元素蛻變假說的提出
1877年9月2日索迪生于英國倫敦一個商人家庭。少年時就立志將來作一位有成就的科學家，為此，從小學到大學他都努力學習，學習成績年年優(yōu)秀，還曾多次獲得獎學金，1898年，他以榮獲一級榮譽學位的優(yōu)異成績畢業(yè)于牛津大學。 1899年英國化學家克魯克斯在分離鈾礦物過程中，發(fā)現(xiàn)一部分鈾具有放射性，另一部分鈾卻無放射性。其他一些科學家也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。同時還發(fā)現(xiàn)，釷、鐳等放射性元素不僅能產生具有放射性的物質，而且還能使與它有接觸的物質也產生放射性。這種放射性還會隨著時間流逝而減弱，最后會消失。這些奇異的、當時無法解釋的現(xiàn)象引起了當時正在加拿大蒙特利爾大學任實驗物理學教授的盧瑟福的極大興趣。他決定開展這一課題的研究，然而他覺得開展這項研究，必須為自己配備一個精通化學的實驗助手。正當盧瑟福為自己尋找助手時，恰逢索迪到蒙特利爾大學訪問。索迪一眼就被盧瑟福相中。就這樣索迪剛出校門不久，就很幸運地成為盧瑟福的助手。事實已證明他們的合作是卓有成效的。 他們首先對釷的放射性做了大量的實驗。他們將硝酸釷溶液用氨處理，沉淀出氫氧化釷，過濾后檢查干燥的沉淀，其放射性顯著降低，而將濾液蒸干除去硝酸銨后的殘渣，卻有極強的放射性、但過了一個月后，殘渣的放射性消失，而釷卻又恢復了原有的放射性。他們證實釷的放射性的確變化無常。他們還發(fā)現(xiàn)，如果把釷放在密閉的器皿中，其放射性強度較穩(wěn)定，如果放在一個敞開的器皿中，其放射性強度就會變化不定，尤其容易受表面掠過的空氣的影響。他們推測這可能是由于有某種物質放射出來，不久他們便證明這種被放射出來的物質是一種氣體；他們稱它為釷射氣。 他們對有放射性的鐳、錒進行實驗研究，也發(fā)現(xiàn)存在同釷一樣的現(xiàn)象。他們把鐳放射出來的氣體稱為鐳射氣，錒放射出來的氣體叫錒射氣。根據(jù)這些實驗結果，1902年盧瑟福、索迪提出元素蛻變假說：放射性是由于原子本身分裂或蛻變?yōu)榱硪环N元素的原子而引起的。這與一般的化學反應不同，它不是原子間或分子間的變化，而是原子本身的自發(fā)變化，放射出 a 、b 、g 射線，變成新的放射性元素。同時他們將這些實驗結果和上述假說整理寫成 論文：“放射性的變化”。他們關于元素蛻變的假說一提出來，立即引起物理學界、化學界的強烈反對，因為認為一種元素的原子可以變成另一種元素的原子的觀點，打破了長期以來認為元素的原子不能變的傳統(tǒng)觀念。周圍的同事們也紛紛告誡他們，千萬要小心，以免愚弄自己。開始時盧瑟福也有點猶豫，但是尊重實驗事實的樸素唯物主義思想和科學家的責任感，促使盧瑟福和索迪勇敢地決定，一定要使論文發(fā)表。 他們將論文寄到當時在科學界頗有影響的《哲學雜志》時，遭到雜志主編開耳芬勛爵的拒絕。開耳芬勛爵是英國科學界的泰斗，19世紀最杰出的物理學家之一。在學術問題上開耳芬有一種觀點，他認為實驗僅是驗證理論的一種方法。另外，晚年以思想保守而著稱的開耳芬實際上是反對元素蛻變理論。盧瑟福和索迪在提出元素蛻變假說時，根據(jù)放射性元素在自發(fā)地發(fā)射射線的同時，還不斷地放出能量這一事實，提出了“原子能”的概念。盧瑟福還用這理論說明太陽能和地熱的來源，平息了物理學家和地質學家對此的長期爭論。開耳芬則是物理學家的代表，主張這種能源來自引力收縮。開耳芬顯然不愿意發(fā)表盧瑟福和索迪的論文。在這種情況下，盧瑟福只好趕回劍橋，求助于他的導師湯姆遜。通過實驗測定了電子的荷質比，從而證實了電子的存在的湯姆遜，對新的科學發(fā)現(xiàn)和理論遭受白眼是很有感觸的，因此他毫不遲疑地支持盧瑟福。湯姆遜親自找到開耳芬，向開耳芬保證這篇文章由他負責，開耳芬才不得不同意刊登盧瑟福和索迪的論文。
同位素假說的提出
關于元素蛻變假說的論文的發(fā)表，引起的轟動是可想而知的。起初，甚至連居里夫婦也表示不能輕易相信。門捷列夫則不但自己表示懷疑，還號召其他科學家不要相信。至于開耳芬，盡管同意發(fā)表了這篇論文，他還是在1906年和1907年英國科學促進協(xié)會的兩次年會上一再發(fā)起挑戰(zhàn)，認為鐳產生新元素并不能證明原子的蛻變，而可能鐳本身就含有該元素的化合物。盧瑟福、索迪、居里夫人都對開耳芬進行了反駁，而最有力的反駁莫過于實驗事實。在提出元素蛻變假說后，盧瑟福、素迪開始了對放射性元素的進一步深入研究。 1899年盧瑟福曾發(fā)現(xiàn)鈾和鈾的化合物所發(fā)出的射線有兩種，一種極易被吸收、他命名為a射線：另人種有較強的穿透本領，他稱之為 b 射線。為了探索a 、b射線的本質，盧瑟福和索迪利用空氣液化機在低溫條件下濃縮射氣，證明射氣是一種氣體，這氣體與拉姆塞曾發(fā)現(xiàn)的惰性氣體很相像。繼續(xù)研究時，他們又發(fā)現(xiàn)鐳衰變時放射出氦離子，于是他們推測 a 射線就是氦離子流。為了驗證這一推測， 1903年3月索迪離開了盧瑟福實驗室，回到倫敦，和以發(fā)現(xiàn)和研究惰性氣體商聞名于世的拉姆塞合作，研究放射性鐳所放射的氣體。不久他們的實驗就確認了盧瑟福和索迪的上述推測， a 、射線就是帶正電荷的氦離子流。盧瑟福則證明該射線就是電子流。他們的共同努力，終于揭示了放射線的本質。 盧瑟福、索迪的開創(chuàng)性工作吸引了許多年輕的科學家。就在1903年以后的幾年，人們不斷地用各種方法從鈾、釷、錒等放射性元素中分離出一種又一種“新”的放射性元素。到1907年、被分離出來并加以研究過的放射性元素已近30種，多到周期表中沒有可容納它們的空位。這就產生了矛盾，懷疑周期表對放射性元素是否適用，另外人們對這些新發(fā)現(xiàn)的放射性元素進行對比研究后，發(fā)現(xiàn)有些放射性不同的元素化學性質則完全一樣。例如釷與由它蛻變生成的射釷，盡管放射性顯著不同，可是將它們混合后，卻難以用化學方法使它們分離�；瘜W性質則完全一樣。這類事實積累得愈來愈多。素迪根據(jù)這類事實，于1910年提出了著名的同位素假說：存在不同原子量和放射性，但其它物理、化學性質完全一樣的化學元素變種，這些變種應該處在周期表的同一位置上，因而命名為同位素。接著索迪根據(jù)原子蛻變時放出 a 射線相當于分裂出一個氦的正離子，放出b射線相當于放出一個電子，從而提出了放射性元素蛻變的位移規(guī)則。放射性元素在進行以 a 蛻變后，在周期表上向前（即向左）移兩位，即原子序數(shù)減2，原子量減4。發(fā)生b 蛻變后，向后移一位，即原子序數(shù)增1，原子量不變。德國化學家法揚斯和英國化學家羅素也獨立地發(fā)現(xiàn)了這一位移規(guī)則。 根據(jù)同位素假說，他們把天然放射性元素歸納為三個放射系列：鈾-鐳系、釷系、錒系。這不僅解決了數(shù)目眾多的放射性“新”元素在周期表中的位置問題，而且也說明了它們之間的變化關系。根據(jù)位移規(guī)則推論，三個放射系列的最終產物都是鉛，但各系列產生的鉛的原子量卻不一樣。為了驗證同位素假說和位移規(guī)則的準確性，1914年美國化學家里查茲完成了此項工作。1919年，英國化學家阿斯頓研制成質譜儀，使人們對同位素有了更清晰的認識。 1914一1919年的第一次世界大戰(zhàn)期間，索迪在格拉斯哥大學任阿伯丁講座教授。這段時間，除了擔負一部分戰(zhàn)時工作外，他對放射性元素的位移規(guī)則進行了深入的研究。1919年，索迪應聘擔任牛津大學的化學教授，在這個崗位上，他勤懇地耕耘了17年。在繼續(xù)從事放射性化學研究的同時，他幾乎把大部分精力都投入了改進化學教學和實現(xiàn)實驗室的改造。他的晚年似乎在化學研究中沒有再作出突出的成就，據(jù)后人分析，也可能是因為他只注重個人努力，只身從事實驗和研究，顯然不適合現(xiàn)代科學研究的要求，由于現(xiàn)代科學研究的深度和廣度，大量的研究工作從分散的單純個人活動轉化為社會化的集體活動。在前期的研究中、有像盧瑟福、拉姆塞這樣的名家與他合作；在后期研究中，他卻沒有一個研究群體，在他周圍也沒有聚集起一些優(yōu)秀的人才。另外一個原因是，在第一次世界大戰(zhàn)中，與素迪工作有往來的另一個青年化學家莫斯萊，投筆從戎，戰(zhàn)死在戰(zhàn)場。一個已顯露出超人才華的科學家僅27歲就過早地去世了，給索迪和整個英國科學界帶來極大的悲痛和憤慨。對此索迪深感科學的進步與社會很不協(xié)調，為什么科學的進步不能阻止戰(zhàn)爭，反而加劇了戰(zhàn)爭給人們造成的危害？從此素迪關心起科學與社會的關系等問題，提出科學促進文明的口號，積極參加各種有關的社會活動，成為一個知名的社會活動家。 因為他是從事放射性元素的研究，所以他特別關心放射性及其能量的和平利用，他提出應當控制放射性即原子能這個大能源庫，使它成為人們的又一個太陽。他十分重視科學的社會功能，強調科學家要真正擔負起自己的社會職責。1956年9月22日，索迪在英國的伯萊頓去世了，享年79歲。由于他對現(xiàn)代化學和物理學發(fā)展的卓越貢獻，他的名字將永遠和同位素聯(lián)系在一起。
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