1.  卢瑟福确定α射线的本质
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卢瑟福对放射性辐射的分类很快就得到了同行的公认，并运用于放射性的研究中。后来陆续有新的认识，但是α射线的本质却难以判断。1900 年，皮埃尔·居里从游离作用发现，不同的放射性元素放出的α射

线在空气中穿越的距离不一样，钋放出的走 4 厘米，镭放出的走 6.7 厘米。4 种不同的镭盐，尽管其活性和化学性质各不相同，发出的α射线却射程相同，都是 6.7 厘米。与此同时，居里夫人发现游离的衰减率不是常数，随距离的增大而增大，与一般射线的规律不符。据此，居里夫人认为，“α射线的行为就象弹丸那样，在前进中会由于克服阻力而失去动能。”斯特拉特猜测，这种“不可偏的射线（即α射线）可能是某种带正电的快速粒子，其质量大到和原子一样，正是由于质量远大于电子，所以在磁场中运动方向不显示偏折。卢瑟福赞同他们的看法，认为问题的关键在于用实验证明α射线在磁场中确有偏转，哪怕偏转很小，也能作出判决性的结论。他大概从 1901 年起就开始做这项试验，用当时他能获得的最强的电磁铁，做了一年多却毫无成功的迹象，但他相信居里和斯特拉特的粒子假说是言之有据的。1903 年，他终于用自制的简易仪器，但却是精心设计的实验，判定α射线确受磁场偏转，从方向上判断是带正电荷，接着又从电场和磁场的共同作用，初步测出荷质比与氢离子同数量级，速度大约为光速的十分之一。这样就判明了α射线是原子类型的带正电的粒子流。

■图 11−1 卢瑟福的光谱实验

至于是哪种类型的原子，则一时难以确定，根据种种现象和事实，有人猜测是比氢重的氦。用计数的方法已经测出，α粒子的电荷是电子的两倍。再从荷质比的数据可以推得，其质量是氢原子的 4 倍，这正是氦离子的参数。含铀和含钍的矿石往往伴随有氦气，一经加热就会释放出来，似乎暗示铀、钍等放射性元素在自发衰变中会生成新的元素—— 氦。但是也有人说，这种氦气也许是在α粒子轰击之下驱赶出来的。又是卢瑟福，他于 1909 年以巧妙的方法从光谱作出了判决。方法是用一极薄的玻璃管密封着镭射气（一种镭衰变后生成的放射性气体），玻璃薄

到这样的程度以至于α粒子可以穿越无阻，而普通气体分子却不能。他把这支射气管装在另一大玻璃器皿中，然后用水银驱赶含α粒子的气体至一放电管，进行放电试验。经光谱分析找到了氦的特征谱线。卢瑟福和他的学生罗依兹(T.Royds）写道①：“实验作出了判决性的证明，证明α粒子在失去电荷之后就是氦原子。”

确定α射线的本质对认识放射性元素的衰变规律有很重要的意义，因为从此就可以对衰变规律作出全面解释。这就是为什么卢瑟福狠抓α 射线不放的目的所在。

放射性衰变规律的发现

放射性衰变规律是大量实验事实的总结，它是核物理学早期发展的重要基石之一。这些规律的发现与卢瑟福及其合作者运用实验进行探索的研究方法有密切关系。早在 1899 年，皮埃尔·居里发现镭和钍可以使周围的物质获得暂时的放射性，他称之为感生放射性。他注意到，感生放射性的强度会随时间变化，开始逐渐增加直至达到某一限度，该限度不依赖这些物质的种类，只和放射源有关。他认为，这是放射性引起的二次放射。如果把这些物质加热或置于真空中，感生放射性就会减轻。1900 年，克鲁克斯也发现：如果氢氧化铁在铀盐溶液中沉淀，所有的放射性都到沉淀物上，而铀却没有放射性，几天后，沉淀物失去了放射性，铀又恢复了放射性。

诸如此类令人迷惑的现象层出不穷。怎样才能拨开迷雾见到光明呢？

1899 年，卢瑟福来到加拿大麦克吉尔大学后，电机系的一位教授欧文斯(R.B.Owens，1870—1940)曾一度和他合作，共同研究钍的放射性，他们选取氧化钍作为试验对象，和卢瑟福一年前一样，用的是测量游离电流的方法。欧文斯发现这种材料和铀盐大不一样，游离电流极不稳定，他怀疑是由于空气扰动，于是改用密闭的游离室。游离电流的测量虽然稳定了下来，但却发现了新的现象。欧文斯注意到需要经过一段时间才能达到最大值，如果开启小门，电流下降，但经过一段时间，又会恢复到最大值。这件事情引起了卢瑟福的注意。通过试验，他证实是氧化钍会放出一种具有放射性的气体，他称之为钍射气，正是由于钍射气的散布，影响了游离电流的稳定性。后来，他和化学家索迪(F.Soddy，1877

—1956)合作继续研究射气的产生和效应，证明钍射气是一种很重的惰性气体。不久，德国物理学家唐恩(F.E.Dorn)发现了镭射气，1905 年盖赛尔(F.O.Giesel）发现锕射气。

卢瑟福从钍射气的研究中发现它的放射性衰减得很快。后来查明，所有放射性物质都有这一特性，只是时间长短不同。为了定量表征这一

① E.Rutherford and T.Royds, Phil. Mag.17(1900)p.281

特性，卢瑟福引用了半衰期一词。他还发现，放射性的强度随时间的变化遵守如下规律：

I = I e^−λt

I 是原来强度为 I0 的放射性经时间 t 后的强度，λ叫做衰减系数，与放射性物质有关。

射气的发现的事实完全解释了“感生放射性”，原来是镭或铀衰变

为射气后，逐渐扩散到周围，附在周围物体的表面上，并且随着时间的推移，射气的量和活性逐渐达到最高值而趋于平衡。

■图 11−2 放射性的衰变曲线

至于克鲁克斯发现的铀盐沉淀物，也可作类似的解释。当时克鲁克斯判断，在沉淀物中有一很少的成分，它可以获得铀盐的全部活性。由于对这种成分毫无了解，所以克鲁克斯称之为铀 X。他还发现，铀 X 的活性会逐渐衰减，而剩余的铀却逐渐恢复活性。经过足够长的时间又可以从铀分离出活性的铀 X。

卢瑟福和索迪注意到了克鲁克斯的实验，他们发现钍也有类似变化。1901 年末，索迪从氢氧化钍溶液中分离出放射性很强的物质，他仿照克鲁克斯，称之为钍 X，分离后的氢氧化钍几乎失去了放射性。再过一

些时候，钍 X 的放射性完全消失，氢氧化钍则恢复了放射性。他们判断，这件事说明钍放射性实际上是钍 X 的生成和衰变的总和，两者都作指数变化，一个上升，一个下降，总和则保持常值。据此，他们进一步提出了放射性元素衰变的理论。1902 年 9 月—1903 年 5 月间，他们连续发表了 6 篇论文，主要的论点是：

在放射性元素镭、钍和铀中连续产生新物质，这些新的物质自身也是放射性；
当几个变化一起发生时，它们不是同时的，而是相继的，即钍产生钍 X，钍 X 产生钍射气等等；
放射性现象包含下列过程：一部分原子自发衰变为不同性质的原子，这类变化性质上与以前在化学中涉及的任何变化都不同，因为能量来自与化学反应无关的原子内部。
单位时间衰变的原子数与在场的尚未衰变的原子数 Nt 有确定的

比例。比值λ是放射性物质的特征常数，即：

dNt

= −λN t

发出的射线是原子变为下一代原子的伴生物，实际也是变化的结果。

1903—1905 年，卢瑟福证实，镭射气之后还有一些成员，1903 年夏发现镭 A、镭 B 和镭 C，1905 年又发现镭 D、镭 E 和镭 F。他猜测，这些生成物中必有一个与钋等同，后来证明镭 F 就是钋。最引人注目的是镭 B 的发现，因为那时没有发现在其转变为镭 C 时有任何辐射，无法证明它

的存在，唯一的理由是，如果假设镭 C 是镭 A 的直接生成物，就违背了1902—1903 年的放射性衰变规律。

放射性衰变规律的提出，引起了这样的疑问：镭既然是从自然界的铀矿中发现的，就应是铀的后代。铀是原子量高于镭的少数几个元素之一，而镭在沥青铀矿中的比例，大体上与镭和铀的活性之比相符。1904 年，索迪做实验证明，镭并不是铀的直接产物。而卢瑟福的助手、耶鲁大学的波尔特武德(B.B.Boltwood，1870—1927)经过多年试验，终于在1907 年，成功地证明了镭是一种新发现的放射性元素的直接后代。他把这个新元素取名为锾(Ionium)，这个新元素是从铀衍生出来的。

由于放射性系的新成员不断被发现，人们看到往往有两个或三人不同的元素有相同的化学特性，在周期表中属于同一位置。例如：曾经一度与卢瑟福合作，后来到伦敦大学拉姆赛(WilliamRamsay)处工作的哈恩(OttoHahn)发现钍 X 的母体，他命名为镭一钍。这种成分无法用化学方法跟钍分开。卢瑟福的另两名合作者鲁塞尔(A.S.Russell)和罗西(K.Rossi)也证明，锾的光谱无法与钍的光谱分辨开。然而，这三种物质的放射性质却迥异。原子量也不相同，化学上则是同一元素的不同形式。索迪等人对此进行了多年的研究，后来索迪称之为同位素。

同位素的存在有一引人注目的实例。放射性变化的最终产物是什么？早在 1905 年，卢瑟福就已经认为镭系的最终产物不象是氦，看来也许是铅，因为铅是铀−镭矿中含量最多的稳定成分。果然，这个建议被实验证实，还发现铅也是钍系的最终产物。然而，这两种铅的原子量并不相同。镭铅是 206，钍铅是 208，而普通铅的原子量却是 207.20。

1913 年，索迪、鲁塞尔和法詹斯(K. Fajans)提出位移定律。系统总结了原子衰变的规律。这个定律的内容是：发射α粒子的衰变使原子在周期表中下降两格（原子量减小），发射β粒子的衰变使原子上升一格，但原子量不变。

由于卢瑟福在这以前早就弄清了α粒子的性质，这一定律的物理实质就是不言而喻的了。

到此为止，原子转变的现象仅限于天然范围。人们自然要问，有没有可能用人工方法进行原子转变，以实现自古以来人类幻想中的“点金术”呢？