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1903 年諾貝爾物理獎:放射性元素,看招!—《物理雙月刊》

文/余海峯|馬克斯.普朗克地外物理研究所博士後研究員

物理學可說從二十世紀初開始以指數速度發展,各現代物理領域幾乎都可以在這時期找到一些重要人物。而這次介紹的諾貝爾物理獎得主們,就開創了一個全新領域:放射性物理學

1903 年共有三位科學家得到諾貝爾物理獎。他們就是得到二分之一獎金的亨利.貝克勒(Henri Becquerel)和各得四分之一獎金的居禮夫婦(Pierre Curie and Marie Curie)。

貝克勒:發現不用外來能源,就能發射放射線的鈾

倫琴得到的第一屆諾貝爾物理獎是因為他發現了 X 射線。兩年之後,第三屆諾貝爾物理獎就頒發給,發現了比 X 射線能量更高的伽瑪射線的貝克勒。貝克勒在知道倫琴發現了 X 射線之後,就立即動手測試其他磷光物質會否同樣放出 X 射線。貝克在實驗中發現鈾鹽,即含鈾元素(uranium)的礦物能階比較適合用來做進一步研究。他發現,鈾鹽竟然會發射一種看不見的射線,其強度足以穿透鋁片。這與倫琴發現的 X 射線性質非常相似。

  • 編按:貝克勒發現放射線的原因,其實是因為抽屜裡這一張底片

亨利·貝克勒(Henri Becquerel,1852 年 12 月 15 日-1908 年 8 月 25 日)。圖/By Paul Nadar – Portrait of Antoine-Henri Becquerel (1852-1908), Physicist, Public Domain, wikimedia commons.

然而,當貝克勒繼續研究,他發現鈾鹽完全不需要外來的能源,也能夠發射這種看不見的射線。與之相反,倫琴需要通電真空管才能產生 X 射線。貝克勒非常仔細地做各種實驗,最後肯定他的結論沒有錯:他發現了一種全新的物理現象!現在我們稱這現象為放射性。而貝克勒發現的這種射線,在當時被稱為貝克勒射線。

認真的貝克勒再經過更加多的實驗後,發現這種射線原來是由至少兩種不同的射線構成的

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貝克的放射性鈾鹽實驗結果,證明貝克射線中存在至少兩種射線。圖/《物理雙月刊》提供

現在我們知道,放射性是指一種元素會自發衰變成另一種元素,同時釋放出高能量的伽瑪射線和其他細小的原子核。每一種元素的原子核都是由不同數量的質子(帶正電)和中子(不帶電)組成的。不過,並不是所有組合方式都是穩定的。其中有些元素的中子數量不同但質子數量相同,我們叫它們做同位素。某些同位素是不穩定的,其原子核就可能會分裂成兩個或幾個較細小的原子核,並且在分裂時一部分質量會變成能量(我們在以後談到愛因斯坦時會再解釋),這些能量就以伽瑪射線的方式釋放。

貝克勒發現這種射線的一部分可被磁場偏轉,而另一部分卻完全沒有影響。現在我們當然知道,會受磁場影響的就是 α 粒子(氦原子核)和 β 粒子(電子),不受磁場影響的就是 γ 射線(伽瑪射線)了。不過,在當時貝克勒仍然不確定鈾鹽有否衰變成其他物質。

居禮夫婦:從瀝青裡提煉出更強的放射性元素

科學界數一數二知名夫妻檔居禮夫婦。圖/By Unknown – hp.ujf.cas.cz, Public Domain, wikimedia commons.

這裡就輪到居禮夫婦出場了。居禮夫婦延續了貝克勒的放射性實驗,檢查了很多其他物質有否放射性。他們發現,一種叫做瀝青鈾礦(pitchblende)的化合物放射性比鈾礦放射性更強。因此他們就得出「瀝青鈾礦裡必定含有其他放射性物質」的結論。

居禮夫婦繼而從瀝青鈾礦之中提鍊出兩種新的元素,叫做釙(polonium)和鐳(radium)。釙和鐳的放射性都比鈾更加強。

放射性的強弱怎麼比較?

說到這裡,我都好像還沒介紹如何量化放射性。「放射性比較強」即是什麼意思呢?

原來,放射性除了是自發衰變(即毋須外來能量刺激)之外,更有另外一種特性:放射性是一種隨機過程。每一個不穩定的原子核在每一刻都有一定機率自發衰變,而且這個機率對同一種同位素的每一個原子核都一樣。換句話說,如果某一時刻有 N(t) 個此同位素的原子核,在一定時間之後這 N(t) 個原子核之中就會有一部分衰變了。

這其實就是一條微分方程:

(原子核衰變速率)正比於(餘下原子核數量)

解開這條微分方程,我們發現每一種放射性同位素經過同樣時間之後都會有同一個比例的原子核衰變了。原子核數量減半所需的時間就是我們經常聽到的「半衰期」,是一個很重要的物理量。放射性同位素經過一個半衰期就會剩下原來二分之一的原子核、經過兩個半衰期就會剩下四分之一、三個半衰期剩八分之一,如此類推。放射性的強度是以每秒有多少個原子核衰變來量度的,今天我們就以貝克勒的名字(Bq)作為單位。

放射性現象可說是真實的鍊金術,可比喻成自古以來每一個文化都渴望做到的點石成金。貝克與和居禮夫婦的發現證實了不同物質之間是可以轉換的,只是在當年仍未有人理解當中的原理和找到元素轉變的規則。另一方面,放射性亦顯示大自然的確有不可能預測的隨機過程。我們在以後介紹量子力學的科學家時,會再回到這個話題之上。


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本文摘自《物理雙月刊》38 卷 10 月號 ,更多文章請見物理雙月刊網站

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