同位素化學(xué)發(fā)展史上的三個(gè)里程碑

摘要： 通過(guò)對(duì)同位素化學(xué)的發(fā)展歷程分析可知，同位素化學(xué)發(fā)展史上有三個(gè)重要的里程碑： 一是索迪發(fā)現(xiàn)放射性元素位移規(guī)則，提出同位素假說(shuō);二是阿斯頓發(fā)明質(zhì)譜儀，使同位素現(xiàn)象的普遍性得到證實(shí);三是查德威克發(fā)現(xiàn)中子，揭示了同位素現(xiàn)象的微觀(guān)本質(zhì)。同位素化學(xué)的發(fā)展，伴隨著科學(xué)儀器的發(fā)明、科學(xué)方法的創(chuàng)新以及科學(xué)思想的演進(jìn)。

關(guān)鍵詞： 同位素化學(xué); 索迪; 阿斯頓; 查德威克; 化學(xué)史

文章編號(hào)： 10056629（2022）01008405

中圖分類(lèi)號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

元素觀(guān)和微粒觀(guān)是自古以來(lái)人們認(rèn)識(shí)物質(zhì)的基本觀(guān)念。隨著科學(xué)思想的發(fā)展，基于哲學(xué)思辨的古代元素觀(guān)和微粒觀(guān)逐漸發(fā)展為基于實(shí)證的近代化學(xué)元素觀(guān)和微粒觀(guān)。至1808年，英國(guó)化學(xué)家道爾頓（J. Dalton， 1766～1844）在《化學(xué)哲學(xué)新體系》（A New System of Chemical Philosophy）中闡明了原子論思想：“相同元素的原子形狀和大小都一樣，不同元素的原子則不同;每種元素的原子重量都是固定的、不變的，原子的相對(duì)重量是可以測(cè)定的。[1]”此后，直至19世紀(jì)末，伴隨著原子不可分的觀(guān)點(diǎn)，人們一直認(rèn)為一種元素只有一種原子，并把原子量視為原子的基本特征。

20世紀(jì)初，電子的發(fā)現(xiàn)使原子不可分的范式宣告終結(jié)，科學(xué)認(rèn)識(shí)開(kāi)始深入到原子內(nèi)部，關(guān)于元素的認(rèn)識(shí)也開(kāi)始更新?？茖W(xué)家通過(guò)原子量的測(cè)定發(fā)現(xiàn)一種元素竟然可以有兩種或兩種以上的原子。由此，英國(guó)化學(xué)家索迪（F. Soddy， 1877～1956）提出了同位素假說(shuō)，并逐漸形成一門(mén)新興學(xué)科——同位素化學(xué)（isotope chemistry）。這門(mén)學(xué)科的興起使化學(xué)元素觀(guān)和微粒觀(guān)有了新的內(nèi)涵。

關(guān)于同位素化學(xué)發(fā)展史，目前國(guó)內(nèi)外已有一些個(gè)案研究，如“Frederick Soddy： From Alchemy to Isotopes”[2]“1922年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者——阿斯頓”[3]“哈羅德·尤里和氚的發(fā)現(xiàn)”[4]“索迪及其對(duì)放射化學(xué)的貢獻(xiàn)”[5]等。然而，迄今為止，尚未見(jiàn)到從整體的角度考察同位素化學(xué)發(fā)展史的專(zhuān)門(mén)研究。為此，本文擬通過(guò)梳理翔實(shí)的史料，對(duì)此進(jìn)行深入的考證分析。

1 索迪發(fā)現(xiàn)放射性元素位移規(guī)則，提出同位素假說(shuō)

1921年，由于對(duì)放射性物質(zhì)的化學(xué)知識(shí)和同位素的起源及性質(zhì)研究方面的貢獻(xiàn)，諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了牛津大學(xué)化學(xué)教授索迪[6]。

索迪于1877年9月2日出生于英吉利海峽沿岸的一個(gè)小城市伊斯特本（Eastbourne）。索迪在伊斯特本學(xué)校上學(xué)時(shí)開(kāi)始對(duì)化學(xué)感興趣。1896年，他在牛津大學(xué)（Oxford）攻讀本科，在那里他活躍于初級(jí)化學(xué)學(xué)會(huì)（Junior Chemical Society）。他的科學(xué)興趣之一是物質(zhì)的嬗變（transmutation），這是歷史上煉金術(shù)士（alchemists）的目標(biāo)。他于1898年以?xún)?yōu)異成績(jī)畢業(yè)，但一直留在牛津，直到1900年夏天去了加拿大。

索迪到加拿大后，很快在蒙特利爾（Montreal）麥吉爾大學(xué)（McGill University）的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室找到一份做實(shí)驗(yàn)室講師（lab instructor）的工作。當(dāng)時(shí)，在麥吉爾大學(xué)工作的物理學(xué)教授盧瑟福（Ernest Rutherford， 1871～1937）正想找一位化學(xué)家來(lái)協(xié)助他進(jìn)行放射性研究工作。盡管兩人都有很強(qiáng)的個(gè)性，但對(duì)放射性的共同興趣促成了他們的成功合作[7]。

在研究的早期，他們用驗(yàn)電器（electroscope）測(cè)量釷樣品的放射性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室門(mén)關(guān)閉時(shí)，強(qiáng)度最大;門(mén)打開(kāi)時(shí)，強(qiáng)度最小。盧瑟福和索迪仔細(xì)考察了這些奇怪的結(jié)果后，發(fā)現(xiàn)釷正在產(chǎn)生一種放射性氣體。他們研究發(fā)現(xiàn)這種氣體不是由釷直接產(chǎn)生的，涉及一種中間物質(zhì)。索迪和盧瑟福懷疑其中有新的放射性元素，稱(chēng)之為釷X（thorium X）。當(dāng)用純硝酸釷重復(fù)試驗(yàn)時(shí)，結(jié)果仍然顯示有釷X的存在。

經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的仔細(xì)測(cè)量和試驗(yàn)的證據(jù)使索迪確信有一些新的、化學(xué)性質(zhì)不同的物質(zhì)正在形成。他和盧瑟福檢查了溫度和溶液條件變化的影響，看它們的結(jié)果是否與化學(xué)變化有關(guān)，但新物質(zhì)的產(chǎn)生速度不受影響。1902年，盧瑟福和索迪宣布了一個(gè)革命性的新理論：“放射性是一種原子現(xiàn)象，同時(shí)伴隨著產(chǎn)生新物質(zhì)的化學(xué)變化?！彼鞯嫌脽捊鹦g(shù)士的術(shù)語(yǔ)“嬗變”來(lái)描述他們的理論。

后來(lái)，索迪對(duì)鐳也產(chǎn)生氣體的現(xiàn)象感到好奇，并于1903年3月離開(kāi)盧瑟福，到倫敦與化學(xué)家拉姆塞（W. Ramsay， 1852～1916）一起工作。索迪首先關(guān)心的是為自己的調(diào)查找到純鐳的來(lái)源。到達(dá)后不久，他偶然發(fā)現(xiàn)一家商店出售的純溴化鐳每毫克7先令6便士。盡管這個(gè)價(jià)格有點(diǎn)貴，但索迪立即訂購(gòu)了20毫克。索迪記錄道：“有了這20毫克，再加上另外一批由盧瑟福借給的32毫克……”。1903年7月8日，索迪和拉姆塞通過(guò)光譜研究證明，氦氣是放射性衰變的產(chǎn)物。索迪認(rèn)為氦是以α粒子的形式產(chǎn)生的。1908年，盧瑟福證實(shí)了索迪的理論。索迪還確認(rèn)，釷和鐳產(chǎn)生的神秘放射性氣體是另一種惰性氣體。它現(xiàn)在被稱(chēng)為氡220。這是元素自然嬗變的第一個(gè)明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)[8]。

1910年，在提取新釷（mesothorium）的氯化物時(shí)，索迪發(fā)現(xiàn)從樣品中的鈾（the uranium in his sample）中也提取了氯化鐳和釷X的氯化物。在仔細(xì)評(píng)估了他的結(jié)果之后，索迪得出結(jié)論，新釷（mesothorium）、鐳和釷X在化學(xué)上是相同的。1912年初，他邀請(qǐng)一位年輕的格拉斯哥化學(xué)家弗萊克（A. Fleck）與他合作，確定公認(rèn)的放射性中間體的化學(xué)性質(zhì)。他們發(fā)現(xiàn)了更多化學(xué)上相同、壽命較短的放射性元素，有些元素化學(xué)上不可分離，光譜上相同，但奇怪的是，它們以不同的方式分解[9]。

在放射性衰變過(guò)程中，檢測(cè)到約40～50種不同元素，但周期表中容納這些元素的位置不超過(guò)10～12個(gè)。1910年，索迪提出不同元素能夠占據(jù)元素周期表中的同一位置，并提出了同位素的概念，但還沒(méi)有形成同位素的術(shù)語(yǔ)（the term of isotopy）[10]。

1913年，索迪在提出他的位移定律時(shí)，給混亂帶來(lái)了秩序。他認(rèn)識(shí)到，當(dāng)一個(gè)α粒子被排出時(shí)，一個(gè)元素在周期表上向較低質(zhì)量的方向移動(dòng)了兩個(gè)位置;然后，兩個(gè)β粒子的損失將使元素返回其原始位置。當(dāng)元素回到周期表上的“同一位置”時(shí)，從化學(xué)和光譜上來(lái)說(shuō)，它將是原來(lái)的同一個(gè)元素，但它的重量會(huì)有所不同。同年，在索迪岳父（一位工業(yè)化學(xué)家）舉辦的一次晚宴上，大家討論了索迪的新概念，一位家庭朋友瑪格麗特·托德博士（Dr. Margaret Todd）提出了同位素（isotope）這個(gè)名字（來(lái)自希臘語(yǔ)，isos topos，意思是“同一個(gè)地方”），指化學(xué)上相同但重量不同的原子[11]。至此，同位素假說(shuō)正式形成，同位素化學(xué)開(kāi)始發(fā)展。

2 阿斯頓發(fā)明質(zhì)譜儀，證實(shí)同位素現(xiàn)象的普遍性

1922年，第19屆諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給劍橋三一學(xué)院院士阿斯頓（F.W. Aston， 1877～1945），“因?yàn)樗觅|(zhì)譜儀發(fā)現(xiàn)了大量非放射性元素中的同位素，并闡明了整數(shù)法則（the wholenumber rule）”[12]。

阿斯頓于1877年9月1日出生于英國(guó)伯明翰的哈伯納（Harbonne）一個(gè)商人之家。他1891年開(kāi)始在莫爾文學(xué)院學(xué)習(xí)，1893年進(jìn)入梅森學(xué)院學(xué)習(xí)自然科學(xué)。在梅森學(xué)院，他受到著名的化學(xué)家蒂爾登（W.A. Tilden）、弗蘭克蘭（P.F. Frankland）和物理學(xué)家坡印亭（J.H. Poynting）的指導(dǎo)。1898年，他在弗蘭克蘭指導(dǎo)下進(jìn)行了酒石酸衍生物光學(xué)性質(zhì)研究，發(fā)表了2篇有機(jī)化學(xué)方面的研究論文，并掌握了精準(zhǔn)的吹玻璃技術(shù)，這為他日后的科學(xué)研究打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[13]。

1903至1908年，他在伯明翰大學(xué)成為玻印亭的研究生兼實(shí)驗(yàn)助手，1909年升為物理學(xué)講師。阿斯頓在實(shí)驗(yàn)儀器制作和實(shí)驗(yàn)技巧上有著非凡的才能，這使玻印亭對(duì)他非常器重。1910年，時(shí)任卡文迪許實(shí)驗(yàn)室主任的英國(guó)物理學(xué)家湯姆遜（J.J. Thomson， 1856～1940）急需聘任一個(gè)擅長(zhǎng)制作儀器并有一定實(shí)驗(yàn)技術(shù)的助手。為了阿斯頓有更快的發(fā)展和更好的前途，玻印亭十分慷慨地把阿斯頓推薦給湯姆遜。這樣，阿斯頓來(lái)到了這個(gè)人才輩出的卡文迪許實(shí)驗(yàn)室，開(kāi)始了新的科研生涯。

繼1897年湯姆遜通過(guò)研究陰極射線(xiàn)發(fā)現(xiàn)電子后，奧地利物理學(xué)家維恩（W. Wien， 1864～1928）于1898年又發(fā)現(xiàn)，不僅陰極射線(xiàn)在磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)中發(fā)生偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象，某些正離子流也同樣受磁場(chǎng)和靜電場(chǎng)的影響。這種從氣體放電管中引出的正離子流被稱(chēng)為陽(yáng)射線(xiàn)。1905年，湯姆遜又開(kāi)始研究陽(yáng)射線(xiàn)，他使用的儀器是磁分析器（圖1）。

在研究中他發(fā)現(xiàn)，把氖充入放電管做實(shí)驗(yàn)時(shí)，在磁場(chǎng)或靜電場(chǎng)作用下，出現(xiàn)了兩條陽(yáng)射線(xiàn)的拋物線(xiàn)軌跡。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步研究，他又測(cè)出這兩條拋物線(xiàn)所表征的原子量各為20和22。這與當(dāng)時(shí)公認(rèn)氖的原子量20.18相矛盾。對(duì)此，湯姆遜的解釋為，前者是氖的單質(zhì)，而后者可能是氖與氫組成的特殊分子NeH2，它的分子量恰好是22。事實(shí)上，當(dāng)時(shí)正值索迪提出同位素概念（1913年），但是湯姆遜對(duì)這一概念持否定的態(tài)度，并因此失去了新發(fā)現(xiàn)的良機(jī)。他的助手阿斯頓則幸運(yùn)地得到這個(gè)良機(jī)。

湯姆遜讓阿斯頓改進(jìn)當(dāng)時(shí)他做陽(yáng)射線(xiàn)研究的氣體放電實(shí)驗(yàn)裝置，以更準(zhǔn)確地測(cè)定陽(yáng)射線(xiàn)在電磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)度，從而來(lái)決定氖的組成和其原子量。阿斯頓制造了一個(gè)球形放電管和帶切口的陰極，改進(jìn)了真空泵，發(fā)明了可以檢查放電管真空泄漏的螺管和拍攝拋物線(xiàn)軌跡的照相機(jī)。同時(shí)，他們將電場(chǎng)和磁場(chǎng)前后排列，二者的方向相互垂直，還使它們的作用力與陽(yáng)射線(xiàn)平行而方向相反。在這種實(shí)驗(yàn)裝置中，陽(yáng)射線(xiàn)在兩種場(chǎng)的作用下，經(jīng)過(guò)不同玻璃制造的棱鏡后，分別向相反方向偏斜，然后又聚焦到同一點(diǎn)上，使感光底片感光，被檢測(cè)的氣體元素的同位素會(huì)因?yàn)樵恿坎煌?yáng)射線(xiàn)的速度也不同，致使其偏斜后的曲線(xiàn)曲率也不同。據(jù)此就可以測(cè)出同位素及其原子量。

阿斯頓認(rèn)同并采用了索迪的同位素概念，用以解釋他在實(shí)驗(yàn)中的發(fā)現(xiàn)。陽(yáng)射線(xiàn)在電磁場(chǎng)作用下出現(xiàn)兩條拋物線(xiàn)軌跡，表明同位素確實(shí)存在。由于同位素的質(zhì)量不同，所以擴(kuò)散時(shí)的速度也不同，固而出現(xiàn)兩條拋物線(xiàn)軌跡。為了更清楚地證實(shí)這一點(diǎn)，他先用分餾技術(shù)，然后又用擴(kuò)散法，將氖同位素進(jìn)行分離，最后再精確地測(cè)定它們的原子量，證實(shí)了20Ne和22Ne的存在。1913年在全英科學(xué)促進(jìn)會(huì)的會(huì)議上，阿斯頓宣讀了論文，并做了實(shí)驗(yàn)演示，展示了兩種氖同位素的試樣。對(duì)于他的這項(xiàng)研究，同行們給予很高的評(píng)價(jià)。他也由此而獲得了麥克斯韋獎(jiǎng)。此后，阿斯頓開(kāi)始設(shè)想發(fā)明一種可以測(cè)定各種元素均有同位素存在的儀器。

1919年，盧瑟福接替了湯姆遜成為卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人。盧瑟福最早提出放射性元素的嬗變理論，因而對(duì)同位素的假說(shuō)是理解的。他對(duì)阿斯頓的工作給予了很大的鼓勵(lì)和具體的指導(dǎo)。阿斯頓根據(jù)他原先改進(jìn)的測(cè)定陽(yáng)射線(xiàn)的氣體放電裝置，又參照了當(dāng)時(shí)光譜分析的原理，對(duì)磁分析器作了改進(jìn)后，設(shè)計(jì)出一個(gè)包括有離子源、分析器和收集器三個(gè)部分組成的、可以分析同位素并測(cè)量其質(zhì)量及豐度的新儀器——質(zhì)譜儀（圖2）。這種精度極高的儀器使阿斯頓在同位素的研究中獲得了豐富的成果。

他首先使用這一新儀器對(duì)氖作重新測(cè)定，證明氖的確存在20Ne和22Ne兩種同位素，又因它們?cè)谀蕷庵械谋壤s為10∶1，所以氖元素的平均原子量約為20.2（后來(lái)的研究又發(fā)現(xiàn)氖存在第三種同位素21Ne，氖元素的平均原子量為20.18）。隨后，阿斯頓使用質(zhì)譜儀測(cè)定了幾乎所有元素的同位素。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，不僅放射性元素存在著同位素，而且非放射性元素也存在同位素，事實(shí)上幾乎所有的元素都存在著同位素。在阿斯頓之前，索迪等人都是根據(jù)放射性元素的衰變產(chǎn)物來(lái)證實(shí)同位素的存在。現(xiàn)在，在質(zhì)譜儀的幫助下，人們發(fā)現(xiàn)同位素的存在是個(gè)普遍的現(xiàn)象。阿斯頓在71種元素中發(fā)現(xiàn)了202種同位素。

阿斯頓運(yùn)用質(zhì)譜儀對(duì)眾多元素所作的同位素研究，不僅指出幾乎所有的元素都存在同位素，而且還證實(shí)自然界中的某元素實(shí)際上是該元素的幾種同位素的混合體，因此該元素的原子量也是依據(jù)這些同位素在自然界占據(jù)不同比例而得到的平均原子量。例如氯元素，自然界的氯有兩種同位素： 35Cl、 37Cl。其豐度為35Cl∶37Cl=3∶1，所謂豐度即同位素在自然界該元素中所占的百分比。所以氯的原子量既不是整數(shù)的35，也不是37，而是35.46。大多數(shù)元素的原子量為什么不是整數(shù)，原因就在這里。因此，阿斯頓提出了原子量的整數(shù)法則（the wholenumber rule，元素的各種同位素的原子量均為整數(shù)）。后來(lái)，隨著質(zhì)子、中子等基本粒子逐漸被發(fā)現(xiàn)，原子結(jié)構(gòu)秘密也被揭開(kāi)，元素質(zhì)量的整數(shù)法則也得到了理論上的證明。

后來(lái)，阿斯頓又制成了三臺(tái)質(zhì)譜儀，其倍率達(dá)兩千倍，精度達(dá)十萬(wàn)分之一。現(xiàn)在通過(guò)質(zhì)譜儀，已測(cè)出地球上存在的同位素達(dá)489種，其中穩(wěn)定同位素有264種，天然放射性同位素有225種。此外還發(fā)現(xiàn)人工放射性同位素達(dá)2000多種。阿斯頓的著作有《同位素》（1922年）和《質(zhì)譜與同位素》[14]。

阿斯頓發(fā)明了質(zhì)譜儀，證明了同位素現(xiàn)象的普遍性，使同位素化學(xué)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。至此，人們對(duì)化學(xué)元素這一概念有了新的認(rèn)識(shí)，原先元素與原子等同的觀(guān)念不適用了。元素周期表中的一個(gè)元素符號(hào)不再是只代表一種確定的元素，而是代表一類(lèi)原子的集合。然而，從索迪到阿斯頓，均未揭示同位素現(xiàn)象的本質(zhì)原因。

3 查德威克發(fā)現(xiàn)中子，揭示同位素現(xiàn)象的本質(zhì)

1935年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)?lì)C給了1932年在人工核反應(yīng)中發(fā)現(xiàn)中子的英國(guó)物理學(xué)家查德威克（J. Chadwick， 1891～1974）。中子的發(fā)現(xiàn)加深了人們對(duì)原子核的認(rèn)識(shí)，也讓人們從原子核內(nèi)部弄清了為什么會(huì)出現(xiàn)同位素現(xiàn)象。

1911年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福（E. Rutherford， 1871～1937）通過(guò)α粒子散射實(shí)驗(yàn)的結(jié)果提出了原子結(jié)構(gòu)的核式模型。1919年，盧瑟福做了用鐳的同位素產(chǎn)生的α粒子轟擊氮原子核的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)了帶正電荷的質(zhì)子（proton）。那么，這些帶有同種電荷的質(zhì)子在原子核那樣微小的空間中如何消解彼此間的強(qiáng)排斥力？盧瑟福等人認(rèn)為原子結(jié)構(gòu)中的電子分兩部分，一部分在核內(nèi)用于中和核內(nèi)的正電荷，另一部分電子存在于核心的外圍。在中性原子內(nèi)，這些外圍電子所帶的負(fù)電荷總數(shù)必須與核內(nèi)的純凈的正電荷數(shù)相等[15]。但盧瑟福的學(xué)生、英國(guó)物理學(xué)家莫塞萊（H.G.J. Moseley， 1887～1915）注意到，原子核所帶正電荷數(shù)與原子序數(shù)相等，但原子量比原子序數(shù)大，這說(shuō)明，如果原子核僅僅由質(zhì)子和電子組成，它的質(zhì)量是不夠的，因?yàn)殡娮拥馁|(zhì)量可忽略不計(jì)。此外，當(dāng)時(shí)科學(xué)界對(duì)盧瑟福的原子結(jié)構(gòu)模型存在疑問(wèn)： 電子究竟以什么狀態(tài)存在于原子核內(nèi)？

針對(duì)上述困境，盧瑟福于1920年6月在著名的貝克爾演講（Bakerian Lecture）中闡述了他的思想：“在某些條件下，一個(gè)電子有可能更緊密地與H核結(jié)合，從而形成一個(gè)中性偶極子（doublet，質(zhì)子電子對(duì)）。這樣一個(gè)粒子將具有很異常的特性。它的外部電場(chǎng)實(shí)際上將等于零，除非特別靠近它的核。因此，它能夠很自由地通過(guò)物質(zhì)?！北R瑟福還聲稱(chēng)：“要解釋重元素核的構(gòu)成，這種粒子的存在看來(lái)是必不可少的?！睘榱藱z驗(yàn)盧瑟福的假說(shuō)，盧瑟福的學(xué)生查德威克從1921年開(kāi)始在卡文迪許實(shí)驗(yàn)室里一直在尋找這種電中性粒子。他試圖設(shè)計(jì)一種加速方法使質(zhì)子獲得很高的能量，從而撞擊原子核，以發(fā)現(xiàn)有關(guān)中性粒子的證據(jù)，但歷經(jīng)十年研究沒(méi)有結(jié)果。

1930年，德國(guó)物理學(xué)家博特（W. Bothe， 1891～1957）和他的學(xué)生貝克爾（H. Becker）用α粒子轟擊較輕的元素，特別是轟擊鈹時(shí)，發(fā)現(xiàn)從鈹中發(fā)射出一種強(qiáng)度不大但穿透力極強(qiáng)的射線(xiàn)。這種射線(xiàn)在電場(chǎng)和磁場(chǎng)中都不發(fā)生偏轉(zhuǎn)（因而不帶電），被稱(chēng)作是鈹輻射。根據(jù)當(dāng)時(shí)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的各種輻射的研究，α射線(xiàn)和β射線(xiàn)都沒(méi)有這么強(qiáng)的穿透力，唯一能穿透鉛板且在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)方向不發(fā)生偏轉(zhuǎn)的只有γ射線(xiàn)。因此這兩位物理學(xué)家錯(cuò)誤地在實(shí)驗(yàn)記錄上寫(xiě)下“發(fā)現(xiàn)高能γ量子”[16]。

1932年1月，巴黎居里實(shí)驗(yàn)室的約里奧居里夫婦（F.J. Curie， 19001958; I.J. Curie， 1897～1956）用強(qiáng)釙源重復(fù)了博特的實(shí)驗(yàn)。博特使用的探測(cè)器是蓋革（H. Geiger）計(jì)數(shù)管，約里奧居里夫婦用了一個(gè)頂上有薄窗的電離室。在窗的上方可以放置各種材料做成的板以研究吸收。他們證實(shí)了這種射線(xiàn)的吸收數(shù)非常?。创┩改芰μ貏e強(qiáng)）。另外，他們意外地觀(guān)測(cè)到博特的γ射線(xiàn)能在石蠟、玻璃紙等含氫物質(zhì)中能打出能量很高的質(zhì)子（正是用了薄窗的緣故，才能觀(guān)察到它們），接著用云室也證實(shí)了這一現(xiàn)象，還觀(guān)察到可以打出其他原子核（氫核、氦核和氮核）的現(xiàn)象。他們夫婦在文章中把這一現(xiàn)象初步解釋為類(lèi)似于γ射線(xiàn)在電子上散射的康普頓效應(yīng)。他們已經(jīng)“在事實(shí)上發(fā)現(xiàn)”了中子?？上У氖?，他們夫婦并沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，在理論上沒(méi)有及時(shí)地跨出這一步[17]。

約里奧居里夫婦的實(shí)驗(yàn)對(duì)查德威克的研究工作有極大的啟發(fā)。當(dāng)查德威克從《通報(bào)》（Comptes Rendus）上看到約里奧居里夫婦的文章時(shí)，他直覺(jué)地意識(shí)到，那種不帶電的鈹輻射可能就是自己苦苦尋找的中性粒子。1932年，他自己嘗試做了相類(lèi)似的實(shí)驗(yàn)，因此確信所謂的“鈹輻射”是一些運(yùn)動(dòng)急速而不帶電荷的粒子流，粒子質(zhì)量大約相當(dāng)于一個(gè)質(zhì)子。除了石蠟外，他還試著用其他的靶，包括氦、氮和鋰，這有助于他確立新粒子的質(zhì)量只比質(zhì)子的質(zhì)量多一點(diǎn)點(diǎn)。查德威克還注意到，因?yàn)橹凶游磶щ姾桑运鼈兛梢源┩高M(jìn)靶內(nèi)的程度遠(yuǎn)比質(zhì)子深得多[18]。他稱(chēng)這種不帶電荷的粒子為中子（neutron）。在做過(guò)僅僅兩周的實(shí)驗(yàn)后，查德威克于1932年2月17日寫(xiě)信給《自然》（Nature）雜志，發(fā)表了他的論文“中子可能存在”，離約里奧居里的文章不到一個(gè)月。同年5月，在《英國(guó)皇家學(xué)會(huì)通報(bào)》上他又發(fā)表了題為“中子的存在”一文，詳細(xì)報(bào)告了實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析。此發(fā)現(xiàn)很快地得到玻爾（Niels Bohr， 1885～1962）和海森堡（Werner Heisenberg， 1907～1976）的認(rèn)同。查德威克還測(cè)量了中子的質(zhì)量，并下結(jié)論說(shuō)： 中子是一種核粒子，而不是盧瑟福預(yù)言的質(zhì)子—電子對(duì)[19]。

查德威克發(fā)現(xiàn)中子的成果發(fā)表后，博特為自己發(fā)現(xiàn)了“鈹輻射”卻沒(méi)有認(rèn)識(shí)到它就是中子而深感遺憾;約里奧居里夫婦更是以此為戒。曾經(jīng)師從約里奧居里夫婦的我國(guó)物理學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)回憶說(shuō)：“我清楚地記得，有一天在洗云室照片時(shí)，約里奧先生和我說(shuō)起這段往事說(shuō)‘真是笨死了！所有的證據(jù)已經(jīng)擺在那里了，我們?cè)趺磿?huì)想不到這一點(diǎn)呢！，反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)者之一薛格雷（Emilio Segre， 1905～1989）說(shuō)得好‘在沒(méi)有思想準(zhǔn)備的時(shí)候，眼睛是認(rèn)識(shí)不到的。[20]”

中子的發(fā)現(xiàn)揭示了同位素的微觀(guān)本質(zhì)： 質(zhì)子數(shù)相同但中子數(shù)不同的原子互稱(chēng)同位素。這些原子有相同的電子結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)相同。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上分析可知，同位素化學(xué)的發(fā)展史中有三個(gè)重要的里程碑： 一是索迪發(fā)現(xiàn)放射性元素位移規(guī)則，提出同位素假說(shuō);二是阿斯頓發(fā)明質(zhì)譜儀，使同位素現(xiàn)象的普遍性得到證實(shí);三是查德威克發(fā)現(xiàn)中子，揭示了同位素現(xiàn)象的微觀(guān)本質(zhì)。此后，同位素化學(xué)日益發(fā)展成熟，并不斷涌現(xiàn)出造福人類(lèi)的新成果?？傊凰鼗瘜W(xué)發(fā)展史不僅是一門(mén)學(xué)科的發(fā)展史，也是科學(xué)儀器的發(fā)明史、科學(xué)方法的創(chuàng)新史以及科學(xué)思想的演進(jìn)史。

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