讲居里夫人之前,先让我们了解一下X射线与放射性的发现。
人类对玻璃棒的研究可以追溯到人类早期探究电的奥秘。电分为两大类,其中一类叫做“玻璃电”,即正电。赫赫有名的莱顿瓶实质就是盛水的粗口玻璃瓶。随着玻璃器皿制作工艺的进步,玻璃工匠们可以制作各种各样的器皿,促进了人类对自然现象的认识。
18世纪上半叶,德国莱比锡学者约翰·海因里希·文克勒和研究者,用一架起电机,使抽去部分空气的玻璃瓶内部产生了辉光。1836年,伟大的法拉第也注意到低压气体中的放电现象。他曾经想试验真空放电,但是,因为缺乏获得高真空的技术方法和手段都没能成功。不久,德国波恩大学教授尤利乌斯·普吕克尔,提出了这样问题:“当电在不同气压下通过空气和气体时,会发生什么现象呢?”为了得出这一问题的正确答案,普吕克尔需要一些有关的试验设备和装置:首先,需要玻璃管,并且在管的两端装上输入电流用的金属体;其次,需要能把玻璃管内的压力减少到最低值的抽气泵。
普吕克尔找到波恩一个制作物理和化学仪器的作坊,他向作坊主说明了来意。
作坊主喊过来一位中年技工盖斯勒。普吕克尔告诉他,他想订制一种两端封有金属电极,并且内部气体稀薄的玻璃管。
1850年,盖斯勒创制成功了稀薄气体放电用玻璃管,普吕克尔用它实现了低压放电发光。普吕克尔十分高兴地邀请盖斯勒参观他的实验。细心的盖斯勒发现抽空的玻璃管放电发光的亮度不同,是与玻璃管抽成真空的程度有关系。
普吕克尔诚恳地对盖斯勒说:“要有真正的抽气机能够造成真空那该多好啊!多少物理学家期待着研究真空现象,没有真空抽气泵不行啊。”
盖斯勒早就对传统的机械式抽气泵和流水式抽气泵不满意了。普吕克尔的一席话,使他下决心改造传统抽气泵,研制新的抽气泵。
盖斯勒在翻阅有关托里拆利用水银代替水,形成“托里拆利真空”的科学资料时受到启发。他想,流水式抽气泵改用流汞效果不是更好吗?盖斯勒深思熟虑之后,他首先找来有关抽气机的全部资料,然后翻阅大量关于水银的资料。他最后决定利用水银比水重13倍的比重差,来提高流水式抽气泵的性能。
不久,一种简单、可靠、实用的水银泵就被盖斯勒研制成功了,用它几乎可以抽掉玻璃管中的全部空气。用水银泵抽成真空的低压放电管,使普吕克尔完成了对低压放电的研究。后人为了纪念这位玻璃工人,将低压放电管称为“盖斯勒管”。
普吕克尔通过盖斯勒管进行了低压放电实验,发现了阴极射线,为盖斯勒管阴极管壁上出现的美丽绿色辉光所倾倒,加之盖斯勒的友谊,使他转向了研究盖斯勒管本身。
1868年,普吕克尔去世,没有完成他的实验,普吕克尔的学生希托夫接过了老师的工作。英国物理学家威廉·克鲁克斯也站到了继承普吕克尔事业的行列中。
希托夫和克鲁克斯两人尽量使盖斯勒管达到更高的真空。他们分别运用水银泵制成高真空放电管,后来人们称其为“希托夫—克鲁克斯管”。
希托夫研究了高真空放电产生射线的主要性质。“克鲁克斯管”的真空度高,放电时没有辉光。在管中,从阴极发射出的一种射线碰到玻璃管壁或者硫化锌等物质,会发出荧光。
这种发光现象被称作“冷光”现象。这种从阴极发射出的能产生荧光的射线,被物理学家正式命名为“阴极射线”。
阴极射线的发现,引起了整个物理学界的极大兴趣。“希托夫一克鲁克斯管”的出现,为科学家研究起阴极射线带来了更多的方便。
“阴极射线”的发现,导致了X射线、放射性和电子等一系列重要的发现。在研究阴极射线的人群中,德国物理学家威尔海姆·伦琴很快脱颖而出了。
1845年3月27日,伦琴生于德国普鲁士鲁尔地区的一个小镇——莱尼斯。他先后曾在三个国家的大学里就读,后来从师库恩德门下。库恩德是著名的物理学家,伦琴随老师回到德国后,先后在国内六七所大学任教。1888年,他担任巴伐利亚州维尔茨堡大学物理研究所所长。在这个研究所工作期间,他发现了具有穿透力极强的X射线,从而名闻天下。
伦琴担任维尔茨堡大学物理所所长以后,一直研究阴极射线。由于克鲁克斯管的高真空度,低压放电时没有辉光产生,随之而来的检测阴极射线是否存在的问题就被提出来了。1894年,一位德国物理学家改进了“克鲁克斯管”。
他把阴极射线碰到管壁放出辉光的地方,用一块薄铝片代替原来的玻璃。结果,阴极射线管中发射出来的射线,穿透了薄铝片。——伦琴用铂氰化钡(一种荧光物质)涂在玻璃板上,创造出了能够探测阴极射线的荧光板。
当阴极射线碰到荧光板上时,荧光板就会在黑暗中放出耀眼的光亮。
伦琴不停地重复实验时,为了防止荧光板受偶尔出现的管内闪光的影响,他用一张包裹相纸的黑纸,把管子包得严严实实。在黑暗中,伦琴打开阴极射线管的电源。
当他把荧光板靠近阴极射线管上的铝片洞口时,顿时荧光板亮了。距离稍远一点,荧光板又不亮了。
结果,伦琴从中发现了阴极射线的一些新性质。原来,射出的阴极射线,只能在空气中跑很短距离,距离一远,就被空气吸收了。同时,伦琴看到,阴极射线只能穿过薄铝片,而不能穿过玻璃。
伦琴为了进行验证实验,把一个完整的梨形阴极射线管包裹好,打开开关,他发现:尽管阴极射线管一点亮光也不露,但是放在远处的荧光板竟然亮了起来。伦琴十分惊奇,顺手拿起闪闪发亮的荧光板,一个完整手骨的影子突然魔术般地出现在荧光板上。伦琴感到奇怪,但他没有放过这个稍纵即逝的奇特发现,他立即开亮电灯,仔细检查后,又重新做起实验。奇妙的光线又被荧光板捕捉到了,他把手放到阴极射线管和荧光板之间,完整的手骨影子又出现在荧光板上。这是事实,从未见报道过的事实。
第二天,伦琴结束重复验证无误的实验之后,集中精力思考这一新发现。伦琴想,它肯定不是阴极射线,因为它能穿透玻璃、遮光的黑纸和人的手掌,其能量是很大的。
阴极射线不可能穿透玻璃。
为了验证它还能穿透其他什么物质,伦琴几乎把手边能拿到的东西都用来做实验。他用木头、橡胶皮、厚纸板、金属片……一件件地依次放在射线管与荧光板之间,这种未知的神奇光线把它们全穿透了。最后,铅挡住了它的进攻,神奇的光停住了。伦琴还发现这种射线能使包在黑纸中的照相底片感光。
伦琴对对这种射线了解得越来越多,但是对它产生的原因、性质却知道得很少。伦琴感到这种神奇的射线对人类是一个未知领域,为了吸引更多的人们研究它,伦琴将他发现的神奇射线命名为“X射线”。
1895年12月28日,伦琴宣布了自己的发现和研究成果,并且出示了用X射线照出的手骨照片。
伦琴很快就名闻天下了。人们纷纷拿出实验室里的“希托夫—克鲁克斯管”,寻找X射线。“有了”“发现了”“成功了”。
他们也分享了伦琴发现X射线时的欢乐。就在伦琴宣布发现X射线的第四天,一位美国医生就用X射线照相发现了伤员脚上的子弹。于是X射线成了神奇的医疗手段。
1895~1896年,人们沉浸在“X射线热”之中。人们都按照自己的理解去对待X射线,对于X射线是怎样产生的谁也不能给出明确的结论。
绝大多数人都认为,不管X射线是怎样产生的,肯定与荧光物质有关。这是因为人们对X射线产生中的荧光板作用印象太深了。
如果说,德国伦琴在演奏19世纪末物理大发现乐章的序曲,那么,贝克勒尔肯定要演奏主旋律了。
贝克勒尔家族一直在研究荧光、磷光等发光现象。贝克勒尔的父亲对荧光的研究堪称一流水平,他提出了铀化合物发生荧光的详细机制。贝克勒尔自幼喜爱物理学,为了赶超祖父、爸爸,他下了许多功夫。他作为法国自然历史博物馆的物理学研究员,应该获得像伦琴那样的荣誉。
贝克勒尔从父亲那里找来荧光物质铀盐,立即投入实验,证实X射线与荧光的关系。他很想知道铀盐的荧光辐射中是否含有X射线,他把这种铀盐放在用黑纸密封的照相底片上。贝克勒尔从小就看见爸爸用阳光中的紫外线激发荧光物质,进而获得荧光。他想,黑色密封纸可以避阳光,不会使底片感光,如果太阳光激发出的荧光中含有X射线,就会穿透黑纸使照相底片感光。伦琴发现的X射线在这一点上屡试屡败,密封底片若能感光就成功了。
1896年2月,贝克勒尔将铀盐和密封的感光底片,放在太阳光下照射了几个小时。晚上,贝克勒尔从暗室中冲出来的时候,他发现铀盐使底片感光了!重复进行实验也证实了以往的设想。为了确证,贝克勒尔又用金属片放在密封感光底片和铀盐之间,X射线是可以穿透它们使底片感光的。如果不能穿透金属片就不是X射线。这样做了以后,他发现底片感光了,X射线穿透了他放置的铝片和铜片。
这似乎更加证明,铀盐这种荧光物质在照射阳光之后,除了发出荧光,也发出了X射线。
贝克勒尔开始撰写研究报告了。但是,他的研究报告的结论是不正确的,不久,他自己的一次偶然发现,推翻了他自己的结论。
二月里的巴黎,连续几天一直是阴天,没办法,贝克勒尔只好把准备好的实验用品放在桌子的抽屉里。接连几天,太阳还没有出来。可是,底片冲洗出来时却是感了光的。
不经过太阳光照射,铀盐也能使底片感光。善于留心实验细节的贝克勒尔一下子抓住了问题的症结。贝克勒尔又重新做了实验,一切和以前一样,只是不再让铀盐和底片暴晒了,冲洗感光片结果表明铀盐不需要阳光照射也能使底片感光。