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世紀(jì)交替三大發(fā)現(xiàn)振奮人心開新紀(jì)元核化學(xué)勇攀新高峰
湯姆遜與電子；倫琴與
X 一射線；居里夫人是“鐳的母親”。人造元素的夢想變成了現(xiàn)實(shí)。1945
年，美國成功地進(jìn)行了核爆炸。有關(guān)核化學(xué)的知識，既讓我們興奮又讓我們觸目驚心。
卻說自從伏特發(fā)明了能夠提供電流的電堆以后，各國的科學(xué)家便對電進(jìn)行了廣泛的研究，由此導(dǎo)致了一門新的化學(xué)學(xué)科——核化學(xué)的誕生。
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世紀(jì)末，可作為動力的銅鋅電池、鉛蓄電池相繼發(fā)明，電報和電話也制造成功。以后又出現(xiàn)了大型發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的制造業(yè)、電車和電燈也開始使用。
爾后由于有了廉價的水力發(fā)電，各國又紛紛建立起以電力和電化學(xué)為基
礎(chǔ)的冶金和化工企業(yè)，如電爐煉鋼、汞電極電解食鹽水、電解精煉銅等等。但是，盡管電已在生產(chǎn)中得到日益廣泛的應(yīng)用，但人們對于電的本質(zhì)的認(rèn)識，卻不甚清楚。為了研究電的本質(zhì)，就需要研究物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，這樣一來，就把人們認(rèn)識物質(zhì)的歷史進(jìn)程，又推向一個新的階段。
且說 1879 年，英國著名物理學(xué)家和化學(xué)家克魯克斯對放電現(xiàn)象的研究： 在低壓氣體放電管中，當(dāng)壓力降到 0.5
毫米汞柱時，在陰極附近會出現(xiàn)一段 不發(fā)光的暗區(qū)；如壓力再降低，則暗區(qū)擴(kuò)大；到 0.01
毫米汞柱壓力以下時，則全管被暗區(qū)充滿，不再發(fā)光，而正對陰極的玻璃壁卻發(fā)出熒光。后經(jīng)許多人研究證明，熒光是因陰極發(fā)出的一股射線激發(fā)引起的，這股射線是一種帶電的粒子流，人們把它命名為“陰極射線”。
到了 1897
年，克魯克斯的學(xué)生，英國劍橋大學(xué)物理學(xué)教授湯姆生設(shè)計了一項(xiàng)試驗(yàn)：他使陰極射線同時通過磁場和電場，從而測定了陰極射線中粒子的電荷量與質(zhì)量之比。通過此試驗(yàn)證明，這個荷質(zhì)之比是個常數(shù)，它同陰極材料無關(guān)。湯姆生后來采納了另一位科學(xué)家斯托內(nèi)的建議，把這種帶負(fù)電的微粒子定名為“電子”。克魯克斯和湯姆生的研究，使物理和化學(xué)界的科學(xué)家對陰極射線的研究一下子熱情高漲起來。
1886
年，德國物理學(xué)家戈德施坦通過對陰極射線的研究，發(fā)現(xiàn)還能產(chǎn)生另一種射線，他把這種射線命名為“陽極射線”或“極隧射線”。他還證明了原子的可分性。
以后，熱電子發(fā)射，光電效應(yīng)等相繼發(fā)現(xiàn)，都進(jìn)一步證明了電子存在于一切原子中。于是原子不可再分的概念被這一系列實(shí)驗(yàn)事實(shí)所打破。從此，人們對物質(zhì)的認(rèn)識進(jìn)入到原子微觀結(jié)構(gòu)的領(lǐng)域。
1895 年，一位當(dāng)時還不大知名的德國物理學(xué)家、維茨堡大學(xué)教授倫琴，在研究陰極射線時，意外地發(fā)現(xiàn)了一種轟動全球的射線。
11 月 8
日晚間，在他的實(shí)驗(yàn)室中發(fā)生了一件偶然的事：放在克魯克斯管附近的一盒封存完好的照相干板，全部莫明其妙地曝光了。他用黑色紙板把放電管嚴(yán)密套封起來，只留一條狹窄的縫。
當(dāng)他檢查是否漏光時，意外地發(fā)現(xiàn)一米外的熒光屏上有閃光。這種現(xiàn)象
顯然無法用陰極射線的性質(zhì)來解釋，因?yàn)殛帢O射線只能穿透幾厘米的空氣。經(jīng)過一段時間的反復(fù)實(shí)驗(yàn)，他確信這是一種具有強(qiáng)穿透力的新的神秘射線，它是由陰極射線打到玻璃管壁上所產(chǎn)生的。這種奇怪的射線，不僅能穿透厚紙板，而且能穿透一千頁厚的書。木材、錫箔、以至手的筋肉都能穿透。
他命名此種射線叫 X 射線，直到他成功地攝取了 X—光照片，才對這種
現(xiàn)象確信無疑。有趣的是，在他攝制的照片里，竟有他夫人戴有結(jié)婚戒指的手骨照片。
后來科學(xué)界為了紀(jì)念他的這項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn)就把 X 射線稱作“倫琴射線”， 倫琴也因此獲得了首屆的諾貝爾物理學(xué)獎金。
發(fā)現(xiàn) X—射線的第一篇論文一宣布，立即轟動了全世界。倫琴被招進(jìn)宮 廷對皇帝做 X—射線的說明。
倫琴的論文三個月內(nèi)被印出五次。關(guān)于 X—射線的各種論文，一時如雨后春筍，一年之內(nèi)竟有千篇之多。其傳播之迅速、反應(yīng)之強(qiáng)烈，在科學(xué)史上
是空前的。
同時也出現(xiàn)了各種各樣的爭論，什么“I 射線”、“黑光”的新聞也不 斷出現(xiàn)。光的狂熱籠罩了歐洲各國的實(shí)驗(yàn)室。
有些物理學(xué)家認(rèn)為它是一種物質(zhì)粒子流，而另一些科學(xué)家則認(rèn)為它與普 通光線相似。直到 1913
年，科學(xué)家勞厄、弗里德里希、克尼平發(fā)現(xiàn)這些射線 通過晶體時，產(chǎn)生衍射現(xiàn)象。他們假設(shè)，只有
X—射線波長很短，天然晶體才是理想的光柵。這樣，他們就證明了倫琴射線是一種短波光線，這一發(fā)現(xiàn)奠定了 X—射線照相術(shù)的基礎(chǔ)。
且說 1896 年初，法國數(shù)學(xué)家潘加列收到倫琴寄來的關(guān)于
X—射線的第一篇論文和有關(guān)照片。同年，在法國巴黎召開的科學(xué)院會議上，他宣讀了倫琴的論文，并認(rèn)為倫琴射線根本不需要克魯克斯管，只要有足夠強(qiáng)的熒光物質(zhì)就可以了。潘加列的觀點(diǎn)，引起了出席此次會議的法國著名物理學(xué)家亨利·貝克勒的注意。亨利·貝克勒家四代都是物理學(xué)家，其祖父就是前文提到的
A·C·貝 克勒。貝克勒決定要驗(yàn)證潘加列的實(shí)驗(yàn)是否正確。他最初的實(shí)驗(yàn)結(jié)果是否定的，磷光或熒光物質(zhì)并不發(fā)射—X
射線。他決定用強(qiáng)熒光物質(zhì)硫酸鉀鈾酰來 做實(shí)驗(yàn)。
他發(fā)現(xiàn)，這種物質(zhì)在陽光照射后，能夠使包在不透光黑紙里面的照相底片感光。但是過了幾天，事情起了變化，當(dāng)他再實(shí)驗(yàn)時，趕上了陰天，烏云遮住了太陽，他只得把鈾鹽和底片一起放進(jìn)抽屜。又過了幾日，他為了檢查底片，沖洗了其中一張，意外地發(fā)現(xiàn)底片已經(jīng)曝光，上面有鈾鹽包的像。
很明顯，日曬和熒光都與底片感光無關(guān)。于是他推斷，必是由于鈾鹽發(fā)出的一種神秘的，能穿透黑紙的射線。
此后幾個月，貝克勒經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)，肯定了鈾和它的化合物總在放射一種奇異的射線。他把這種射線命名為“鈾射線”，并且確信它與鈾鹽的磷光完全是兩回事。
將鈾射線與 X
射線比較，兩者有很多方面極為相似：都能穿透過黑紙使照相底片感光，都能使空氣電離成為電導(dǎo)體，并且使驗(yàn)電器放電。
鈾射線是自然產(chǎn)生的，好像不受外界環(huán)境的影響，也不需要光照，不需要加熱，更無需陰極射線的激發(fā)。而且鈾和鈾鹽在白天、黑夜，終年累月地持續(xù)發(fā)出這種射線，但卻看不出鈾和鈾的化合物的性質(zhì)有什么變化。
而 X 射線則當(dāng)陰極射線一停止，便隨之立即消失，它的穿透力比鈾射線性強(qiáng)，能穿透肌肉或木板等。
電子、X
射線、鈾射線的發(fā)現(xiàn)，揭開了物理學(xué)與化學(xué)發(fā)展史的新紀(jì)元。從此，原子不可分割的概念被摒棄，原子的大門被啟開，探索原子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究開始了。化學(xué)史家把這三大發(fā)現(xiàn)做為現(xiàn)代化學(xué)發(fā)展的標(biāo)志。
卻說貝克勒發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性及其特異的性質(zhì)，引起了許多科學(xué)家的注意，尤其一些青年科學(xué)家。首先應(yīng)該提到的是瑪麗·居里和皮埃爾·居里。居里夫人原籍波蘭，后入法國籍，是世界上著名的物理學(xué)家和化學(xué)家。她先后兩次榮獲諾貝爾獎，在女科學(xué)家中，她是獨(dú)一無二的兩次諾貝爾獎獲得者。
1897
年末，剛剛生過孩子不久的居里夫人選擇了以放射性為主題的博士論文，進(jìn)行貝克勒的鈾化合物以外的釷化合物也有放射性的研究。
最大的不同點(diǎn)是：居里夫人不滿足于用底片感光測量放射性，而是用儀器定量地測定放射程度。她使用她丈夫皮埃爾·居里發(fā)明的驗(yàn)電計。
當(dāng)用驗(yàn)電計測定等量的各種鈾化合物的放射強(qiáng)度時，她首先證實(shí)了貝克勒所發(fā)現(xiàn)的鈾的輻射強(qiáng)度同鈾的數(shù)量成正比，而同其他的化學(xué)性質(zhì)無關(guān)。
她又發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦的放射性比鈾強(qiáng)近四倍。如果放射性是原子的作用，則這個礦物應(yīng)該含有比鈾放射性更強(qiáng)的元素。居里夫人把這個新放射性元素的預(yù)見，寫給了巴黎科學(xué)院。三天之后，居里夫人在日記里記下了孩子長出第七顆牙齒，同時也記下了前一天，為尋找新元素而對
100g
瀝青鈾的化學(xué)分析。她既哺育孩子又搞科學(xué)研究，她的信心和毅力，使她的丈夫皮埃爾很受感動，放下自己的研究，一同投身于尋找新元素的研究中來。實(shí)驗(yàn)是在簡陋的車棚里進(jìn)行的。他們發(fā)現(xiàn)在瀝青鈾礦中，有兩種新的放射性成分，經(jīng)分離后，發(fā)現(xiàn)其中一個的放射性遠(yuǎn)比金屬鈾大得多。居里夫人把這種新元素命名為“釙”，這是她的祖國——波蘭的拉丁文名稱第一個字母。不久，居里夫婦又根據(jù)放射性，發(fā)現(xiàn)了另一個新的放射性元素，它已被富集在氯化鋇結(jié)晶里。它的性質(zhì)很像鋇，即不被
H2S 或（NH4）2S 所沉淀，其硫酸鹽也不溶于水和酸。這種混有新元素的 BaCl2·2H2O
晶體，比金屬鈾的放射性竟大九百倍，他們將這種晶體做光譜檢驗(yàn)，該新元素在可見紫區(qū)中有一條波長為 3814.7
埃的明線。居里夫婦給該元素命名為“Radium”（鐳），意思是“賦予放射性的物質(zhì)”。居里夫婦經(jīng)過了一段時間的艱苦鏖戰(zhàn)，處理了 8
噸鈾礦渣，終于得到了100mg
的氯化鐳，它的放射性竟是鈾鹽的二百萬倍。它能使金剛石、紅寶石及貯放它的玻璃瓶發(fā)出磷光。它的放射性居然還有“傳染性”，實(shí)驗(yàn)室里的各種儀器、衣服、灰塵、空氣不久后都有了“活性”。
他們還對鐳的原子量進(jìn)行了初步測定，大約是 225，從而確定了它在周期表中，處于鋇的下面。
1903
年，居里夫人順利地通過了博士論文答辯，論文題目叫《放射性物質(zhì)的研究》。她詳細(xì)地敘述了放射線的各種性質(zhì)，其中包括對磁場的關(guān)系。1906
年 4
月，皮埃爾·居里不幸因車禍?zhǔn)攀溃永锓蛉私犹嫠麚?dān)任巴黎大學(xué)的物理學(xué)教授職務(wù)，她是這所大學(xué)的第一位女教授。她領(lǐng)導(dǎo)了好幾個研究室，各國許多年青科學(xué)家在她的指導(dǎo)下，在那里進(jìn)修學(xué)習(xí)。
1937 年 7 月 4
日，居里夫人在長期患惡性貧血白血病后與世長辭。醫(yī)生的證明是：“奪去居里夫人生命的真正罪人是鐳。”她無愧于把自己的一生貢獻(xiàn)給了科學(xué)事業(yè)。
鐳被發(fā)現(xiàn)后，科學(xué)家們有了更深入研究放射現(xiàn)象本質(zhì)的條件。他們已經(jīng)證明，放射性是原子本身引起的，與已知的化學(xué)反應(yīng)都截然不同，它不受外界溫度、壓力??等的影響。
出生于新西蘭的加拿大青年科學(xué)家盧瑟福經(jīng)過長期實(shí)驗(yàn)觀察，開始研究放射線的實(shí)質(zhì)了。
盧瑟福于 1895 年到英國作為湯姆遜的研究生，以后接替湯姆遜主持卡文迪什研究所的工作。
他把鐳鹽放在一個鉛槽里，用強(qiáng)大的磁場作用于鐳發(fā)出的射線。他發(fā)現(xiàn)鐳和鐳的化合物所發(fā)出的射線，有兩種不同的類型，一種極易被吸收，他稱之為α射線；另一種具有較強(qiáng)的穿透力，能穿過玻璃，他稱之為β射線。
還有一種射線，不受磁場影響，有些像普通的光線，但波長比
X—射線還要短，穿透力大得驚人，能穿透過肌肉，甚至幾寸厚的鉛板和幾尺厚的鐵板，后來被稱之為γ射線。為了解開α、β
γ射線之謎，盧瑟福花費(fèi)了數(shù)年
時間，終于辨明：γ射線是一種粒子流帶有兩個正電荷，粒子的質(zhì)量等于氫原子的四倍，即等于氦的原子量，運(yùn)動速度大約每秒兩萬公里。β射線也是電子流，運(yùn)動速度大約每秒十萬公里。而γ射線的行進(jìn)速度就接近于光速了。
再說 1903
年，科學(xué)家拉姆塞和索迪用光譜法研究鐳射線。他們觀察了光譜隨時間的增加而發(fā)生的變化，過了幾天，他們發(fā)現(xiàn)了氦譜線。他們假定，氦是鐳射線產(chǎn)生的。過了一段時間，盧瑟福用α粒子射進(jìn)一個由薄金屬片做成的小室中，經(jīng)過認(rèn)真、仔細(xì)的實(shí)驗(yàn)，終于證實(shí)了他們的假定。這段時間里，在有關(guān)放射性的研究中，新奇事物不斷出現(xiàn)。如索迫在一次實(shí)驗(yàn)中，溶解了釷礦石后，往溶液中加氨水，沉淀出氫氧化釷，將濾液蒸干，并將其中氨鹽灼燒掉，卻發(fā)現(xiàn)殘渣的發(fā)射性很強(qiáng)，能產(chǎn)生α輻射。他暫時給它取名“ThX”（實(shí)際上是
224Ra）。關(guān)于放射性衰變所生成的產(chǎn)物越來越多，根據(jù)這些現(xiàn)象，盧瑟福提出了元素蛻變假說：
“放射性原子是不穩(wěn)定的，它們自發(fā)地放出射線和能量。放射性的產(chǎn)生是由原子本身分裂或者叫蛻變成為另一種元素而引起的。這種變化與一般化學(xué)反應(yīng)截然不同，它不是原子間或分子間的重新組合，而是原子自身的自發(fā)變化，放射出α、β或γ射線后，變成新的原子。”
元素蛻變假說，打破了自古希臘以來原子永恒不變的傳統(tǒng)觀念。在最初，盧瑟福是猶豫的，因?yàn)檫@太像早已被化學(xué)家否定的煉金術(shù)，但事實(shí)俱在不容懷疑了。
在這段時間，經(jīng)過科學(xué)家們的辛勤努力，又從鈾、釷、錒中分離出許多“新”的放射性元素來，并且發(fā)現(xiàn)一些重要規(guī)律。這些新元素一族從鈾來，一族從釷來，一族從錒來。每一種放射性元素均發(fā)出α射線或β射線和γ射線，并變?yōu)榱硪环N，最終變?yōu)榉€(wěn)定的元素鉛。總之，放射性的發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)領(lǐng)域中開辟了新的研究方向。
卻說由于對放射性的研究，新元素不斷被發(fā)現(xiàn)，這么多的新元素遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了周期表的容納范圍。于是化學(xué)家們對已發(fā)現(xiàn)的“新元素”進(jìn)行對比研究，
發(fā)現(xiàn)有些放射性不同的“元素”，其化學(xué)性質(zhì)卻完全一樣。
例如，科學(xué)家玻特伍德就發(fā)現(xiàn)釷（232Th）與其蛻變的射釷（RdTh，228Th） 在α衰變半衰期上顯然不同，釷為
1.65×1010 年，射釷為 1.9 年，但把兩者混在一起，用化學(xué)方法怎么辨別也分離不開。
類似的事實(shí)，積累得越來越多。到了 1910 年，著名的放射化學(xué)家索迪終于提出了同位素假說：
存在有原子量和放射性不同，但化學(xué)性質(zhì)完全一樣的化學(xué)元素變種，這些變種在周期表中應(yīng)該處于同一個位置上，因而可命名為“同位素”。索迪因在同位素研究上貢獻(xiàn)巨大，而榮獲諾貝爾化學(xué)獎。同位素的發(fā)現(xiàn)，豐富了“化學(xué)元素”這一概念，同時也使它復(fù)雜化了。同位素的含義究竟是什么？為什么同位素的原子量不同，放射性不同，而化學(xué)性質(zhì)卻完全相同？科學(xué)家們確信，這類原子的深處發(fā)生著變化，放射性就是這種變化的表現(xiàn)。
湯姆遜在發(fā)現(xiàn)電子后，曾提出過一種原子模型：原子是帶正電荷的粒子，電子均勻地分布其中，中和了正電荷，所以整個原子是電中性的。為此，他
精心設(shè)計出所謂的“西瓜模型”。1904 年左右，英國科學(xué)家布拉格發(fā)現(xiàn)α粒子有確定的射程，他得到一張α粒子飛行圖片。他還觀察到：
“不管每個α粒子遇到什么，它總是沿著直線路徑前進(jìn)，可以穿透所遇到的任何原子，不管這些原子構(gòu)成氣體還是固體。
即使把一塊薄金屬板放在α粒子流的路途上，也只能奪α粒子的一些能量，但α粒子流中的粒子數(shù)仍然不變。”布拉格初步揭示了原子的一些秘密，但這個結(jié)論并不確切。
其后，盧瑟福也進(jìn)行了各種實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一束α粒子去轟擊一
片金屬箔時，大部分粒子可以穿透過，其飛行方向也不發(fā)生變化。由此他得出：原子并不是一種實(shí)球體，彼此間有一定間隔，且有很大的空隙。
根據(jù)各種研究結(jié)果，盧瑟福正式提出原子的核模型：原子由帶正電的核，和周圍圍繞核運(yùn)動的電子組成。原子核與電子層比較起來，是非常微小的。電子圍繞核作圓周運(yùn)行，就象行星繞太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一樣，因此在原子里是極為空曠的。
盧瑟福繼續(xù)發(fā)展他的原子結(jié)構(gòu)觀點(diǎn)，并且得出結(jié)論：原子外面電子數(shù)目 大約等于元素原子量值的一半。
卻說對原子結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步研究與原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)密切相關(guān)。
1913 年，盧瑟福的學(xué)生、曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)講師莫斯萊，在研究 X— 射線時，他把自 Al 至 Au 各元素的 K 系 X
射線的波長λ（λ是光譜中特征譜 線波長），按由大至小的順序排列起來，發(fā)現(xiàn)排列出的次序與它們在周期表
中的座位編號是一致的。他把這個次序稱之為原子序數(shù)，以英文字母 Z
表示。原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)使周期律內(nèi)容更為豐富，解決了周期表中按原子量排列氬與鉀、碲與碘、鎳與鈷等位置顛倒的問題。同時，原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)使人們能夠更精確地預(yù)測一些尚未發(fā)現(xiàn)的元素。如稀土元素有多少個？空缺了哪幾個？鈾以前共有多少個元素？等等。莫斯萊的重大發(fā)現(xiàn)和卓越見解，鼓勵人們進(jìn)一步去探索新元素，就像
50年前，門捷列夫發(fā)現(xiàn)元素周期表一樣。且說原子序數(shù)的發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致了確定原子核的電荷數(shù)的研究。
說明原子的電子層結(jié)構(gòu)的主要貢獻(xiàn)是由丹麥物理學(xué)家玻爾提出的，起因是這樣的：盧瑟福的核原子模型提出后，雖然得到科學(xué)界的承認(rèn)，但卻引起了一個嚴(yán)重的問題。以氫原子為例：氫原子是由一個質(zhì)子和一個電子所組成的，由于正負(fù)相吸，如果電子不
動這個體系就不能存在；倘若電子繞著質(zhì)子飛行，根據(jù)經(jīng)典電動學(xué)，勢必輻射能量。體系能量愈來愈小，就意味著電子愈飛離核愈近，最后墮入核上，氫原子也就沒有了。這個結(jié)論和原子的長期穩(wěn)定性相矛盾，因此多少讓人感到懷疑。當(dāng)時玻爾年僅
28
歲，正游學(xué)于英國，卻敢于對老師盧瑟福的核模型大膽提出了修正。玻爾假定氫原子的中心是一個質(zhì)子，在質(zhì)子周圍有一個電子沿圓形軌道運(yùn)動，與地球繞太陽運(yùn)動極其相似。
他又將質(zhì)子對電子的吸引力，同電子沿圓周運(yùn)動所產(chǎn)生的離心力聯(lián)系起來，從而能用電子的軌道半徑，來表示原子的能量。接著玻爾又推導(dǎo)出各原子中電子排布情況：電子圍繞原子核不是沿著任意的軌道，而是按照一定的軌道旋轉(zhuǎn)。這些軌道由主量子數(shù)（l，2，3??等等）決定，而主量子數(shù)又決定電子層數(shù)。每一層所容納的電子數(shù)最大數(shù)目，等于主量子數(shù)平方的
2 倍，即 2×12，2×22，2×32??等等。 這樣每一層上的電子數(shù)目，從最里層開始，分別等于周期表中每一周期中元素數(shù)目，即
2，8，8，18，32。同時最外層電子的最大數(shù)目為
8，其結(jié)果與后來發(fā)現(xiàn)的不相容原理完全一致。玻爾的原子核模型，給人們提供了一個形象思考的基礎(chǔ)，他提出的原子結(jié)構(gòu)，為今后化學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。玻爾的偉大功績不可磨滅。隨著原子核模型的建立，人們利用分子光譜又進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了
13C、5N、17O、18O
等同位素。其他元素的同位素也都陸續(xù)通過不同方法發(fā)現(xiàn)了。最引人注目的則是氫有無同位素問題，為了尋找氫的同位素，科學(xué)家們花了十幾年時間，最后通過兩條途徑證明了它的存在。其一，用重同位素蒸餾濃縮，如將液氫在
14K（三相點(diǎn)）下緩慢蒸發(fā)，最后對幾立方毫米的殘余物進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)了重氫 2H，后來給它取名叫 氘，符號為 D。
其二，電解水使氘濃縮。電解氫氧化鈉水溶液，使水的體積減小到原來
的十萬分之一，獲得了極純的重水（氧化氘）。再說說人造元素的實(shí)現(xiàn)。隨著化學(xué)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們開始認(rèn)識到原子核及核內(nèi)運(yùn)動的復(fù)雜
性，并逐步掌握了它的某些規(guī)律。 盧瑟福最初提出原子核含有一定量的電子，但同時他又指出原子核是由
質(zhì)子組成的，原子中的電子總數(shù)應(yīng)當(dāng)?shù)扔跇?gòu)成核的質(zhì)子數(shù)目。后來事實(shí)證明，他這樣的觀點(diǎn)是錯誤的。
又過了幾年，盧瑟福利用α粒子散射實(shí)驗(yàn)來研究各種元素的原子核。當(dāng)
他轟擊氮時，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生出一種新的、射程很長、質(zhì)量更小的粒子。這種粒子的質(zhì)量與氫原子相等，帶一個正電荷，于是盧瑟福正式給它取名叫質(zhì)子。這是歷史第一個人工核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。
其后他又發(fā)現(xiàn)鋁、磷、鈉等也會發(fā)生類似的核反應(yīng)。這些就證明了各種 原子核中普遍存在著質(zhì)子。
1920 年，盧瑟福又提出核中存在中子的假說，但由于未能分解出中子，也未找到中子源，所以只是一種臆測。
這一問題最終由盧瑟福的學(xué)生、英國劍橋的核物理學(xué)家查德威克給解決了。
他通過云室試驗(yàn)，證實(shí)鈹射線是由質(zhì)量等于質(zhì)子質(zhì)量，但不帶電荷的粒
子組成的，這種粒子叫做中子。之后，法國居里研究所的兩位科學(xué)家，居里夫人的女婿和長女，也同樣證實(shí)了中子的存在。 中子的發(fā)現(xiàn)引起了科學(xué)家們的重視，人們開始提出了這樣的問題：中子在原子結(jié)構(gòu)中起什么樣的作用？蘇聯(lián)科學(xué)家提出，中子和質(zhì)子一起存在于原子核中。其他科學(xué)家也發(fā)表了同樣的見解，不久科學(xué)界普遍承認(rèn)了它。
卻說 1934
年，約里奧·居里夫婦用釙放射的α粒子轟擊硼、鋁和鎂，觀察到除產(chǎn)生了中子外，也發(fā)射正β射線。他們認(rèn)為，在轟擊鋁原子時應(yīng)發(fā)生下列核反應(yīng)。以上核反應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，其意義巨大：這是第一次利用外部的影響，引起某種原子核產(chǎn)生放射性。它首次實(shí)現(xiàn)了人工放射性，而且還是第一次制造出了自然界中不存在的核素，所以又是人造元素的先聲。難怪有人感嘆；天然的放射性，只是天然的煉金術(shù)，而人工放射性則是人工的煉金術(shù)。
卻說在古代，人們夢想著把廉價的金屬轉(zhuǎn)變?yōu)辄S金，近代化學(xué)家也判定 這是不太可能的事，但到了現(xiàn)代，這種夢想終于變成了現(xiàn)實(shí)。
1941 年，美國加州理工學(xué)院的科學(xué)家安德遜等，在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)了汞向 黃金的轉(zhuǎn)變。
汞有七個同位素，他們用中子轟擊 196Hg，就使它轉(zhuǎn)變成了放射性的197Hg，當(dāng) 197Hg
蛻變時，會發(fā)生正β放射，于是便生成了一個穩(wěn)定的金核。因?yàn)樵谔烊还校?96Hg 只占 l％。 后來又發(fā)現(xiàn)用中子轟擊
198Hg，也同樣可以得到金核：也很遺憾，198Au 是不穩(wěn)定的，半衰期只有 27
天，所以這項(xiàng)轉(zhuǎn)變只有科學(xué)價值，并沒有經(jīng)濟(jì)意義。
科學(xué)家們真正感興趣的倒不是人造黃金，而是想把地球上已經(jīng)絕種的那 幾種元素，在實(shí)驗(yàn)室中再造出來。這個理想很快就實(shí)現(xiàn)了。
1939
年，又是美國加州的科學(xué)家塞格瑞和佩里厄，以中子和氘去轟擊鉬時，得到了第一個用人工方法造出來的元素，被命名為锝。意思是“技術(shù)”，
即含有人造的意思。
之后，科學(xué)家們又用α粒子轟擊鉍時，得到了第 85 號元素，命名為砹，含有不穩(wěn)定的意思。
到了1945 年，美國科學(xué)家從人工鈾裂變的碎核中，用中子轟擊釹時的產(chǎn)物中檢驗(yàn)到所謂的第 61
號元素，命名為钷。在所獲的钷同位素中，145Pm 的 半衰期最長，為 17.7 年。
科學(xué)家們成功地實(shí)現(xiàn)了某些元素的人工再造，但他們沒有停止科學(xué)研究，又向核科學(xué)的高峰，為搜尋和人工制造超鈾元素而奮斗了。首先研究“超鈾元素”的，應(yīng)該算是意大利的著名核物理學(xué)家、羅馬大學(xué)教授費(fèi)米。1934
年，費(fèi)米的研究小組用一種剛在 1931 年由查德威克發(fā)現(xiàn)
的、被稱為中子的中性粒子來轟擊鈾，中子毫不費(fèi)力地就鉆進(jìn)了鈾核，使它的原子量增加了 1，就得到了質(zhì)量數(shù)為 239
的鈾。他們認(rèn)為所獲得的元素是93 號元素，將它稱之為“鈾 X”。
后來證實(shí)，費(fèi)米的實(shí)驗(yàn)，并不是制造了一種新元素，而是把鈾核分成了兩半。這一發(fā)現(xiàn)的重要性所產(chǎn)生的巨大后果，是人們以后才逐漸明白的。到了
1940 年，美國學(xué)者麥克米倫在研究費(fèi)米的發(fā)現(xiàn)過程時，第 93 號
元素才被偶然發(fā)現(xiàn)：當(dāng)他用中子轟擊鈾時，在產(chǎn)生的新元素中，有一種起初無法辨認(rèn)的元素。麥克米倫就推想，鈾裂變中釋放出中子很可能使鈾原子轉(zhuǎn)變成為原子序數(shù)更高的元素。他根據(jù)它所具有的放射性特點(diǎn)，辨認(rèn)出它就是
93 號元素，命名為镎，這是第一個人工合成的“超鈾元素”。從此，超鈾元素的全面研究開始了，人們利用中子去轟擊不同元素的核。從 1940
到 1970 年的 30 年間，就合成了 12 個“超鈾元素”。 科學(xué)家西伯格、沃爾和肯尼迪根據(jù)麥克米倫的實(shí)驗(yàn)推測，和 93
號元素混在一起的，很可能還有另一種元素。他們于 1940 年證實(shí)了這一點(diǎn)，這個元素 就是 94 號钚。
1944 年，西伯格和美國加利福尼亞大學(xué)的一個研究小組合成了 95 和 96
號元素，前者命名為镅；為紀(jì)念居里夫婦，后者命名為鋦。1949 年和 1950 年，他們又先后獲得了 97 號元素锫和 98
號元素锎。
1952 年 11 月，當(dāng)?shù)谝活w氫彈在太平洋上空爆炸時，在爆炸碎片中檢測 到了 99 和 100 號元素的存在，但是，直到
1955 年加利福尼亞大學(xué)湯姆遜等
人在實(shí)驗(yàn)中獲得了少量的這兩種元素后才真正確認(rèn)。為了紀(jì)念愛因斯坦和費(fèi)米，分別將它們命名為锿和鐨。不久他們又獲得了 101
號元素，為紀(jì)念門捷列夫而命名為鍆。
1955 年到 1961 年進(jìn)展較慢，僅發(fā)現(xiàn)了兩個超鈾元素—102 號锘（為紀(jì)念 諾貝爾）和 103
號鐒（為紀(jì)念勞倫斯）。
1964 年至 1968 年，在莫斯科的附近的杜布納核研究所，由著名科學(xué)家弗列洛夫領(lǐng)導(dǎo)的研究小組，經(jīng)過艱苦的工作，得到了質(zhì)量數(shù)為
260 的 104 號元素，把它命名為，以紀(jì)念前蘇聯(lián)核物理學(xué)家?guī)烨⊥蟹颉?br>
1969 年，美國加州大學(xué)的貝克萊核實(shí)驗(yàn)室，由科學(xué)家吉奧索領(lǐng)導(dǎo)的研究小組也合成了 104 號元素，科學(xué)家們則給 104
號元素命名為，以紀(jì)念盧瑟福。
1968 年至 1970 年，美國和蘇聯(lián)科學(xué)家都聲稱合成了 105
號元素，美國人將其命名為鉿，以紀(jì)念美籍科學(xué)家哈恩，前蘇聯(lián)科學(xué)家則反對。兩家為爭
奪發(fā)現(xiàn)的優(yōu)先權(quán)而爭吵不休，因國際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會未能解決這一爭執(zhí)，最后名稱尚未定下來。
科學(xué)家們還在窮追猛趕，企圖合成更多的超鈾元素。同時也未放松在自
然界中的探尋，因?yàn)橐延雄E象顯示，鈾并不是自然界中存在的最重元素。人們曾在鈾礦中發(fā)現(xiàn)過微量的镎和钚。
卻說科學(xué)家在攀登超鈾元素這個階梯時，每登上一級都比前一級更加困 難，因?yàn)樵有驍?shù)越大，元素就越不穩(wěn)定，收集也越困難。當(dāng)達(dá)到 101
號鍆這一級時，對它的確認(rèn)只能靠 17 個原子來進(jìn)行。因此，
即使發(fā)現(xiàn)了它們，要檢測出來也需要十分高超的技術(shù)。 科學(xué)家們還通過計算機(jī)算出，在超鈾元素的海洋中，有一個所謂的“穩(wěn)定島”，其中象 114
和 116
號元素應(yīng)是相當(dāng)穩(wěn)定的，衰變一半所需的時間以億萬年計。因此，科學(xué)家們還在探索尋找它們的新途徑。新的元素日益增多，現(xiàn)在得到公認(rèn)的已有
107 種了，比門捷列夫發(fā)現(xiàn)周
期律時增多了將近一倍。周期律的形式更加完美了。
再說說原子量基準(zhǔn)的改革。
原子量基準(zhǔn)自 1803 年，道爾頓以 H＝1 為基準(zhǔn)寫下第一張原子量表，到 目前為止，大致經(jīng)歷了三次的改革，見下表：
基準(zhǔn)建議人采用年代
H=1 道爾頓
180 3
O=100 貝采里烏斯
181 8
O=16 斯達(dá)
186 0 12
C1 =12 馬托赫
196 1
原子量是各種元素的原子質(zhì)量（嚴(yán)格講是各種同位素按其天然豐度）之間的相對比值，并且是以某一特定元素作為這種比值的基準(zhǔn)。
早在 1803 年，道爾頓就以 H＝l 為基準(zhǔn)，列出了 6 種元素的原子量，以 后他又?jǐn)鄶嗬m(xù)續(xù)地修訂擴(kuò)充到 20
種元素。由于當(dāng)時條件所限，各種化合物的 原子組成無法準(zhǔn)確確定，所以他列出的原子量很多是錯誤的。如水分子的組 成，他誤認(rèn)為是
HO，因而氧原子量被確定為 7。之后，貝采里烏斯對元素的原子量進(jìn)行了認(rèn)真而較為準(zhǔn)確的測定。他規(guī)定 O＝100
為基準(zhǔn)，這是由于氧化物是測定原子量的最主要化合物的緣故。 他修訂的原子量表中共列有 33 種元素，例如
Cl＝221.23，Ba＝865.88，如果用現(xiàn)在 O＝16 來換算，則得 Cl＝35.41（現(xiàn)在值為
35.457），Ba＝137.l（現(xiàn)在值為
137.36），已經(jīng)是相當(dāng)精確了。但當(dāng)時他對原子價概念不清，所以對有些元素的原子量偏差較大。建議用Ｏ＝16
為標(biāo)準(zhǔn)的，是比利時化學(xué)家斯達(dá)。
他在 1857 至 1882
年間，對原子量進(jìn)行了精密測定，有些元素的原子竟準(zhǔn)確到第四位有效數(shù)字，幾乎接近現(xiàn)代的測定值。例如Ｉ＝126.85（現(xiàn)值為126.91），Ag＝107.93（現(xiàn)值為
107.868）。
以 O＝16.0000
的原子量基準(zhǔn)，在化學(xué)領(lǐng)域沿用了近一個世紀(jì)。但是當(dāng)科學(xué)家深入到原子的微觀結(jié)構(gòu)，特別是發(fā)現(xiàn)了同位素，制成了可以“稱量”單個原子的儀器—質(zhì)譜儀以后，舊的原子量標(biāo)準(zhǔn)就不再適應(yīng)新的科學(xué)發(fā)展了。1927
年，化學(xué)家阿斯頓正式提出 16O=16 做為核素原子量的基準(zhǔn)。 他用質(zhì)譜儀測定 1H 與 16O 的質(zhì)量比，得到
1H/16O＝1.00778/16.0000。 到了 1929 年，美國化學(xué)家吉奧克和江斯登，在天然的氧中發(fā)現(xiàn) O17 和
O18兩種同位素，并且測得了在天然氧氣中，其存在比
16O：17O：18O＝3150：l：5，天然氧氣的平均原子量為：16.0035，它是 16.0000 的 1.00022
倍。所以便出現(xiàn)了化學(xué)的原子量單位與物理的原子量單位的不一致，化學(xué)單位比物理單位大，O 化學(xué)＝1.000275 O 物理
16，也就是說，各元素的化學(xué)原子量數(shù)值要比物理的原子量數(shù)值要略小一些。然而化學(xué)工作和物理工作是互相聯(lián)系的，標(biāo)準(zhǔn)不同，必然會引起某種麻煩和混亂。因此科學(xué)家們在兩種標(biāo)準(zhǔn)并用了一段時間后，越來越感到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的必要。科學(xué)家們?yōu)榻y(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，曾提出過不少方案：
前蘇聯(lián)科學(xué)家噶莫夫和美籍德國科學(xué)家貝提曾提出
4He＝4為統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因用化學(xué)方法測定氦的原子量很不方便，因而無人采納。還有科學(xué)家提出以 19F＝19
作為標(biāo)準(zhǔn)，由于在用質(zhì)譜法測定原子量時，以 F 作為基準(zhǔn)也很不方便，最終也被否定。
在 1959 年，國際化學(xué)協(xié)會（IUPAC）在慕尼黑開會，根據(jù)德國科學(xué)家馬 托赫的建議，決定改用 C12＝12
作為基準(zhǔn)，并提交國際物理協(xié)會（IUPAC）考慮。
國際物理協(xié)會于次年接受了這項(xiàng)倡儀。于是在 1961 年加拿大蒙特利爾召 開的國際化學(xué)會議上，決定正式采用 C12＝12
的原子量新基準(zhǔn)（請看下頁原子量新舊標(biāo)準(zhǔn)換算表）。
新基準(zhǔn)采用后，對化學(xué)原子量來說，只需將舊值減去百萬分之四十三， 對大多數(shù)元素來說，變動不大，實(shí)際上除了氧以外，只有 5
種元素（Ag、Cl、 Br、K、Ar）的原子量需要改動。
原子量新舊標(biāo)準(zhǔn)換算表
物理舊標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)舊標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一新標(biāo)準(zhǔn) 12
C
1 2.003816 ─ 12. 00000 基準(zhǔn) 16
O
O 1 6.00000 （基準(zhǔn)）
─
1 6 （基準(zhǔn)）
15. 994915
15. 9994 Ag （例） ─
1 07.873
107 .865
舍棄了 O16＝16 的基準(zhǔn)，而采用 C12＝12
的基準(zhǔn)，其主要原因是由于測定原子量方法的改進(jìn)而引起的。現(xiàn)在用質(zhì)譜儀所測定原子量的值要比化學(xué)方法 準(zhǔn)確得多。
現(xiàn)代質(zhì)譜儀測定原子量時，大多使用雙線法，用碳?xì)浠衔镒鳛殡p線中
的參考線，是很方便的。但是實(shí)際上，測定的元素原子量并非固定不變，因此國際化學(xué)協(xié)會每兩年修訂一次原子量表。
最后說說原子能化學(xué)與原子能工業(yè)。 從發(fā)現(xiàn)放射性到利用原子能，只經(jīng)歷了半個多世紀(jì)。原子能工業(yè)在其形
成后，推動了與它有關(guān)的其他科學(xué)的飛速發(fā)展，并由此形成了一些新的學(xué)科， 如放射化學(xué)、輻射化學(xué)、同位素的分離與生產(chǎn)等。
最早的放射化學(xué)工作方法，可以說是居里夫婦建立的。他們通過放射性的測量，發(fā)現(xiàn)了鈾的放射性強(qiáng)度和鈾的含量成正比，同時發(fā)現(xiàn)了釙、鐳等新的放射性元素。以鐳為例：
“鐳”的拉丁文含有“光線”的意思，在鐳的 7200000 個原子核里，每秒鐘有一個核要爆炸，向四面八方投射出速度約為每秒
20000 公里的碎片來。這種碎片盡管很渺小，速度卻快的驚人，大炮炮彈的速度也不過是它初速度的萬分之一。在每克鐳元素中，含有
267000 萬萬萬萬個原子，因而每克元素的“射擊率”達(dá)到每秒 370
億個！向四面八方射出的核碎片就象光線一般。科學(xué)家們在研究天然放射性元素的過程中，不僅發(fā)現(xiàn)了蛻變規(guī)律，還總結(jié)出了放射性物質(zhì)的各種分離方法和規(guī)律。如
1934
年，科學(xué)家們根據(jù)生成的放射性核的反沖效應(yīng)而引起的化學(xué)變化，建立了“熱原子化學(xué)”這一新的學(xué)科。卻說鈾核裂變和鏈反應(yīng)的發(fā)現(xiàn)也同放射化學(xué)的發(fā)展密切相關(guān)，尤其原子堆的建立，把放射化學(xué)推向一個新的發(fā)展階段。大量核反應(yīng)堆裂變產(chǎn)物的分離、處理和應(yīng)用核燃料的回收等，都使放射化學(xué)的應(yīng)用邁向更廣泛的領(lǐng)域。卻說要建立原子反應(yīng)堆，就需要大量具有特殊核性能的同位素，如重水、B10
等，這就提出了同位素分離和生產(chǎn)的任務(wù)。以生產(chǎn)原子彈為例：
1939 年，第二次世界大戰(zhàn)正處于白熾階段，美國為了制造出原子彈，建立了三座 UF。氣體擴(kuò)散工廠生產(chǎn)
U235，擴(kuò)散級數(shù)有幾干級，耗電量達(dá) 180 萬千瓦。
與此同時，納粹德國也加緊建立原子反應(yīng)堆，并積極研制核裂變武器。他們侵占挪威后，利用挪威的廉價水力發(fā)電，建造了大型重水廠，但工廠很快被同盟國聯(lián)軍炸毀。
美國科學(xué)家費(fèi)米、威格納等意識到，一旦希特勒政府領(lǐng)導(dǎo)下的科學(xué)家們利用核鏈?zhǔn)椒磻?yīng)原理制造出原子彈，那對人類命運(yùn)將是一種嚴(yán)重的威脅。
于是科學(xué)家們聯(lián)合起草了一封信，遞交給當(dāng)時的美國總統(tǒng)羅斯福，請他注意。
美國科學(xué)家們也立即行動起來了。終于在 1942
年，在新墨西哥州山中，以科學(xué)家奧本海默為首的研究小組開始了執(zhí)行制造原子彈的曼哈頓計劃。他們在實(shí)驗(yàn)室中建成了第一座鈾核反應(yīng)堆。并成功地完成了第一次鏈?zhǔn)胶朔磻?yīng)。他們也曾采用水蒸餾法和氫一水同位素交換法，為生產(chǎn)钚的反應(yīng)堆提供重水。
1945 年 7
月，他們成功地制造出了原子彈，并在新墨西哥州靠近阿拉莫戈的沙漠地區(qū)進(jìn)行了核爆炸實(shí)驗(yàn)。隨后，又將另外兩顆原子彈在這年 8
月投在了日本的廣島和長崎。
隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，科學(xué)家們研究出了很多分離與生產(chǎn)同位素的好方法，這些方法更加經(jīng)濟(jì)、簡便，實(shí)用價值也更高。
卻說輻射化學(xué)：X 線和放射線的發(fā)現(xiàn)就是輻射化學(xué)的開始——輻射使底片感光。
早在 1899 年，居里夫人在研究鐳時，就發(fā)現(xiàn)在射線作用下空氣中有臭氧生成，并注意到射線使玻璃和瓷器等賦色。
1900
年，德國科學(xué)家吉澤爾觀察到，在放射性作用下堿金屬鹵化物也能賦色。以及鐳化物的水溶液會產(chǎn)生爆鳴氣，這是水的輻射分解。
1901
年，貝克勒在研究β和γ射線時，也發(fā)現(xiàn)了輻射：在β和γ射線作用下，碘化鉀在水溶液中被氧化，白磷變?yōu)槌嗔住Ｋ焉渚€效應(yīng)和陽光進(jìn)行了對比。
后來又有很多科學(xué)家對氣體、有機(jī)物的輻射效應(yīng)進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)電離輻射能引起分解、氧化、還原、聚合等多種化學(xué)反應(yīng)。近些年來，由于原子反應(yīng)堆和高能粒子加速器的建立，提供了高能輻射源，使實(shí)驗(yàn)室中的輻射化學(xué)反應(yīng)變?yōu)楣I(yè)規(guī)模的生產(chǎn)。如應(yīng)用高分子聚合和藥物生產(chǎn)等。原子能工業(yè)發(fā)展前景極為廣闊，它作為一門新的學(xué)科，必將推動工業(yè)向更高的層次發(fā)展。
欲知后事如何，請聽下回分解。
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