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物理学 1898

沥青铀矿中一种强放射性的新物质

皮埃尔·居里、玛丽·居里 与 居斯塔夫·贝蒙

沥青铀矿的辐射,远比它所含的铀所能解释的强烈——于是居里夫妇追出了一种新元素:镭。

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In depth · the introduction

一块黑色矿石放出的能量,远多于其中的铀所能解释的——于是两个人动身去寻找:石头里还藏着什么。

核心想法

1896 年,亨利·贝可勒尔发现,铀会悄无声息地、全凭自己放出看不见的射线。玛丽与皮埃尔·居里着手仔细测量这些射线——却注意到一件怪事。那种叫沥青铀矿的天然矿石,「活度」竟数倍于它的含铀量所应有的。石头里一定还有别的东西,虽只是极微的痕量,放射性却远强于铀本身。

他们把矿石一遍遍溶解、再结晶——每一步都跟着射线走,而不去称重量——把那份隐藏的活度一次次浓缩。析出的,不是一种、而是两种新元素:钋,玛丽以她的祖国波兰为之命名;以及随后那第二种,活度还要高出数百倍——他们叫它镭,取自拉丁文的「射线」。

它是如何诞生的

玛丽·居里选放射性作博士课题,恰恰是因为几乎没人在做。皮埃尔本已是出色的物理学家,却放下自己的工作来加入她;他们的实验室,是一间漏雨、不供暖的棚屋。他们的关键工具,是皮埃尔亲手做的一台静电计,灵敏到能读出射线在空气中激起的微弱电流——于是他们能把放射性「看作」表盘上的一个数字。

当沥青铀矿读数高得离谱,他们选择相信数字、而非成见,一路追了下去。化学家居斯塔夫·贝蒙帮着把镭从矿石里取出,光谱学家欧仁·德马尔赛则一锤定音:他在这份物质的辉光里找到一种全新的颜色——一条任何已知元素都无法认领的谱线。1898 年 12 月他们宣告镭时,它仍与钡混在一起;要从中分出一丁点纯净、可称量的镭,还要让玛丽再苦干四年。

它为何重要

在此之前,原子被认为是永恒而不可破的。放射性是第一个暗示:有些原子并不安分——它们会从内部把能量抛掷出来。就这一个事实,把原子撬开了。它径直通向原子核的发现、通向核能,也通向藏在岩石里的一台钟——它告诉我们,地球已有数十亿岁。它还交给医学一件对抗癌症的新武器。

一个可以想象的画面

想象一万个永远打不开的密封罐——可每个罐里都有一只小铃,会在你无法预知的某一刻、就在它裂开的瞬间,恰好响一声。你永远不知道下一个响的是哪一罐。然而,只要数一数每分钟响几声,你就能精确地说出:这一整批正以多快的速度坏掉,以及哪种罐子最先坏。居里夫妇同样看不见单个原子。他们数的是那些「铃声」——射线——单凭这阵铃响,就追出了一种从没有人亲眼见过的元素。

可交互的衰变图:在铀-238、镭-226、钋-210 中选择,以「半衰期」为单位拖动时间条;曲线显示剩余原子的比例,每过一个半衰期就减半,并以一行文字说明还剩多少、已衰变多少。

它的位置

贝可勒尔发现了射线;居里夫妇则找出射线背后的元素,并让放射性成为可以测量的东西。从这里,一条线径直通向卢瑟福的原子核(1911),通向爱因斯坦的 E = mc²——他曾建议,不妨先用「镭盐」来检验它——再一路通入整个核世纪。它在另一层意义上也是里程碑:玛丽·居里成为第一位获得诺贝尔奖的女性,也是史上唯一在两门不同科学中获奖的人。

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