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鐳元素的發現過程

圖文 更新时间:2024-08-16 10:19:36

#423頭條知識節#

由于居裡夫人隻是理論上推測但無法證明新元素鐳,所以巴黎大學的董事會拒絕為她提供她所需要的實驗室、實驗設備和助理員,她隻能在校内一個無人使用的破舊大棚子裡進行實驗。她工作了四年,最初兩年做的是粗笨的化工廠的活兒:不斷地溶解分離。經過一千多個日夜的辛苦工作,8噸小山一樣的礦渣最後隻剩下小器皿中的一點液體,再過一會兒将結晶析成一小塊晶體,那就應該是元素鐳!當她滿懷希望地朝那隻小玻璃器皿中看時,她看到的隻是一團污迹。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)1

居裡夫人疲倦地回到家想找出失敗的原因:“如果我知道為什麼失敗,我就不會對失敗太在意了。為什麼隻是一團污迹,而不是一小塊白色或無色晶體呢?”沉思良久,她突然恍然大悟:也許鐳就是那個樣子,不像預測的那樣是一團晶體。他們起身跑到實驗室,還沒等開門,居裡夫人就從門縫裡看到了她偉大的“發現”:器皿裡不起眼的那團污迹,此時在黑夜中發出耀眼的光芒。這就是鐳——一種具有極強放射性的新被發現的元素!

瑪麗1867年出生于波蘭的華沙,高中畢業後,曾患了一年的精神疾病。由于是女性的原因,她不能在俄羅斯或波蘭的任何大學繼續進修,所以她做了幾年的家庭教師。最終,在她姐姐的經濟支持下移居巴黎,并在索邦學習數學和物理學。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)2

經過四年的努力後,瑪麗于巴黎大學取得物理及數學兩個碩士學位。在那裡,她成為了該校第一名女性講師。瑪麗在索邦結識了另一名講師——皮埃爾·居裡,就是她後來的丈夫。他們兩個經常在一起進行以瀝青鈾礦石為主的放射性物質的研究,因為這種礦石的總放射性比其所含有的鈾的放射性還要強。在研究過程中,她發現能放射出那種奇怪光線的不隻有鈾,因此,她做出大膽判斷:還有一種物質能夠放射光線,這種新的物質,也就是還未發現的新元素,隻是極少量地存在于礦物之中。居裡夫人把它定名為“鐳”,因為在拉丁文中,它的原意就是“放射”。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)3

當時很多科學家并不相信,認為居裡夫婦隻是一種假設,甚至有人說道:“如果真有那種元素,請提取出來,讓我們瞧瞧!”要提煉鐳元素,需要足夠的瀝青鈾礦,而這種礦很稀少,價格又很昂貴,他們根本無法得到。這件事後來傳到奧地利,迅速得到奧地利政府的支持,奧地利政府贈送他們一噸已提取過鈾的瀝青礦殘渣,這才開始了提取純鐳的實驗。

經過3年多的艱苦工作,居裡夫婦終于在1902年提煉出0.1克鐳鹽,接着又初步測定了鐳的原子量。由于這種元素的放射性比鈾強200萬倍,因而它不用借助任何外力,就會自然發光發熱。

貝克勒爾發現的射線,引起了居裡夫人極大興趣,射線放射出來的力量是從哪裡來的?居裡夫人看到當時歐洲所有的實驗室還沒有人對鈾射線進行過深刻研究,于是決心闖進這個領域。理化學校校長經過皮埃爾多次請求,才允許居裡夫人使用一間潮濕的小屋作理化實驗,在攝氏6度的室濕裡,她完全投入到鈾鹽的研究中去了。居裡夫人受過嚴格的高等化學教育,她在研究鈾鹽礦石時想到,沒有什麼理由可以證明鈾是惟一能發射射線的化學元素。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)4

她根據門捷列夫的元素周期律排列的元素,逐一進行測定,結果很快發現另外一種钍元素的化合物,也能自動發出射線,與鈾射線相似,強度也相像。居裡夫人認識到,這種現象絕不隻是鈾的特性,必須給它起一個新名稱。居裡夫人提議叫它放射性,鈾、钍等有這種特殊“放射”功能的物質,叫作“放射性元素”。

一天,居裡夫人想到,礦物是否有放射性?在皮埃爾的幫助下,她連續幾天測定能夠收集到的所有礦物。她發現一種瀝青鈾礦的放射性強度比預計的強度大得多。經過仔細的研究,居裡夫人不得不承認,用這些瀝青鈾礦中鈾和钍的含量,絕不能解釋她觀察到的放射性的強度。

這種反常的而且過強的放射性是哪裡來的?隻能有一種解釋:這些瀝青礦物中含有一種少量的比鈾和钍的放射性作用強得多的新元素。居裡夫人在以前所做的試驗中,已經檢查過當時所有已知的元素了。居裡夫人斷定,這是一種人類還不知道的新元素,她要找到它!

居裡夫人的發現吸引了皮埃爾的注意,居裡夫婦一起向未知元素進軍。在潮濕的工作室裡,經過居裡夫婦的合力攻關,1898年7月,他們宣布發現了這種新元素,它比純鈾放射性要強400倍。為了紀念居裡夫人的祖國——波蘭,新元素被命名為钋。1898年12月,居裡夫婦又根據實驗事實宣布,他們又發現了第二種放射性元素,這種新元素的放射性比钋還強。他們把這種新元素命名為“鐳”。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)5

可是,當時誰也不能确認他們的發現,因為按化學界的傳統,一個科學家在宣布他發現新元素的時候,必須拿到實物,并精确地測定出它的原子量。而居裡夫人的報告中卻沒有實物和鐳的原子量,手頭也沒有鐳的樣品。為了得到鐳,居裡夫婦必須從瀝青鈾礦中分離出鐳來。這種礦很稀少,礦中鈾的含量極少,價格又很昂貴,他們根本買不起。後來,他們得到了奧地利政府贈送的一噸已提取過鈾的瀝青礦的殘渣,開始了提取純鐳的實驗。

在一間簡陋的窩棚裡,居裡夫人要把上千公斤的瀝青礦殘渣,一鍋鍋地煮沸,還要用棍子在鍋裡不停地攪拌;要搬動很大的蒸餾瓶,把滾燙的溶液倒進倒出。就這樣,經過3年零9個月锲而不舍的工作,1902年,居裡夫婦終于從礦渣中提煉出0.1克鐳鹽,接着又初步測定了鐳的原子量。1898 年 12 月,根據同樣的方法,瑪麗·居裡和皮埃爾·居裡從瀝青鈾礦提取鈾後的礦渣中分離出氯化鐳,1907年測出鐳元素的新的原子量,1910年又用電解氯化鐳的方法制得了金屬鐳,它的英文名稱來源于拉丁文radius,含義是“射線”。

鐳在地殼中的含量為1×10-9%,至今已發現質量數為206~230的同位素中,除鐳223、鐳224、鐳226、鐳228是天然放射性同位素外,其餘都是用人工方法合成的。鐳存在于所有的鈾礦中,每2.8噸鈾礦中含1克鐳。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)6

居裡夫人怎麼樣也想不到,鐳的發現到後來會引發出一場巨大的災難。

當居裡夫人發現鐳以後,當時醫生發現接觸鐳能消滅腫瘤,這個是因為鐳的放射性能夠破壞人體内的惡性組織,但是鐳有劇毒,它能取代人體内的鈣并在骨骼中濃集,急性中毒時,會造成骨髓的損傷和造血組織的嚴重破壞,慢性中毒可引起骨瘤和白血病。不過當時,大家對于放射性的危害并不了解,人們隻知道這種放射性元素蘊含巨大的能量,就連發現者居裡夫人都每天把它帶在身上。

早在鐳單質被提取出來的那一年,居裡先生就用自己的手臂做了試驗,與鐳親密接觸了一段時間後,衰變産生的γ射線讓他的手臂開始發紅、表皮壞死、結痂,一個多月後才開始重新生長。而 1934 年,居裡夫人更是因為長期遭受鐳的輻射而早早去世。

然而在商人的逐利行為的推動下以及媒體的輿論宣傳下,居裡先生的實驗居然成為了正面例子,商人聲稱化妝品中加入鐳,并聲稱該化妝品有返老還童、令皮膚煥發第二春的神奇功效。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)7

作為人類發現的第一種放射性元素,人們驚歎于它發出射線的神奇,尤其是X光機在一戰的戰場治療中大顯身手之後,公衆對于鐳的崇拜更是達到了瘋狂的程度。雖然居裡夫人曾經提醒“這種新元素并不熟悉,需要謹慎”,但這一理性的聲音很快就被商人們的誇大宣傳所掩蓋,媒體甚至将鐳所發出的輻射稱為“天使射線”,一時之間,鐳成為了大明星,被民衆當成了包治百病的神藥。那時候醫生都給病人開鐳藥奎甯水,才能讓病人覺得滿意,除此之外,無論是食物用品玩具,都被加上了鐳被廣泛售賣,要知道,鐳無論在什麼時候,成本都非常高昂,一克鐳在四十年代價值六十萬美元,而任何物品隻要和鐳沾上邊,價格就可以高幾個台階,這些讓商人大賺一把。

1921 年,有一個叫做艾米麗的突然體重下降,關節疼痛,第二年,艾米麗的牙醫發現她的下巴幾乎脫落。接着是嚴重的貧血,和不斷地吐血。1923年9月,艾米麗停止了呼吸。她的死亡報告上寫着:胃潰瘍,當然還有說是三期梅毒的。可是法醫哈裡森·S·馬特蘭卻發現艾米麗的去世并不是簡單的胃潰瘍,他注意到艾米麗是一名“表盤畫工”,當他更深入地調查化學元素鐳,認為這可能是緻死的真正元兇,因為艾米麗的症狀和教科書上鐳中毒的症狀一模一樣。他意識到鐳元素對人體可能潛藏着巨大的危害,為了告訴大家這種元素的危害。他起草了一份報告:《使用放射性物質的未知危害》。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)8

1925年,鐳姑娘們集體起訴,把美國鐳公司告上法庭,但因為害怕失去工作,大部分人選擇了和解,隻有5位姑娘堅持訴訟,當時的這群女孩已經被鐳放射性嚴重侵蝕,連喘氣都帶着放射性。鐳公司為了自己利益的殘酷打壓,最終并沒有成功,為了證明鐳對人身體的危害,1928 年,艾米麗被開棺驗屍,理論上說:“如果艾米麗的骨灰具有放射性,那麼伽馬和貝塔射線就會穿透黑紙,讓底片感光。”而開棺驗屍的結果最終證明鐳這一點。

當時有一個美國人名叫埃本·拜爾的富豪。他每天堅持飲用這種保健飲料,結果鐳沉積在骨頭上,巨大的放射性能量打穿骨頭,拜爾的下巴最後滿是空洞,一碰就掉。這種飲品還讓他患上了癌症,晚年痛苦不堪,他斷氣時體重隻有90磅,51歲去世後,連他的棺材都是鉛做的。他的遺骨也被做了同樣的測試,呈現了大量的亮點。埃本·拜爾的死亡,給了鐳公司很大的壓力,最終鐳公司敗訴,不得不賠償這些鐳姑娘,然而這個時候,鐳輻射的危害已經持續了 20 多年。

要知道,和其他物質不同的是,被骨骼吸收的鐳,會一直留在人體内。隻要它一直留存在人體内,它就在體内衰減,随着鐳的衰減,它會産生兩種放射:阿爾法粒子和伽馬射線。阿爾法由兩個中子和兩個質子組成,如果它們在體外,不會有什麼危險,但是如果在體内的話,它們會把鐳姑娘的骨頭打成馬蜂窩。

這些鐳姑娘由于下颚骨的骨細胞更新換代很快,所以吸收了最多的鐳。鐳姑娘看到自己的牙齒掉落,掉光,連下巴都搖搖欲碎。一些人隻能截除了下巴,剩下的骨頭都變得脆弱。關節開始疼痛,而且感到越來越疲倦。才20多歲,就一個一個死去。受害者的不僅僅是這些鐳姑娘,無數人因為鐳制品身體受到嚴重的輻射,當時服用“鐳補水”死後,連棺材都要用厚厚的鉛包裹才能下葬。而已經去世的,還要被挖出來,重新埋葬。

鐳元素的發現過程(神奇的化學元素鐳)9

我們現在知道,為什麼鐳會具有發光特性,但是在當時,鐳的發光特性還被作為大補之物,鐳和氡健康水療中心在二三十年代迅速走紅,無論男女都可以在鐳泥中長時間放松、用鐳水沖洗身體,令皮膚發光。

自從人們發現鐳的發光特性後,就連在廣告裡都不能放過它。廣告中說到:這款“鐳花筒”可以兼作“美妙”的夜光,因為它“在黑暗的房間裡散發着詭谲的光芒”。這些都讓使用者的皮膚遭到了嚴重的侵蝕。

即使 40 年代政府已經限制鐳在商業上的運用,還是被沒有阻止商人的逐利行為,有款1951年上市鐳輻射玩具,售價49.5美元,包含四個鈾放射源,alpha放射源,Beta放射源和Gamma射線源,而制造者宣傳此款玩具絕對安全。

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