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物理學 1898

瀝青鈾礦中一種強放射性的新物質

皮埃爾·居里、瑪麗·居里 與 古斯塔夫·貝蒙

瀝青鈾礦的輻射,遠比它所含的鈾所能解釋的強烈——於是居里夫婦追出了一種新元素:鐳。

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In depth · the introduction

一塊黑色礦石放出的能量,遠多於其中的鈾所能解釋的——於是兩個人動身去尋找:石頭裡還藏著什麼。

核心想法

1896 年,亨利·貝克勒發現,鈾會悄無聲息地、全憑自己放出看不見的射線。瑪麗與皮埃爾·居里著手仔細測量這些射線——卻注意到一件怪事。那種叫瀝青鈾礦的天然礦石,「活度」竟數倍於它的含鈾量所應有的。石頭裡一定還有別的東西,雖只是極微的痕量,放射性卻遠強於鈾本身。

他們把礦石一遍遍溶解、再結晶——每一步都跟著射線走,而不去稱重量——把那份隱藏的活度一次次濃縮。析出的,不是一種、而是兩種新元素:釙,瑪麗以她的祖國波蘭為之命名;以及隨後那第二種,活度還要高出數百倍——他們叫它鐳,取自拉丁文的「射線」。

它是如何誕生的

瑪麗·居里選放射性作博士課題,恰恰是因為幾乎沒人在做。皮埃爾本已是出色的物理學家,卻放下自己的工作來加入她;他們的實驗室,是一間漏雨、不供暖的棚屋。他們的關鍵工具,是皮埃爾親手做的一台靜電計,靈敏到能讀出射線在空氣中激起的微弱電流——於是他們能把放射性「看作」錶盤上的一個數字。

當瀝青鈾礦讀數高得離譜,他們選擇相信數字、而非成見,一路追了下去。化學家古斯塔夫·貝蒙幫著把鐳從礦石裡取出,光譜學家歐仁·德馬爾賽則一錘定音:他在這份物質的輝光裡找到一種全新的顏色——一條任何已知元素都無法認領的譜線。1898 年 12 月他們宣告鐳時,它仍與鋇混在一起;要從中分出一丁點純淨、可稱量的鐳,還要讓瑪麗再苦幹四年。

它為何重要

在此之前,原子被認為是永恆而不可破的。放射性是第一個暗示:有些原子並不安分——它們會從內部把能量拋擲出來。就這一個事實,把原子撬開了。它徑直通向原子核的發現、通向核能,也通向藏在岩石裡的一台鐘——它告訴我們,地球已有數十億歲。它還交給醫學一件對抗癌症的新武器。

一個可以想像的畫面

想像一萬個永遠打不開的密封罐——可每個罐裡都有一隻小鈴,會在你無法預知的某一刻、就在它裂開的瞬間,恰好響一聲。你永遠不知道下一個響的是哪一罐。然而,只要數一數每分鐘響幾聲,你就能精確地說出:這一整批正以多快的速度壞掉,以及哪種罐子最先壞。居里夫婦同樣看不見單個原子。他們數的是那些「鈴聲」——射線——單憑這陣鈴響,就追出了一種從沒有人親眼見過的元素。

可互動的衰變圖:在鈾-238、鐳-226、釙-210 中選擇,以「半衰期」為單位拖動時間條;曲線顯示剩餘原子的比例,每過一個半衰期就減半,並以一行文字說明還剩多少、已衰變多少。

它的位置

貝克勒發現了射線;居里夫婦則找出射線背後的元素,並讓放射性成為可以測量的東西。從這裡,一條線徑直通向盧瑟福的原子核(1911),通向愛因斯坦的 E = mc²——他曾建議,不妨先用「鐳鹽」來檢驗它——再一路通入整個核世紀。它在另一層意義上也是里程碑:瑪麗·居里成為第一位獲得諾貝爾獎的女性,也是史上唯一在兩門不同科學中獲獎的人。

The original document
Original source text
P. Curie, Mme P. Curie & G. Bémont · Comptes rendus de l'Académie des sciences 127 (1898): 1215–1217 · presented by H. Becquerel, séance of 26 December 1898
The clue in the ore
Certain uranium minerals — pitchblende above all — are more radioactive than their content of uranium and thorium can account for. We have taken this excess to mean that the ore must hold a small quantity of a far more strongly radioactive body, a substance not yet known to chemistry. Earlier this year, working chemically, we drew from pitchblende a strongly radioactive substance close to bismuth in its analytical properties, which we named polonium.
A second radioactive substance
We have now obtained a second strongly radioactive substance, wholly different in its chemistry: in all its reactions it follows barium. It precipitates with barium as a chloride, and is concentrated together with barium when that chloride is purified by fractional crystallisation. The radioactivity rises as the fraction is enriched; our most active barium–radium chloride is about nine hundred times more active than uranium — far beyond anything barium itself could give.
Les diverses raisons que nous venons d'énumérer nous portent à croire que la nouvelle substance radioactive renferme un élément nouveau, auquel nous proposons de donner le nom de radium.
[In translation:] The various reasons we have just enumerated lead us to believe that the new radioactive substance contains a new element, to which we propose to give the name radium.
Confirmed in the spectroscope
M. Demarçay kindly examined the spectrum of our material. He found a line that belongs to no known element — faint in a chloride sixty times as active as uranium, strong in one enriched to nine hundred times — and its intensity grows together with the radioactivity. We regard this as a serious reason to attribute the line, and the radioactivity, to the new element.
We have not yet separated radium from the barium that accompanies it, and so cannot give its atomic weight; but the new spectral line, climbing in step with the activity, leaves us confident that the element is real.
[ … ]
Paris · séance of 26 December 1898