天然放射现象衰变的发现

放射性衰变系列
钋和镭的发现,给仔细考察放射性矿物的工作以巨大的推动力.许多化学家都希望能从这类矿物中得到新的发现,新发现也确实接踵而来.
1899年,德比尔纳发现元素锕；1900年,多恩发现新惰性气体氡；克鲁克斯发现铀X；1901年,德马凯发现鑀(后证实是同位素钍230)；1902年,卢瑟福和索迪发现钍X…….
这许许多多的放射性物质,包括居里夫妇发现的钋和镭在内,总是与铀或钍一起存在于矿物之中,形影不离.这里不禁要问,它们与铀或钍之间究竟有什么关系呢?
要解决这个问题,首先要弄清楚放射性现象的本质是什么.事实上,在探索新放射性元素的同时,揭露放射性现象本质的工作也在相辅相成、紧张而有成效地开展着.
英国物理学家卢瑟福在1899年就发现,放射性物质放出的射线不是单一的,而可以分出带正电荷的α射线和带负电荷的β射线,前者穿透性较弱,后者穿透性较强.后来又分出一种穿透性很强的不带电荷的γ射线.如果让射线通过磁场或电场,那么这三种射线就分得一清二楚了：偏转角度很大的是β射线；偏向另一方、偏转角度较小的是α射线；不发生偏转的是γ射线.
1900年,多恩在镭制剂中发现惰性气体氡,这是一件非同寻常的事.根据这一事实,卢瑟福和索迪于1902年提出了一个大胆的假说.他们认为,放射性现象是一种元素的原子自发地转变为另一种元素的原子的结果,这个假说很快就得到了证实.1903年,索迪等做了一个实验：将氡焊封在细颈玻璃管内,然后用光谱法测量.他们观测到管内的氡不断消失,而氦则逐渐增加.原子衰变理论就这样建立起来了,它动摇了多少世纪以来作为经典化学基石的“原子不可分、化学元素不可变”的观念.
衰变理论指出了一种放射性元素的原子会衰变成另一种元素的原子,但如果进一步问,究竟衰变成了什么元素的原子呢?衰变理论并没有给出答案.十年以后建立了位移律,终于回答了这个问题.
在放射性物质的研究工作中,通常把发生衰变的物质称为母体,把衰变后生成的物质称为子体.1908年,索迪归纳了大量α衰变母体及其子体的化学性质,发现母体物质发生α衰变后,其化学价总是减少二价,例如六价的铀变成了四价的铀X,四价的钍变成了二价的介钍I,二价的镭变成了零价的惰性气体氡等等.于是,他总结出一条规则：某一元素作α衰变时,生成的子体是周期表中向左移两格的那个元素的原子.1913年,一些科学工作者又总结出另一条规则：某一元素作β衰变时,生成的子体是周期表中向右移一格的那个元素的原子.这两条规则合起来就是通常所说的位移律,它把衰变时放出的射线的性质和原子发生的变化有机地联系起来了.
在这段时间内,还发现某些不同的放射性物质,如鑀和钍、介钍I和镭等,它们的性质竟惊人地相似,如果偶尔把它们混在一起后,用化学方法就无法把它们分开.我们知道,不同的元素一般是可以用化学的方法分离的,不能用化学方法分离的一般是同一种元素.因此,势必得出如下结论：它们虽是不同的放射性物质,但属于同一种元素,于是提出了同位素的概念.所谓同位素就是化学性质相同的一类原子,它们的原子量不同,但原子序数相同,在周期表中占据同一个位置.
有了衰变理论、同位素概念和位移律,那许许多多已经发现的和进一步发现的放射性物质之间的关系,就比较容易搞清楚了.很快就建立起了铀和钍两个放射性衰变系列.
为了便于讨论,我们在这里先把原子核和射线方面的有关知识简要介绍一下.原子由原子核和绕核旋转的电子组成,原子核又由质子和中子组成.电子带1个负电荷,质于带1个正电荷,中子不带电荷.核电荷数(即质子数)在数值上等于元素的原子序数.质子的质量数为1,中子的质量数也为1,电子很轻很轻,其质量一般忽略不计.质子数和中子数之和就是原子核或原子的质量数.α射线又称α粒子,它是氦原子核,由两个质子和两个中子组成,质量数为4,带2个正电荷.β射线又称β粒子,它是电子,带1个负电荷.如果原子发生α衰变,那就是从原子核内放出一个α粒子,因此核电荷数(原子序数)减少2,质量数减少4；如果原子发生β衰变,放出一个电子,那就是相当于核内一个中子转变成了一个质子,因此核电荷数增加1,质量数不变.
放射性原子不但按一定的衰变方式进行衰变,而且衰变的速率也是一定的.某种放射性同位素衰变掉一半所需要的时间,称为该放射性同位素的半衰期.放射系中,始祖同位素的半衰期很长,铀-238的半衰期为45亿年,这与地球的年龄大致相同.钍-232的半衰期更长,达140亿年,正是由于这个缘故,才使它们得以在地球上留存.
不过,放射系中其它成员的半衰期要短得多.最长的不过几十万年；最短的还不到百万分之一秒.显然,它们是不可能在地球上单独存在的.但是,放射系中的每个成员都不但会衰变掉,而且同时也会由于上一个成员的衰变而得到补充,因此只要放射系的始祖元素存在,各中间成员也就决不会消失.这就象水库里的水不会枯竭一样：水库里的水不断流出去,同时又不断由上游的河水得到补充.当放射系中各中间成员衰变掉的量与生成的量相等时,即各成员之间的比值保持恒定不变时,我们就把这种状态称为放射性平衡.
铀和钍两个放射系已经满意地建立起来了,许多放射物质与铀、钍伴生,确实是不无道理的,原来它们都是始祖元素铀或钍的子孙后代.可是问题并没有完全解决,锕在铀矿中的存在一直是一个不够清楚的问题.
经初步测定,锕的半衰期为二、三十年.因此,它之所以能存在于自然界,必须依存于某一个长寿命的放射性同位素.另外,在含铀量不同的铀矿物中,锕量和铀量之间总有一个恒定的比值.由此看来,锕象是铀的后代.
但情况又不尽然.测量结果表明,作为铀的后代的镭,它与铀平衡时的放射性强度,远比锕(或锕的任一后代)与铀平衡时的放射性强度来得大.两者的比值约为97：3.因此锕不可能是铀的主链成员.
根据这一事实,1906年卢瑟福提出了如下的假说：锕及其后代(称为锕放射系)可能是铀放射系中某一成员的分支衰变产生的支系,即某一成员可能发生两种形式的衰变(α衰变和β衰变),百分之九十七变成了镭放射系(镭及其后代),百分之三变成了锕放射系.这既符合衰变理论,又能解释锕总以恒定的比值存在于铀矿中这一事实.
后面我们将看到,卢瑟福的这个假说是错误的.但是卢瑟福关于分支衰变的想法,却在法扬斯研究镭C的放射性时得到了光辉的证实.
1917年皮卡德提出,锕放射系与铀放射系可能根本无关,它的始祖是铀的另一个长寿命同位素,因此锕放射系总能在铀矿中发现,而且与铀放射系的放射性保持着某一恒定的比值.他认为支持这一假说的论据有两个：
(1)按照盖革·努塔尔经验定律,放射性同位素的α射线能量和半衰期之间存在着一定的关系,在双对数固上表示成一些直线.铀放射系和钍放射系各分属一条直线,而锕放射系则为另一直线.如果锕放射系是铀放射系的分支,则代表锕放射系的直线应与代表铀放射系的直线相重合,或在一端与铀放射系的直线相交.事实上却是锕放射系与铀放射系为两条平行的直线.
(2)铀的原子量为238.14(这里的原子量数值均为当时的测定值),镭的原子量为225.97,两者相差12.17.而根据位移律来计算,镭是由铀放出三个α粒子变来的,那么三个α粒子的质量总和仅为12.01.铀原子量所以显得较大,可能是由于其中存在一个质量数更大的同位素的缘故.皮卡德将这个假定的铀同位素称为锕铀(AcU).
卢瑟福和皮卡德假说之间的取舍,按理是可以通过锕放射系成员原子量的测定来决定的.可是由于锕放射系的放射性仅为铀放射系的3％,且各个成员的半衰期均很短,因此测定原子量困难很大.锕的前身镤发现以后,测定镤原子量应该是可能的,因为它在铀矿中的含量可以与镭相比拟.但是由于镤的性质怪癖,大量制取镤一直未能成功.
这个问题的解决应该归功于质谱分析新技术的采用.1927年,阿斯顿用质谱仪测定了普通铅矿中各种铅同位素含量的比值,得到的结果是铅206：铅207：铅208＝100：75：175.1929年,他又测定了某铀矿物中各种铅同位素含量的比值,得到的结果是铅206：铅207：铅208＝100：10.7：4.5,此比值与普通铅矿显著不同.
当时已经知道,铀放射系、钍放射系和锕放射系的最终衰变产物都是铅.铅206是铀放射系的最终衰变产物,所以这一铀矿物中铅206的含量特别多.另外此铀矿物中也含有钍,因此也应该有较多的钍放射系最终衰变产物铅208.但奇怪的是铅208反而比铅207少.
由此得出的结论只能是：铅207是由于铀矿中另一放射性起源生成的,它自然应该是锕放射系的最终衰变产物了.卢瑟福在阿斯顿的文章后面加了一条意见,指出锕放射系应该是独立的.
皮卡德的假说获得了证实.可是他的假说所依赖的根据是很不充分的.首先,铀并没有更重的天然同位素；其次,α射线的能量和半衰期之间的关系在当时也没有足够的精确度可以进行上述论证.
这一过程表明,科学研究中大胆地假设是十分重要的.有了比较充分的事实根据或理论根据,从而提出一些假说,这样当然会使假说最终被证实的可能性变大.但是如果根据蛛丝马迹提出一些假设,只要与当时所知道的事实没有矛盾,仍然应该说是可贵的,因为它为寻找真理开辟了可能走通的新途径.值得回忆的是,贝克勒耳也正是沿着波因凯的错误假说,而作出了放射性现象这一重大发现.当然,最后善于摈弃假说中的不合理部分,这更是科学工作者取得成功的关键一环.
知道了锕放射系的最终衰变产物是铅207,于是可以推得锕的原子量为227,而假定的锕铀的原子量应该为235(或239).1935年,登普斯特用火花离子源法对铀进行了质谱分析,发现了锕铀(铀235)的谱线.至此才最后确定了锕放射系的始祖同位素,肯定了其质量数为235.历时长达30年之久的锕放射系的起源问题终于找到了答案,这是放射系研究史中最为曲折的问题之一.由于这个放射系的始祖同位素是锕铀,所以通常把它叫乍锕铀放射系.
以后又发现了镎放射系,它是一个人工放射系,该放射系因为没有半衰期足够长的始祖同位素,所以已在地球上消失.值得指出的是,这个人工放射系中的一个成员——镎233,与铀235和钚239一样,是原子能工业中的一种重要的裂变物质.