1898 年12 月:居礼夫妇发现了镭 (Radium)

发布时间:2020-06-04

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19 世纪的女性物理学家少之又少,夫妻研究团队更是少见。皮耶合和玛丽亚‧居礼( Pierre and Marie Curie)不仅因此流芳历史,他们还更因在科学上的合作,发现了放射线和元素週期表上的二个新元素,而共享诺贝尔物理奖。

居礼夫人是波兰人,原名玛丽亚‧斯克罗多夫斯卡(Maria Sklodowska),父亲是教师,但当波兰被奥地利、普鲁士与沙皇俄国瓜分佔领时,他热爱波兰的情操导致他丧失了崇高的工作。

她们虽家境贫穷,但她的父亲让玛丽亚与她的兄弟姊妹都能学习古典文学和科学。玛丽亚因当时的大学禁收女学生,无法进入华沙大学,所以她和姊姊 Broya,以及其他几位朋友一起上「流动大学」,这是间非法的夜间学校,常常更换上课地点,以逃避专制政权的追查。后来她还当了好几年的家庭教师,以帮助在巴黎上医学院的姊姊 Broya 缴交学费。

终于轮到她了。玛丽亚于 1891 年秋天起程前往巴黎,到着名的巴黎大学 Sorboe 校区展开求学生涯。虽然她的数学和科学基础严重不足,但她很认真地从后追赶,终于以第一名得到物理学位,隔年再以第二名获得数学学位。

1894 年春天,玛丽亚寻找实验室时,命中注定认识皮耶合‧居礼,他比玛丽亚年长约 10 岁,是研究磁学的先驱科学家。

1898 年12 月:居礼夫妇发现了镭  (Radium)

蜜月期间的居礼夫妇蜜月期间的居礼夫妇

皮耶合的父亲是位受人尊敬的医生,所以他小时候即拥有私人家教,他也很快地展现出数学方面的天赋与兴趣。皮耶合于 18 岁获得硕士学位,三年后就和他哥哥 Jacques 发现了压电效应。

居礼兄弟发现,对某些晶体施加压力时,它们会产生电压;又若将这些晶体置于电场中,它们会被压缩而变形。他们利用此效应建造了一个石英压电电流计来测量微弱的电流,以利玛丽亚在研究中使用。

皮耶合后来发现了磁性和温度间的基本关係,现在称磁性物质加温至特定温度时,磁性会消失的温度点为「居里点」。

多亏玛丽亚的鼓励,皮耶合将此研究写成博士论文,于 1895 年 3 月获得博士学位,还在市立大学获升为教授,三个月后,他们两人结婚。至于玛丽亚自己的博士学位,她选择研究神秘的铀射线,这是在伦琴(Wilhelm Roetge)发现X光的几个月后,Heri Becquerel 于 1896 年初所发现的。

玛丽亚做了无数个实验,证实了 Becquerel 的观测—铀射线无论是固体或粉末状、在纯铀或铀的化合物中、湿的或乾的、是否暴露于光或热中所造成的电效应都是相同的。她还证明 Becquerel 的结论—铀浓度越高的矿石所放出的射线也越强,确实无误。

玛丽亚从这些发现做了更进一步的假设:铀化合物所放射出的射线是铀元素的原子性质,源自于铀原子的基本结构。她创造了一个词「放射线」来描述这种奇特效应,同时发现钍化合物也有此特性。

皮耶合对于玛丽亚的发现深感兴趣,所以加入她的研究行列。玛丽亚发现两种铀矿,沥青铀矿和磷酸铜铀,都比纯铀矿的放射线要强很多,所以下结论说,这些高度放射性的本质是由尚未发现的元素所造成。做为合作伙伴,居礼夫妇努力将这两种矿石里面的物质分离,然后使用电流计测量其放射线,以「追蹤」在一小块矿石中极微量的未知放射性元素。

他们发现有一小块的放射线很强烈,因此,虽然它的化学行为很像「铋」(bismuth),但应该是新元素。他们将此新元素取名为「钋」(polonium)。

1898 年12 月,他们在钡化合物中发现了第二个新元素,取名为「镭」(radium)。为了取信于存疑的科学界,证明这些确实是新元素,居礼夫妇必须将新元素分离出来。玛丽亚花了三年多的时间才分离出 0.1 克的纯氯化镭,但她从未能成功地分离出钋,因为钋的半衰期太短了,只有 138 天。甚至当她正在做实验时,原料中的钋仍在快速地衰变。

1898 年12 月:居礼夫妇发现了镭  (Radium)

居礼兄弟的电流计居礼兄弟的电流计

由于居礼夫妇的合作研究,使得人们几乎能立刻应用放射性物质于医学上,因为在治疗癌症或其他疾病时,同位素比手术或化学药剂更安全、有效。直至今日,人们仍使用放射性同位素做为「显影素」,以追蹤化学变化和生物过程。

皮耶合很快地了解到利用放射线衰变做为鉴定物质年代的潜力,地球的年龄被认为是几十亿年,就是研究铀衰变而得知的。

1903 年,法国科学院提名Becquerel 和皮耶合为诺贝尔物理奖的候选人,独漏玛丽亚。一名叫 Magnus Goesta Mittag-Leffler 的瑞典数学家是提名委员会的委员,也是女性科学家的鼓吹者,对此提出了异议,因此玛丽亚也列入了提名。三位科学家于是在1903 年12 月同享诺贝尔奖。

取材自美国物理学院网上资料


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