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第36章 居里夫人的困惑(1)

我的母亲在很多医院工作过,包括汉普斯特的居里夫人医院。这是一家擅长镭治疗和放射疗法的医院。当我还小的时候,不确定什么是镭,但是我知道它有治疗功效,并且能用于治疗不同的疾病。我的母亲说医院拥有一个“镭弹”。我曾经在儿童百科全书上见到过炸弹的照片,并读过关于镭的信息,我把“镭弹”想象成是一个巨大的带翅膀的随时可能爆炸的东西。注射用的氡针就没这么可怕了,那是一种充满神秘气体的细小金针。有那么一两次她把用过的氡针带回家。我知道我的母亲非常崇拜玛丽·居里。她曾经见过她一次。在我很小的时候,她就告诉我居里夫妇是如何发现镭的,这个过程是多么艰难,因为他们必须用数吨的重金属,最终只是为了得到其中一点点镭。

在我10岁的时候,母亲就给了我伊夫·居里为她母亲写的传记,这是我读过的第一本科学家传记,给我印象很深。它没有枯燥地叙述一个人一生的成就,全都是辛酸的图像--玛丽·居里把手伸进沥青铀矿残渣。这些残渣里还有约希姆斯塔尔矿以及松针;她站在大蒸汽桶和坩埚中间,不断吸入酸气,用几乎和她身体一样大的铁棒不断搅拌;就这样,大块的黑黑的沥青铀矿变成清澈透明的液体,装在一支支长长的试管中,越提炼,越具放射性。但是,在她四面通风的小棚子里,灰尘和粗砂不断进入溶液,使辛苦的工作功亏一篑(由于电影《居里夫人》放映,这些情景让我印象深刻)。

尽管科学界的其他人忽视了关于贝克勒尔的新闻,居里夫妇却从中受益匪浅:这是史无前例的现象,是一种新的神秘能源的发现。居里夫妇马上想到,除铀外,是否还有其他物质放射相似的射线,于是他们开始了系统的研究(不像贝克勒尔当初那样只局限于荧光物质),分析所有手边的物质,几乎包括已知的70种元素。除铀外,他们发现另外一种物质也放射贝克勒尔射线,那就是原子量较高的钍。通过测试各种各样的纯铀盐和钍盐,他们发现放射性的强度好像只与铀或钍的含量有关。1克金属铀或钍比1克它们的化合物更具放射性。

但是,当居里夫妇研究含有铀和钍的普通矿石时,发现一个非常奇怪的事实,因为这些矿石中有一种天然矿的放射性比铀本身更强。举例来说,沥青铀矿的样本可能是纯铀的放射性的四倍。他们突然灵机一动:难道这说明矿石里面也存在一点另一种不为人知的元素,且比铀的放射性强得多?

1897年,居里夫妇对沥青铀矿作了精细的化学分析,他们把沥青铀矿中含有的元素分离出来:碱金属盐、碱土金属元素、稀土金属元素--分类方式就像元素周期表--来观察那种未知的放射性元素与它们当中的任何一个有无化学亲和性。很快就弄清楚了,有一种铋的沉淀物放射性很强。

夫妇俩继续研究沥青铀矿残渣。1898年7月,他们在铋沉淀物中析出比铀放射性强400倍的物质。他们知道光谱比传统的化学分析灵敏上千倍,他们找到著名的稀土元素光谱分析专家德马凯,看看是否能够找到一个分光镜来确认这种新元素。令人失望的是,没有发现任何光谱信号。然而,居里夫妇写道:

我们相信我们从沥青铀矿中析出的物质中含有一种迄今未知的金属,分析发现,它的特征与铋相似。如果这种新金属的存在得到证实,我们打算称它为钋,是以我们的祖国命名。

而且,他们相信还有一种放射性元素有待发现,因为沥青铀矿放射性强,不应该只是钋的原因。

他们不慌不忙,毕竟,除了他们的好朋友贝克勒尔,看上去没有人跟他们一样对放射现象感兴趣。因此他们度过了一个悠闲的暑假。他们根本不知道当时还有另一个对贝克勒尔射线有强烈兴趣的研究者--年轻聪明的新西兰人欧内斯特·卢瑟福,他曾经在剑桥汤姆逊的实验室工作过。9月,居里夫妇集中精力于钡的沉淀物。这次非常奏效,大概因为钡具有与他们正在寻找的第二种未知元素有相近的化学特性。事情进展很快,6个星期后,他们得到了无铋(大概也没有钋)的氯化钡溶液,其放射性几乎比铀强上1000倍。他们再次找到德马凯帮忙,这次,让他们感到惊喜的是,德马凯发现了一条未知元素的光谱线,随后又发现了几条,“两条漂亮的红线,一条蓝绿色,还有两条淡紫色”。这一现象使居里夫妇更???胆量了,1898年年末,他们宣布发现了新元素。他们决定称它为镭。因为氯化钡中只有一丁点镭,却有超强的放射性,他们觉得镭的放射能“一定巨大无比”。

宣布发现一种新元素是很容易的:19世纪已经有200多件这种事了,大多数最后被证明是错误的认识,不然就是和已经知道的或元素化合物重复。现在,在一年时间里,居里夫妇宣布发现了两种新元素,且只是依据超强的放射性和它与铋和钡的关系和一条单一的光谱线。他们的新元素都没有被分离出来,即使只有那么一丁点儿。

皮埃尔·居里事实上是一个物理学家和理论家。尽管在实验室他非常灵巧和聪明,经常发明新的仪器--静电计、基于压电原理发明的天平,它们后来相继被用于放射性元素研究。对于他来说,放射线这种不可思议的现象已经足够了,它开拓了一个广阔的新的研究领域,一个无数新想法得以验证的新大陆。

但是对于玛丽来说就不同了:她显然被镭的物理特性和奇怪的能量吸引了,她想要看见它、感觉它,把它放在化合物里,找到它的原子量和它在周期表中的位置。

居里夫妇的工作基本上还是化学的,从沥青铀矿中除去钙、铅、硅、铝、铁和十二种稀土元素,只留下钡。这样研究一年后,他们发现只用化学方法远远达不到目的。好像没有化学方法能够把镭从钡化合物中分离出来,所以玛丽·居里开始寻找它们化合物的物理特性差异。看上去镭很可能是一种像钡一样的碱土金属元素,因此也可能会有碱土金属的共性。氯化钙很易溶解,氯化锶的溶解性就差点,氯化钡的溶解性更差,玛丽·居里认为,氯化镭是不能溶解的。或许人们能够利用这一点,使用分级结晶的技术来分离氯化钡和氯化镭。当热溶液被冷却后,溶解性差的物质就会首先结晶,这是稀土元素化学家最先倡导的技术,目的是分离化学方法不易分离的元素。这种技术需要极大的耐心,因为可能需要上百次,甚至上千次分级结晶,这一重复的缓慢的过程让人们度日如年。

居里夫妇原本希望到1900年能够分离出镭,但是这在他们宣布它可能存在之后花费了4年才从近100吨矿物中获得0.1克氯化镭。与各种各样的物理难题抗争,与同行的质疑抗争,有时还要与他们自己的无助和筋疲力尽抗争,与放射线对他们身体的可怕危害抗争(尽管他们不知道),居里夫妇最终成功获得几粒纯的白色晶体状氯化镭,足够他们计算镭的原子量(226),足够他们在周期表中找到它的适当位置--在钡之下。

从几吨矿石中得到0.1克纯元素是史无前例的成就,更何况是这样一种难获得的元素。只有化学不能完成这个过程,只有光谱学也不行,因为在第一条模糊的光谱线能被看见之前,矿石需要被提炼千百次。这需要一种全新的方法,也就是利用放射线去探测大块矿物中微量的镭,再缓慢地强行析出。

有了这项成就,人们对居里夫妇大感兴趣,他们发现了不可思议的新元素,是一对浪漫的、英雄一样完全献身于研究的夫妻档。1903年,玛丽·居里在她的博士论文中总结了之前6年的工作,同年,她获得了诺贝尔物理学奖(与皮埃尔·居里和贝克勒尔一起)。

她的论文立刻被英国物理学家威廉姆·克鲁克斯翻译成英文,发表在《化学新闻》上。我母亲就有一本小册子般的论文副本。我喜欢居里夫人对化学过程的详细描述,我喜欢仔细的、系统的镭实验,尤其是获得新知识方面的兴奋感,我惊讶于这看上去像一篇低调的科学散文。它非常切合实际,像散文体,但它也像一首诗。我也着迷于她书的封面上关于镭、钍、钋、铀的通告--所有这些元素都可免费索取,无论是为了娱乐还是为了实验。

离钨舅舅住的地方不远处的法灵顿路上的科瑟公司有一个广告,出售“纯溴化镭、沥青铀矿……能显示各种矿石的荧光性的克鲁克高真空管,还有其他化学原料”。附近奥利弗广场哈灵顿兄弟的店出售多种镭盐和铀矿石。格里芬化学用品店(后来成为格里芬--塔特洛克,我在这里买自己用的化学用品)正在出售“锂辉石--一种新的矿石,对镭的发射物有很强的反应”。而阿姆布雷希特--纳尔逊公司(比其他强一些,在格罗夫纳广场)有硫化钋(一管1克,21先令)和硅锌荧光屏(每平方英寸6便士),他们还写道:“我们最新发明的钍吸入器现在开始出租。”我很惊讶,什么是钍吸入器?吸入放射性元素会强身健体吗?

看起来当时没有人知道这些物质的危险性。玛丽·居里在她的论文中提到,“如果放射性物质在黑暗里被放在紧闭的双眼或太阳穴附近,眼睛可明显感到光的照射”。我经常使用亚伯舅舅做的夜光时钟做这样的实验。

我深深被伊夫·居里书里的描述感动。一天晚上,伊夫的父母没有休息,好奇地想看看那些小结晶去哪儿了。深夜,他们回到他们的小棚子里,看见黑暗中到处闪烁着神奇的光,从所有盛有镭结晶的试管和容器中发出,他们第一次发现他们的元素能够自己发光。磷发光必须要有氧,但是镭发光完全是自发的,是源于自己的放射性。玛丽·居里非常抒情地写到这一发光现象:

发现装有我们产品的微微发光的瓶子和容器后,我们的一个乐趣就是晚上进入工作室……它真是一种可爱的景观,对于我们总是新鲜的。发光的试管看上去就像微型的圣诞小彩灯。

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