提出同位素假说的索迪

Frederick Soddy 1877一1956


    19世纪、20世纪之交发生的物理因此而生长出一批富有活力的新学科,促成了一系列新技术和新的实验手段的出现,揭开了现代自然科学的序幕,在这场伟大的科技革命中,一些化学家也建立了永载史册的业绩,居里夫人、索迪就是其中的代表。索迪于1910年提出了同位素假说, 1913年发现了放射性元素的位移规律,为放射化学、核物理学这两门新学科的建立奠定了重要基础。因此荣获了1921年的诺贝尔化学奖。

元素蜕变假说的提出

    1877年9月2日索迪生于英国伦敦一个商人家庭。少年时就立志将来作一位有成就的科学家,为此,从小学到大学他都努力学习,学习成绩年年优秀,还曾多次获得奖学金,1898年,他以荣获一级荣誉学位的优异成绩毕业于牛津大学。

    1899年英国化学家克鲁克斯在分离铀矿物过程中,发现一部分铀具有放射性,另一部分铀却无放射性。其他一些科学家也发现了这一现象。同时还发现,钍、镭等放射性元素不仅能产生具有放射性的物质,而且还能使与它有接触的物质也产生放射性。这种放射性还会随着时间流逝而减弱,最后会消失。这些奇异的、当时无法解释的现象引起了当时正在加拿大蒙特利尔大学任实验物理学教授的卢瑟福的极大兴趣。他决定开展这一课题的研究,然而他觉得开展这项研究,必须为自己配备一个精通化学的实验助手。正当卢瑟福为自己寻找助手时,恰逢索迪到蒙特利尔大学访问。索迪一眼就被卢瑟福相中。就这样索迪刚出校门不久,就很幸运地成为卢瑟福的助手。事实已证明他们的合作是卓有成效的。

    他们首先对钍的放射性做了大量的实验。他们将硝酸钍溶液用氨处理,沉淀出氢氧化钍,过滤后检查干燥的沉淀,其放射性显著降低,而将滤液蒸干除去硝酸铵后的残渣,却有极强的放射性、但过了一个月后,残渣的放射性消失,而钍却又恢复了原有的放射性。他们证实钍的放射性的确变化无常。他们还发现,如果把钍放在密闭的器皿中,其放射性强度较稳定,如果放在一个敞开的器皿中,其放射性强度就会变化不定,尤其容易受表面掠过的空气的影响。他们推测这可能是由于有某种物质放射出来,不久他们便证明这种被放射出来的物质是一种气体;他们称它为钍射气。

    他们对有放射性的镭、锕进行实验研究,也发现存在同钍一样的现象。他们把镭放射出来的气体称为镭射气,锕放射出来的气体叫锕射气。根据这些实验结果,1902年卢瑟福、索迪提出元素蜕变假说:放射性是由于原子本身分裂或蜕变为另一种元素的原子而引起的。这与一般的化学反应不同,它不是原子间或分子间的变化,而是原子本身的自发变化,放射出 abg 射线,变成新的放射性元素。同时他们将这些实验结果和上述假说整理写成 论文:“放射性的变化”。他们关于元素蜕变的假说一提出来,立即引起物理学界、化学界的强烈反对,因为认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子的观点,打破了长期以来认为元素的原子不能变的传统观念。周围的同事们也纷纷告诫他们,千万要小心,以免愚弄自己。开始时卢瑟福也有点犹豫,但是尊重实验事实的朴素唯物主义思想和科学家的责任感,促使卢瑟福和索迪勇敢地决定,一定要使论文发表。

    他们将论文寄到当时在科学界颇有影响的《哲学杂志》时,遭到杂志主编开耳芬勋爵的拒绝。开耳芬勋爵是英国科学界的泰斗,19世纪最杰出的物理学家之一。在学术问题上开耳芬有一种观点,他认为实验仅是验证理论的一种方法。另外,晚年以思想保守而著称的开耳芬实际上是反对元素蜕变理论。卢瑟福和索迪在提出元素蜕变假说时,根据放射性元素在自发地发射射线的同时,还不断地放出能量这一事实,提出了“原子能”的概念。卢瑟福还用这理论说明太阳能和地热的来源,平息了物理学家和地质学家对此的长期争论。开耳芬则是物理学家的代表,主张这种能源来自引力收缩。开耳芬显然不愿意发表卢瑟福和索迪的论文。在这种情况下,卢瑟福只好赶回剑桥,求助于他的导师汤姆逊。通过实验测定了电子的荷质比,从而证实了电子的存在的汤姆逊,对新的科学发现和理论遭受白眼是很有感触的,因此他毫不迟疑地支持卢瑟福。汤姆逊亲自找到开耳芬,向开耳芬保证这篇文章由他负责,开耳芬才不得不同意刊登卢瑟福和索迪的论文。

同位素假说的提出

    关于元素蜕变假说的论文的发表,引起的轰动是可想而知的。起初,甚至连居里夫妇也表示不能轻易相信。门捷列夫则不但自己表示怀疑,还号召其他科学家不要相信。至于开耳芬,尽管同意发表了这篇论文,他还是在1906年和1907年英国科学促进协会的两次年会上一再发起挑战,认为镭产生新元素并不能证明原子的蜕变,而可能镭本身就含有该元素的化合物。卢瑟福、索迪、居里夫人都对开耳芬进行了反驳,而最有力的反驳莫过于实验事实。在提出元素蜕变假说后,卢瑟福、素迪开始了对放射性元素的进一步深入研究。

    1899年卢瑟福曾发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种,一种极易被吸收、他命名为a射线:另人种有较强的穿透本领,他称之为 b 射线。为了探索ab射线的本质,卢瑟福和索迪利用空气液化机在低温条件下浓缩射气,证明射气是一种气体,这气体与拉姆塞曾发现的惰性气体很相像。继续研究时,他们又发现镭衰变时放射出氦离子,于是他们推测 a 射线就是氦离子流。为了验证这一推测, 1903年3月索迪离开了卢瑟福实验室,回到伦敦,和以发现和研究惰性气体商闻名于世的拉姆塞合作,研究放射性镭所放射的气体。不久他们的实验就确认了卢瑟福和索迪的上述推测, a射线就是带正电荷的氦离子流。卢瑟福则证明该射线就是电子流。他们的共同努力,终于揭示了放射线的本质。

    卢瑟福、索迪的开创性工作吸引了许多年轻的科学家。就在1903年以后的几年,人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素。到1907年、被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30种,多到周期表中没有可容纳它们的空位。这就产生了矛盾,怀疑周期表对放射性元素是否适用,另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后,发现有些放射性不同的元素化学性质则完全一样。例如钍与由它蜕变生成的射钍,尽管放射性显著不同,可是将它们混合后,却难以用化学方法使它们分离。化学性质则完全一样。这类事实积累得愈来愈多。素迪根据这类事实,于1910年提出了著名的同位素假说:存在不同原子量和放射性,但其它物理、化学性质完全一样的化学元素变种,这些变种应该处在周期表的同一位置上,因而命名为同位素。接着索迪根据原子蜕变时放出 a 射线相当于分裂出一个氦的正离子,放出b射线相当于放出一个电子,从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。放射性元素在进行以 a 蜕变后,在周期表上向前(即向左)移两位,即原子序数减2,原子量减4。发生b 蜕变后,向后移一位,即原子序数增1,原子量不变。德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则。

    根据同位素假说,他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列:铀-镭系、钍系、锕系。这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题,而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论,三个放射系列的最终产物都是铅,但各系列产生的铅的原子量却不一样。为了验证同位素假说和位移规则的准确性,1914年美国化学家里查兹完成了此项工作。1919年,英国化学家阿斯顿研制成质谱仪,使人们对同位素有了更清晰的认识。

    1914一1919年的第一次世界大战期间,索迪在格拉斯哥大学任阿伯丁讲座教授。这段时间,除了担负一部分战时工作外,他对放射性元素的位移规则进行了深入的研究。1919年,索迪应聘担任牛津大学的化学教授,在这个岗位上,他勤恳地耕耘了17年。在继续从事放射性化学研究的同时,他几乎把大部分精力都投入了改进化学教学和实现实验室的改造。他的晚年似乎在化学研究中没有再作出突出的成就,据后人分析,也可能是因为他只注重个人努力,只身从事实验和研究,显然不适合现代科学研究的要求,由于现代科学研究的深度和广度,大量的研究工作从分散的单纯个人活动转化为社会化的集体活动。在前期的研究中、有像卢瑟福、拉姆塞这样的名家与他合作;在后期研究中,他却没有一个研究群体,在他周围也没有聚集起一些优秀的人才。另外一个原因是,在第一次世界大战中,与素迪工作有往来的另一个青年化学家莫斯莱,投笔从戎,战死在战场。一个已显露出超人才华的科学家仅27岁就过早地去世了,给索迪和整个英国科学界带来极大的悲痛和愤慨。对此索迪深感科学的进步与社会很不协调,为什么科学的进步不能阻止战争,反而加剧了战争给人们造成的危害?从此素迪关心起科学与社会的关系等问题,提出科学促进文明的口号,积极参加各种有关的社会活动,成为一个知名的社会活动家。

    因为他是从事放射性元素的研究,所以他特别关心放射性及其能量的和平利用,他提出应当控制放射性即原子能这个大能源库,使它成为人们的又一个太阳。他十分重视科学的社会功能,强调科学家要真正担负起自己的社会职责。1956年9月22日,索迪在英国的伯莱顿去世了,享年79岁。由于他对现代化学和物理学发展的卓越贡献,他的名字将永远和同位素联系在一起。