卢瑟福和射线
大约在玛丽·居里探寻放射性元素的同时,另一位物理学家正在研究射线。卢瑟福(Ernest Rutherford)是一位聪明自信的年轻人,刚从新西兰的坎特伯雷学院毕业,获得了英国剑桥大学的奖学金而进入著名的卡文迪什实验室,成为实验室主任J·J·汤姆孙(Joseph.John Thomson)的研究生。汤姆孙是英语国家中电学研究领域的领军人物,专门研究气体中的电离作用(产生带电粒子的过程)和电传导。
卢瑟福的父亲是农民,母亲是教师,他从小就对物理学产生了浓厚的兴趣,在新西兰从学生时代就开始从事研究工作。卢瑟福的成就与母亲的支持是分不开的,在整个事业生涯中,他一直和母亲通过信件交流自己的工作。在汤姆孙实验室,卢瑟福继续研究磁学和高频电波(后来被称为无线电波)。
随后,伦琴发现了X射线。这些神秘辐射吸引了卢瑟福,并永远地改变了他的职业生涯。卢瑟福沉浸于射线研究的兴奋之中,他加入了导师汤姆孙关于这些射线造成的气体导电性的研究,并变得精通于电离作用研究。卢瑟福的研究工作给他的导师留下了深刻印象,并引起了科学界的广泛关注。1898年,他收到了位于加拿大蒙特利尔的麦吉尔大学的人职通知书(图3.1)。
尽管卢瑟福更喜欢留在英格兰这个英国科学活动的中心,但是他被麦吉尔大学的高水平物理实验室所吸引。这些精良设备由威廉·麦克唐纳爵士(Sir William MacEon-ald)捐赠,他反对吸烟,但是具有讽刺意味的是,他通过烟草发了财。卢瑟福(碰巧他烟瘾很大)接受了麦吉尔大学提供的职位,他在新环境中安顿下来之后,便开始对铀元素发出的贝克勒耳射线进行试验。他想弄清楚贝克勒耳射线是否如很多人猜测的那样是一种x射线。
为了追踪射线,卢瑟福采用在剑桥大学已经完善的电学方法,而不是亨利·贝克勒耳以前采用的摄影方法。这种选择是至关重要的,因为电学测量能够给出定量结果,而摄影方法(包括等待影像在底片上形成)精度不高且很大程度上依赖于观测者的主观阐释。首先,卢瑟福重做了贝克勒耳的铀射线折射和偏振实验。如果这些射线是某种形式的光,正如贝克勒耳所相信的那样,它们会发生折射和偏振现象。但是卢瑟福没有观测到任何一种现象。
然后卢瑟福又检验了其他可能性,即贝克勒耳射线是一种X射线。根据他在剑桥大学基于汤姆孙的电学理论所做的工作,卢瑟福预言,如果贝克勒耳射线是一种X射线,那它将会把空气电离。他的实验测量和理论预言相符合。
正如贝克勒耳和施密特早先注意到的,这种射线并非由单一成分组成。卢瑟福证实了这种射线由两种成分组成,一种在传播过程中很容易被阻挡(他称之为“α”,以希腊字母表中第一个字母α命名),另一种能够穿透多层铝箔(他称之为“β”,以希腊字母表中第二个字母β命名)。卢瑟福观测到的这些现象和一位法国物理学家新近的发现惊人地相似。1898年,萨尼亚克(Georges Sagnac)发现使用X射线轰击物体会产生新的X射线,并将其命名为次级辐射。相比于原始辐射(初级辐射),次级辐射更容易被吸收。卢瑟福认为贝克勒耳射线是初级和次级X射线的混合体,即β射线是初级辐射,α射线是次级辐射。
1899年初,贝克勒耳重新探讨了早年做过的铀射线实验。他发现不能重复一部分实验结果,随后意识到对其他结果也作出了错误的解释。贝克勒耳承认他发现的新射线更像X射线,而不像光。到那时为止,放射性研究者认为,贝克勒耳射线是一种X射线。
P27-29
在这部权威著作中,玛乔丽·C·马利将科学、文化背景和科学史的重要线索结合起来,描述了这门在很大程度上塑造了现代生活的神秘科学。她的记述超越了故事中已有的元素,将其转化成了我们这个时代引人入胜的寓言。
——塞德尔,《洛斯阿拉莫斯与原子弹的制造》作者
玛乔丽·C·马利就放射性这门神秘科学所写的通史,史料充足,文笔清晰,填补了相关领域的空白。这本书既避免了技术细节,又成功地将历史中的科学、人物、文化、政治等方面结合起来,对于科学史家、各级科学教师、其他领域的科学家以及普罗大众都充满了吸引力。
——奥格尔维,科学史家,俄克拉何马大学荣誉退休教授
佛说:一花一世界。此诚不谬。1896年初,法国物理学家安托万-亨利·贝克勒耳(Antoine-Henri Becquerel,1852—1908)在研究铀盐的实验中,第一次发现了原子核的天然放射性,标志着人类打开了窥视微观世界的一扇窗。借此人们认识到,看不见、摸不着,之前只是一个哲学抽象的原子,居然蕴藏着一个神秘而复杂的“小世界”。放射性从此闪亮登场,迅即成为物理学家、化学家竞逐的研究课题,和X射线及其他科学发现一道宣告了19世纪物理终结论的破产。滥觞于放射性的发现,很快有关微观世界的新学科——原子核物理和粒子物理相继出现,原子、原子核也在人类面前渐渐地褪下了她神秘的面纱。某些元素的不稳定原子核会自发地放出α、β或γ射线,衰变成其他元素,我们说这些元素具有放射性。人类目前已知的一百多种化学元素有两千多种核素,稳定的只占差不多十分之一,换句话说,具有放射性的占绝大多数。这其中既有造物的恩赐——天然放射性核素,也有人类的创造——人工放射性核素。随着研究的深入,人们逐渐意识到,放射性不仅对原子世界非常重要,在宇宙的形成和演化过程中也扮演着重要的角色,甚至对我们赖以生存的地球也是如此。放射性除了在自然界有举足轻重的作用外,还极大地影响到了人类生活的各个方面,如能源、军事、医疗、工业等等,不胜枚举。
辩证法强调分析事物要一分为二,对待放射性这种有巨大影响的事物更需如此。放射性是一种有趣、有益又有害的自然现象。核裂变在解决人类面临的能源短缺问题方面发挥了积极的作用,同时也带来了毁灭性和放射性污染的风险。特别是第二次世界大战中投向广岛和长崎的原子弹,以及切尔诺贝利、三里岛、福岛等多处核电站泄漏事故,在人类的记忆里投下了巨大的阴影。如何控制好放射性这把科学的双刃剑,使其造福人类,既是当前政治家、科学家的责任,也是现在还是青少年,未来将担负起引领社会进步之责的下一代的使命。要了解放射性现象以及现象背后的机理,获知科学家在认识放射性过程中所经历的坎坷和有趣的轶事,以及由放射性引发的社会问题等与放射性有关的方方面面,这本书就是一个非常合适的科普和科学史读物。
本书作者玛乔丽·C·马利女士1976年于加州大学伯克利分校获得科学技术史方面的博士学位,是一名出色的数学和科学史研究专家,曾担任过美国国家历史课程标准委员会委员、科学史学会教育委员会主席等职务,出版了多部科普和科学史方面的著作。特别是《放射性秘史》,作为第一部反映放射性历史的通俗读物,受到众多科学爱好者的好评。
本书作者虽然不是专业的科研人员,但她在写作此书时,显然在放射性科学方面下了不少功夫,使得本书读起来既不失科学的严谨性,又简洁明了、通俗易懂,高中及以上文化程度的科学爱好者阅读都不会有障碍。
科普工作虽然没有明显的短期效益,但不论是对科学本身,还是对社会进步都是一件非常有意义的事情,也是科学工作者应尽的义务和责任。参与翻译和审校本书的人员均有从事理论物理研究和教学的经历,对书中科学内容的把握应该不会有太大问题。翻译的过程也是深读和学习的过程,大家为翻译本书付出了不少业余时间,前后用了近一年的时间,但就像吃川菜,有辛苦却也很愉快。相信编辑也被我们的拖沓“折磨”得够呛,不再多解释,在此表示一下歉意吧。
合作的事情无法锱铢必较,译者顺序我们采取理论物理中经常用的办法,按姓氏笔画排序,既体现团队精神,又表明责任均担。最后需要说明的是,受水平和时间的限制,疏漏、误译以及打印错误恐难避免,真诚地期望读者发现后不吝赐教,以便找机会及时更正,避免谬传。
乔从丰
2016年9月28日于中国科学院大学
从1896年一项毫不起眼的发现开始,放射性把研究者带上了一条迷雾重重的求知之路,来到已知和未知的交叉地带。是什么导致某些原子放出不可见的、具有穿透性的射线?放射性释放出的巨大能量来自哪里?实验结果迫使研究者得出一个惊人的结论——放射性物质会转变为其他物质。化学元素不是永恒不变的!
以这个新发现为起点,许多国家的科学家共同努力,创建了一门新科学,空前数量的女性也进入到这个领域。放射性深刻地改变了科学和社会,它让渴盼奇迹的普通民众兴奋不已,也将许多科学家送上了诺贝尔奖的领奖台。但直到20世纪20年代末,那些天才的研究者也未能解开这一新现象背后的奥秘,而将这些未解之谜留给了新一代的科学家。他们将另辟蹊径,书写出另一段新的科学传奇。
玛乔丽·C·马利著的这本《放射性秘史(从新发现到新科学)》展示了一段魅力非凡的历史,生动地再现了科学家在研究放射性时遇到的纠结、转机、惊喜和失败,并引导读者思考更宽广的议题——科学的本质。
《放射性秘史(从新发现到新科学)》,玛乔丽·C·马利就放射性这门神秘科学所写的通史,史料充足,文笔清晰,填补了相关领域的空白。这本书既避免了技术细节,又成功地将历史中的科学、人物、文化、政治等方面结合起来,对于科学史家、各级科学教师、其他领域的科学家以及普罗大众都充满了吸引力。