贝克勒尔对放射性的发现及研究

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物理与工程Vo1.23 No.6 2013 贝克勒尔对放射性的发现及研究 尹晓冬 金 亮 刘战存 ( 首都师范大学物理系,北京 100048; 北京市海淀区中关村第一小学,北京 100190) 

摘 要 简述了贝克勒尔的生平,回顾了贝克勒尔在发现X射线后,进一步发现铀盐能使照相底 版感光,并能使带电的验电器放电,发现铀的放射性的过程及其后续的研究,分析了他如 何抓住机遇,充分利用有利条件,坚持不懈、严谨缜密地进行研究和勇于探索的精神. 关键词 贝克勒尔;放射性;铀射线;磷光;照相法 

DISCOVERY AND RESEARCHES oF RADIOACTIVITY BY BECQUEREL 

Yin Xiaodong Jin Liang Liu Zhancun ( Department of Physics,Capita!Normal University,Beijing 100048; The First Primary School of Zhongguancun of Beijing。Beijing 10019o) Abstract The brief biography of Becquerel A.H.is outlined.How he discovered the urani— um salt could make the photographic plate appearing in black when it was developed and dis— charge electrified bodies are reviewed.How he investigated the nature of the uranium ray and his related follow—uD researches are recalled.The important factors made him success such as he could seize the chances,his untiring perseverance and his self—sacrifice are analyzed. Key words Becquerel A.H.;radioactivity;uranium ray;phosphorescence;photographic method 

11O年前,安东尼·亨利·贝克勒尔(An— toine—Henri Becquerel,1852—1908)“由于发现自 发放射性所做出的特殊贡献”和居里夫妇(Curie Pierre,1859—1906,Curie Marie,1867—1934), “由于共同研究贝克勒尔教授发现的放射性现象 所做出的特殊贡献”分享了诺贝尔物理学奖[1].居 里夫妇富于传奇色彩的经历广为人知,本文在这 里主要关注贝克勒尔的贡献. 贝克勒尔1852年12月15日生于巴黎,他的 父亲埃德蒙·贝克勒尔(Alexandre—Edmond Bec— querel,1820--1891)和他的祖父西泽·贝克勒尔 (Antonie-Cesar Becquerel,1788—1878)都是著名的 有创新贡献的物理学家,均为法国科学院的成员, 在巴黎皇家自然历史博物馆任过物理学教授 ]. 贝克勒尔于1872年进入巴黎多科综艺学校 (Ecole Po1ytechnique),两年后成为桥梁道路学院 的学生.1877年贝克勒尔作为工程师进入桥梁和 道路管理部门,1894年任总工程师.1872年他进 入巴黎多科综艺学校,两年后又担任了自然历史 博物馆助理馆员.1888年在巴黎大学获博士学 位 ].1889年,被选为法国科学院院士,并继拜特 洛(Berthelot)担任科学院的终身秘书,1892年任 巴黎博物院自然历史部应用物理学教授,1895年 成为多科综艺学校教授,1908年他被选为法国科 学院主席和常务秘书.他是林赛科学院院士(Ac— cademia dei Lincei)和柏林皇家科学院院士(Royal Academy of Berlin).1 900年被任命为荣誉军团的 军官(Officer of the Legion of Honour). 

收稿日期:2013-07—12 作者简介:尹晓冬,女,副教授,主要从事物理教学科研工作,研究 方向为物理实验、物理学史、技术史,xiaodongstone@139.corn 物理与工程Vo1.23 No.6 2013 贝克勒尔与一位土木工程师的女儿结婚,育 有一子简(Jean Becquere1),后来也成为一名物理 学家.贝克勒尔喜欢运动,尤其喜欢爬山和游泳. 1908年8月25日,在法国的西海岸勒克罗依西克 (Le Croisic)休假时,因心脏病发作逝世Ⅲ. 

1对放射性的发现 1.1 X射线发现的影响 1895年11月8日,伦琴(R6ntgen W C, 1845--1923)注意到在距离用黑硬纸板包围着的 阴极射线管一米外的氰亚铂酸钡屏上有闪光,意 识到这是一种没有人报导过的不可见辐射.经过7 周的进一步研究,他发现这种辐射沿直线传播,能 穿过不透明物体使照相底版(以下简称底版)感 光;照射在磷光钙化合物、铀玻璃、普通玻璃、方解 石和岩盐等物质上能激发荧光;这种射线几乎能 透过所有物体,尽管透射程度差别很大,他将其称 为X射线.他发现X射线不发生折射、反射和偏 振现象,在磁场作用下不会偏转_5].1895年12月 28 El,他投出了第一篇通信;1896年1月1日,伦 琴将他的论文和用X射线拍摄的照片寄给一些朋 友和同行 ].X射线的发现,引起了物理学界的极 大关注,也激起了医学界的强烈反响. 1896年1月2O日,在法国科学院的会议上, 著名物理学家庞加莱(Poincar6 H,1854—1912) 带来了伦琴的论文,并展示了X射线的照片.当时 贝克勒尔也出席会议,并对这些照片发生兴趣,提 出这些穿透性射线如何产生,庞加莱说X射线是 由一束阴极射线打在放电管玻璃壁上,那里显示 出荧光亮斑,X射线是由打在上面的阴极射线引 起的[7].这个说明是正确的,但贝克勒尔错误地解 释了它,认为荧光是射线的起因,因此发出荧光的 物质可能会是X射线的天然来源.在1896年1月 30日出版的大众科学杂志(Revue Generale des Sciences)上,庞加莱提出“无论用什么方法产生强 荧光的物体,除了发射光线之外,是否发射伦琴的 X射线?”_8 由此,贝克勒尔推测X射线与荧光或 磷光是由相同的原子振动产生的,认为磷光可能 会伴随着X射线同时发生.这里说的荧光,就是把 吸收的辐射能再以辐射能的形式发射出去,其波 长一般与吸收的波长相同或更长些,撤掉激发辐 射时荧光会立刻停止;而磷光是在撤去激发辐射 后从约0.001秒到几秒内,能以比所吸收的波长 较长而重新发射出的辐射. 贝克勒尔后来回忆说:“在伦琴实验和克鲁 科斯管磷光壁发出的射线奇异性质的消息到达巴 黎的当天,我就想到进行研究,看一看是否所有的 磷光物质都发射类似的射线.”_1 贝克勒尔敏锐地 觉察到这是一个前景看好的题目,于是从第二天 就开始进行研究[9]. 他先将萤石等磷光物质封在一个放电管内, 在不会产生X射线的电压下工作,在管子外面放 块用黑纸包着的底版,实验进行了大约1小时, 没有任何效果.他还用电火花激发萤石和闪锌矿, 实验持续了几个小时,显影后仍没有什么效果.他 从以前的研究中知道,在磷光下曝光1小时,显影 后的效果依旧很弱,因此他认为可能是激发时间 还不够长. 1.2选用铀盐 在1896年2月17日法国科学院会议上,莱 温洛斯基(Gaston Henri Niewenglowski)介绍了 用阳光照射硫化钙的实验.他将盛着硫化钙的载 玻片放在黑纸包着的底版上,在阳光下曝光4、5 个小时.底版显影后,他发现只有对着硫化钙的部 分变黑了(但是这个结果后来没有能经受住更严 格的检验).受其启发,贝克勒尔也决定用阳光照 射闪锌矿、萤石等不同的磷光材料,但都没有得到 正面的结果.贝克勒尔没有发表这些不成功的 实验 。。. 贝克勒尔的多种磷光材料中,有些遇到潮湿 空气会停止发磷光.在选用的材料中,他选择使用 铀盐具有转折性的意义.铀是1789年检验沥青铀 矿时发现的,1841年才成功地分离出了这种金 属.1869年门捷列夫排列周期表时发现铀是最重 的元素.当时它的化合物用作照相中的调色剂、皮 革和羊毛的染料和媒染剂,最大用处是制造陶瓷 彩色釉料和彩色玻璃. 贝克勒尔家族对此有研究的优势,他的父亲 以对磷光光谱的精辟研究而闻名,证明了铀盐系 列能发出特别明亮的磷光,且它们的光谱很有 趣_1 .他的实验室保存着大量的磷光材料,特别 是铀的化合物. 贝克勒尔有一些硫酸铀酰钾复盐晶体 [K(UO)SO +H O],是大约15年前制备的,它 们在空气中不会起变化,适合用于实验.1896年2 物理与工程Vo1.23 No.6 2013 月,贝克勒尔开始用它做实验口 . 1896年2月24日,贝克勒尔在题为“关于磷 光发射的辐射”的论文中说:“利用我手头的透明 薄壳状的硫酸铀酰钾复盐晶体,进行了下列实验: 把一片磷光材料放在包着底版的纸包上,在 阳光下曝光几个小时;显影后发现底版上出现了 磷光物质黑暗的轮廓.如果在磷光物质和纸包之 间放一枚硬币或一块有通孔的金属,可在负片上 看到这些物体的影像[1 .”曝光在自然历史博物 馆二楼窗台上进行L1 .他注意到,发射的辐射不 仅能穿透黑纸,还会穿透一些金属,因而他误以为 太阳光照射铀盐产生了X射线. 1-3“未曝光”的底版 1896年2月26、27日,贝克勒尔将一些铀盐 晶体和底版暗盒分别组合好,打算用相同的晶体 和底版,重复他的实验,进一步探索实验规律.然 而接下来的几天,阳光断断续续地出现,只能在漫 射的阳光下短时间曝光,就“停止了已准备好的实 验”,将底版暗盒和铀盐片一起放回黑暗的抽屉 里,等待阳光重新出现.然而,在后来的几天太阳 仍未露面.为了能在第二天科学院的会议上报告 他的新进展,至少可以对影像黑度与磷光持续强 度间的关系发表研究结果,1896年3月1 El,贝克 勒尔来到实验室重新做实验,由于希望在下一步 实验中得到高质量的影像,不出现任何实验条件 不确定的疑问,决定换用新底版[1 .为了看看漫 射光产生的影像,贝克勒尔将原来装在暗盒里的 底版显影,他本来“预计得到很弱的影像.”[4 结果 令他大吃一惊,显影后的底版“不是如他期待的那 样是空白的,相反的这张底版很黑,与铀盐在阳光 下曝过光的一样…….”_1 贝克勒尔敏锐地意识 到,感光一定是在黑暗中发生的,于是马上安排了 新实验:将底版和铀盐薄片放在一起,中间用薄 玻璃片隔开,另将铝片做的暗盒装上底版,暗盒上 面放上铀盐,将它们分别装进不透光的硬纸盒内, 再把硬纸盒放入黑暗的抽屉中.五个小时后将底 版显影,都清楚地显示出黑色的铀盐晶片形状;薄 玻璃片的作用不明显,而铝片使曝光作用减弱了 些,但仍然很清晰,证明感光的确可以在黑暗中 进行. 贝克勒尔这样解释:“注意到这一现象看来 不应归于磷光中的发光辐射是很重要的,因为在 0.01s末,这些辐射(磷光)已经变到弱得令人难以 觉察.很自然地想到的一个假定是,这些辐射与勒 纳德(Lenard P,1862—1947)和伦琴研究的辐射 所产生的效果有很强的相似性,可能是磷光发出 的不可见辐射,它的持续时间与这些物质发出的 发光辐射相比可能是无限长的.”[1 3_贝克勒尔认 为,在强光照射下磷光物质才能发出磷光,停止照 射后,发射的可见磷光只能持续很短时间,而磷光 中可能还有不可见的辐射,这种辐射要比可见辐 射持续时间长得多,他认为正是这种不可见辐射, 使得底版感光了. 在他当年3月1日显影的几张照片中,有一 张在铀盐片和底版之间放人了一个用厚约 0.10mm的铜片剪成的“十”字形屏,在影像中可 以看到更透明一些的这一“十”字的轮廓,其上的 阴影证明了辐射穿过了铜片但有一定的吸收. 为了检验这些磷光材料,3月3日下午4点他 将这些物质“放在照相底版上,此前将它们在漫射 光下曝过光,后来将它们保存在黑暗中.在3月5 日下午4:30将这些底版显影,经过48小时,不同 铀盐的活跃性大体上相同,六方晶闪锌矿(硫化 锌)完全没有显示出这种活跃性.”_1 他在检验能量的衰减情况时,先将铀盐材料 与底版放在一起经过48小时,紧接着换一块底版 经过45小时,第三次换上底版42.5小时再分别 显影,后两次与第一次得到的影像黑暗程度相差 无几_8].这样“不可见的磷光辐射”总共持续了6 天,强度没有明显变化,贝克勒尔3月9日在科学 院会议上报告了上述实验结果. 1.4铀辐射线的发射特点和性质 1.4.1使用验电器的测量 贝克勒尔在1896年3月9日的报告中,还描 述了这种辐射使带电的验电器放电的实验[1 .利 用一个验电器,他可以确定射线是否出现,以及是 否穿透了一种物质.在实验中用显微镜测量,发现 当验电器金箔间张角不超过3O。时,张角的变化与 时间成正比,用每秒钟两金箔互相趋近的度数(实 际上用角秒/秒钟为单位),可以表示辐射的相对 强度.他在3月23日的论文中说,将“一片硫酸铀 酰钾复盐放在金箔下方,结果验电器的电荷以 22.50 /s的速度消散.在两者之间插入石英板后 速度将减至5.43 /s.两个数值之比为4.15."E133 他还将他的射线和X射线做了比较,发现X射线 使带电体放电的能力要强很多,插入同一石英板