居里夫妇对这种同一个原子核中能够飞射出两种性质完全不同的新粒子的奇怪现象产生了浓厚的兴趣。

    他们首先假设中子和质子确是从铝27核的反应过程中，同时产生后放射出来的。这就是说，核反应所得的产物是硅29，而不是硅30。其次，他们假设如果中子的产生与质子无关，而是α粒子分别同铝核作用的结果，有的产生质子，有的产生中子。那末，铝核就应该有两种完全不同的反应式。由此可看出，核反应的结果得到了磷30和硅30两种性质完全不同的同位素产物。

    众所周知，任何科学实验中所观测到的现象以及经过分析后得出的结论，都必须要用实践作进一步验证。一般说来，实践确是检验客观真理的可靠标淮，但就实践本身而言，经常受到当时的科学技术条件所限制。所以由实践所证实的理论，也往往带有局限性和相对性，上述实验过程也正是说明了这一问题。

    1919年，卢瑟福从α粒子同铝核的反应中，只观测到了质子。这是由于那时中子还没有被发现，人们对观测中子的实验技术也是一无所知的。而自从1932年查德威克发现中子以后，在重新观测α粒子同铝核的反应中也测得了中子。这样科学家们就能对此核反应过程有一比较全面的认识。由此也可看出，承认实践标准的相对性也是非常重要的。它可以防止人们把当时实践还未能证实，而有待于将来实践可以证明的真理简单地加以否定。

    接着，约里奥·居里夫妇为了能彻底弄清α粒子轰击铝核的核反应过程，继续用威尔逊云室观测铝核反应时所发射的粒子径迹。结果出乎意料，他们不但看到了由质子电离而成的“粗线”径迹，而且还发现了一种过去未被观测到的、和电子电离径迹十分相似的“细线“径迹。当把威尔逊云室放置在—个特定的磁场里时，可从“细线”径迹弯曲的方向上，判别出它刚好和正电荷相一致。最后证明形成这种“细线”径迹的粒子就是安德森所发现的正电子。这就是说，正电子不仅存在于宇宙射线中，而且也能在地球上单独产生。

    正电子的出现，初看起来它不仅不能对铝核反应作更进一步的解释，而且会使核反应过程更复杂化。因为这样一来，铝核在α粒子轰击下，放射出的不仅有质子，而且还有中子和正电子。为此，既要分析此三种各不相同的粒子，到底是同时从铝核中飞出，还是分别单独飞出，或是其中任两个同时飞出。由于三个粒子同时从核中飞出的假定，从力能学(包括力学和能量平衡)观点上看将是最不利的。另外约里奥注意到正电子和中子加在一起，其电荷和质量大致上和质子相同。由此反应结果都生成了硅30，而在一种反应中放出质子；另一种反应中放出中子和正电子。

    乍看起来，这种说法似乎很合理。然而，进—步深入研究的结果，发现正电子不仅在α粒子轰击时出现，而且一旦α粒子轰击停止后的某段时间内。正电子仍会继续出现。这就是说，在α粒子照射铝核的过程中，质子、中子和正电子都同时出现。当α粒子源被移开后，则质子和中子的发射就会立刻停止。但正电子发射并不停止，其发射的数量随着时间的推移将逐渐减少，而且变化也很有规律，每隔2.5分钟后，正电子发射的数量就减少一半。

    由此可见，铝核所产生的两种不同的核反应过程，最终都得到了硅30。一种是直接发射质子后得到的，另一种是先放出中子，并生成带放射性的磷30。这是一种在自然界中从未见过的不稳定同位素，通过放射正电子后变成稳定的硅30。所以磷30是第一个从实验室里通过核反应制造成功的人工放射性核素。

    此外，约里奥·居里夫妇又从α粒子同镁和硼核的反应过程中，也观测到了有正电子发射，同时分别生成半衰期4.17秒的放射性硅27和半衰期为10分钟的放射性氮12的不稳定同位素。

    为了对这些核反应式进行验证，约里奥·居里夫妇利用他们在化学方面的渊博知识，直接用化学分析方法来鉴定这些自然界中不存在的新的放射性核素。虽然它们的数量都很微小，—般为数万个原子核。最后他们还是用加“载体“的化学方法，找到了这些能发射正电子的极微量的放射性元素。如磷30，就其化学性质而言，和铝、硅都不—样，而完全与磷相同。至此，约里奥·居里夫妇终于正确无误地证实了人工放射性现象的存在，并从这一伟大的发现中获得了第一批人工放射性核素。

    人工放射性核素的发现告诉我们在用α粒子轰击各种原子核的过程中，除了能产生新的稳定核素外，某些核反应过程还可能用人工的方法产生出带放别射性的核素。而且不仅在周期表上大于铋209的重元素可以是放射性的，既是轻元素像氮、磷、硅等也可以处于不稳定的放射状态。

    总之，人工放射性核素的发现，给原子核构造理论赋与了新内容。它告诉我们，除了自然界天然存在的放射性元素如钋、镭等以外，还可利用α粒子、中子等去轰击稳定元素，从而生产出多种的人工放射性核素。约里奥·居里夫妇的这一伟大发现为人工制造放射性核素开辟了十分广阔的远景。

    我们知道，居里夫人是因受镭射线的照射而患白血病后，于1934年7月不幸逝世的。她能在去世前几个月，亲眼看到自己辛勤培育的“孩子”成功地制造出第一个人工放射性核素，这是她一生中最大的欣慰，因为第一个天然放射性元素钋的存在是她和皮埃尔·居里在1898年共同发现的，而现在他们的接班人约里奥·居里夫妇又是第一个人工放射性核素的发现者。居里一家不愧为“放射性世家”，他们是对原子能事业有着伟大贡献的两代人。

    居里夫妇及其女儿和女婿(约里奥·居里夫妇)四人共得过五次诺贝尔奖，他们是科学史上获得诺贝尔奖最多的一家。其中包括居里夫妇因发现“放射性”获1903年度诺贝尔物理奖；1911年，居里夫人因发现钋和镭两种放射性元素，和测定了放射性镭元素的性质，又获得了诺贝尔化学奖；1935年，居里夫人的女儿和女婿因用人工方法获得了新的放射性元素而共同获得了诺贝尔化学奖。

    由于核科学技术的不断发展，特别是同位素分离技术的改进和测量精度的提高，使得人们有可能去识别更多的同位素。目前已知地球上的90种元素中，除20种外都是由两种以上同位素所组成。在总数已超过2000种的核素中，绝大部分是放射性核素。它们已在现代工业、农业、医学、生物和冶金等领域得到了越来越广泛的应用。