元素蛻變假說的提出
1877年9月2日索迪生于英國(guó)倫敦一個(gè)商人家庭。少年時(shí)就立志將來作一位有成就的科學(xué)家，為此，從小學(xué)到大學(xué)他都努力學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)成績(jī)年年優(yōu)秀，還曾多次獲得獎(jiǎng)學(xué)金，1898年，他以榮獲一級(jí)榮譽(yù)學(xué)位的優(yōu)異成績(jī)畢業(yè)于牛津大學(xué)。 1899年英國(guó)化學(xué)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(xué)家也發(fā)現(xiàn)了這一現(xiàn)象。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，釷、鐳等放射性元素不僅能產(chǎn)生具有放射性的物質(zhì)，而且還能使與它有接觸的物質(zhì)也產(chǎn)生放射性。這種放射性還會(huì)隨著時(shí)間流逝而減弱，最后會(huì)消失。這些奇異的、當(dāng)時(shí)無法解釋的現(xiàn)象引起了當(dāng)時(shí)正在加拿大蒙特利爾大學(xué)任實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(xiàng)研究，必須為自己配備一個(gè)精通化學(xué)的實(shí)驗(yàn)助手。正當(dāng)盧瑟福為自己尋找助手時(shí)，恰逢索迪到蒙特利爾大學(xué)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(yùn)地成為盧瑟福的助手。事實(shí)已證明他們的合作是卓有成效的。 他們首先對(duì)釷的放射性做了大量的實(shí)驗(yàn)。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?jiān)�，卻有極強(qiáng)的放射性、但過了一個(gè)月后，殘?jiān)姆派湫韵�，而釷卻又恢復(fù)了原有的放射性。他們證實(shí)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(qiáng)度較穩(wěn)定，如果放在一個(gè)敞開的器皿中，其放射性強(qiáng)度就會(huì)變化不定，尤其容易受表面掠過的空氣的影響。他們推測(cè)這可能是由于有某種物質(zhì)放射出來，不久他們便證明這種被放射出來的物質(zhì)是一種氣體；他們稱它為釷射氣。 他們對(duì)有放射性的鐳、錒進(jìn)行實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)反應(yīng)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(shí)他們將這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果和上述假說整理寫成 論文：“放射性的變化”。他們關(guān)于元素蛻變的假說一提出來，立即引起物理學(xué)界、化學(xué)界的強(qiáng)烈反對(duì)，因?yàn)檎J(rèn)為一種元素的原子可以變成另一種元素的原子的觀點(diǎn)，打破了長(zhǎng)期以來認(rèn)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(shí)盧瑟福也有點(diǎn)猶豫，但是尊重實(shí)驗(yàn)事實(shí)的樸素唯物主義思想和科學(xué)家的責(zé)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(dāng)時(shí)在科學(xué)界頗有影響的《哲學(xué)雜志》時(shí)，遭到雜志主編開耳芬勛爵的拒絕。開耳芬勛爵是英國(guó)科學(xué)界的泰斗，19世紀(jì)最杰出的物理學(xué)家之一。在學(xué)術(shù)問題上開耳芬有一種觀點(diǎn)，他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)僅是驗(yàn)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(shí)際上是反對(duì)元素蛻變理論。盧瑟福和索迪在提出元素蛻變假說時(shí)，根據(jù)放射性元素在自發(fā)地發(fā)射射線的同時(shí)，還不斷地放出能量這一事實(shí)，提出了“原子能”的概念。盧瑟福還用這理論說明太陽能和地?zé)岬膩碓矗较⒘宋锢韺W(xué)家和地質(zhì)學(xué)家對(duì)此的長(zhǎng)期爭(zhēng)論。開耳芬則是物理學(xué)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(dǎo)師湯姆遜。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定了電子的荷質(zhì)比，從而證實(shí)了電子的存在的湯姆遜，對(duì)新的科學(xué)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(fù)責(zé)，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(guān)于元素蛻變假說的論文的發(fā)表，引起的轟動(dòng)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(hào)召其他科學(xué)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(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)的兩次年會(huì)上一再發(fā)起挑戰(zhàn)，認(rèn)為鐳產(chǎn)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(duì)開耳芬進(jìn)行了反駁，而最有力的反駁莫過于實(shí)驗(yàn)事實(shí)。在提出元素蛻變假說后，盧瑟福、素迪開始了對(duì)放射性元素的進(jìn)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(qiáng)的穿透本領(lǐng)，他稱之為 b 射線。為了探索a 、b射線的本質(zhì)，盧瑟福和索迪利用空氣液化機(jī)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(shí)，他們又發(fā)現(xiàn)鐳衰變時(shí)放射出氦離子，于是他們推測(cè) a 射線就是氦離子流。為了驗(yàn)證這一推測(cè)， 1903年3月索迪離開了盧瑟福實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)就確認(rèn)了盧瑟福和索迪的上述推測(cè)， 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(zhì)。 盧瑟福、索迪的開創(chuàng)性工作吸引了許多年輕的科學(xué)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(chǎn)生了矛盾，懷疑周期表對(duì)放射性元素是否適用，另外人們對(duì)這些新發(fā)現(xiàn)的放射性元素進(jìn)行對(duì)比研究后，發(fā)現(xiàn)有些放射性不同的元素化學(xué)性質(zhì)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(xué)方法使它們分離。化學(xué)性質(zhì)則完全一樣。這類事實(shí)積累得愈來愈多。素迪根據(jù)這類事實(shí)，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(xué)性質(zhì)完全一樣的化學(xué)元素變種，這些變種應(yīng)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(shí)放出 a 射線相當(dāng)于分裂出一個(gè)氦的正離子，放出b射線相當(dāng)于放出一個(gè)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(jìn)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(guó)化學(xué)家法揚(yáng)斯和英國(guó)化學(xué)家羅素也獨(dú)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(gè)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(guān)系。根據(jù)位移規(guī)則推論，三個(gè)放射系列的最終產(chǎn)物都是鉛，但各系列產(chǎn)生的鉛的原子量卻不一樣。為了驗(yàn)證同位素假說和位移規(guī)則的準(zhǔn)確性，1914年美國(guó)化學(xué)家里查茲完成了此項(xiàng)工作。1919年，英國(guó)化學(xué)家阿斯頓研制成質(zhì)譜儀，使人們對(duì)同位素有了更清晰的認(rèn)識(shí)。 1914一1919年的第一次世界大戰(zhàn)期間，索迪在格拉斯哥大學(xué)任阿伯丁講座教授。這段時(shí)間，除了擔(dān)負(fù)一部分戰(zhàn)時(shí)工作外，他對(duì)放射性元素的位移規(guī)則進(jìn)行了深入的研究。1919年，索迪應(yīng)聘擔(dān)任牛津大學(xué)的化學(xué)教授，在這個(gè)崗位上，他勤懇地耕耘了17年。在繼續(xù)從事放射性化學(xué)研究的同時(shí)，他幾乎把大部分精力都投入了改進(jìn)化學(xué)教學(xué)和實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室的改造。他的晚年似乎在化學(xué)研究中沒有再作出突出的成就，據(jù)后人分析，也可能是因?yàn)樗蛔⒅貍�(gè)人努力，只身從事實(shí)驗(yàn)和研究，顯然不適合現(xiàn)代科學(xué)研究的要求，由于現(xiàn)代科學(xué)研究的深度和廣度，大量的研究工作從分散的單純個(gè)人活動(dòng)轉(zhuǎn)化為社會(huì)化的集體活動(dòng)。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(gè)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(gè)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(gè)青年化學(xué)家莫斯萊，投筆從戎，戰(zhàn)死在戰(zhàn)場(chǎng)。一個(gè)已顯露出超人才華的科學(xué)家僅27歲就過早地去世了，給索迪和整個(gè)英國(guó)科學(xué)界帶來極大的悲痛和憤慨。對(duì)此索迪深感科學(xué)的進(jìn)步與社會(huì)很不協(xié)調(diào)，為什么科學(xué)的進(jìn)步不能阻止戰(zhàn)爭(zhēng)，反而加劇了戰(zhàn)爭(zhēng)給人們?cè)斐傻奈：�？從此素迪關(guān)心起科學(xué)與社會(huì)的關(guān)系等問題，提出科學(xué)促進(jìn)文明的口號(hào)，積極參加各種有關(guān)的社會(huì)活動(dòng)，成為一個(gè)知名的社會(huì)活動(dòng)家。 因?yàn)樗菑氖路派湫栽氐难芯�，所以他特別關(guān)心放射性及其能量的和平利用，他提出應(yīng)當(dāng)控制放射性即原子能這個(gè)大能源庫，使它成為人們的又一個(gè)太陽。他十分重視科學(xué)的社會(huì)功能，強(qiáng)調(diào)科學(xué)家要真正擔(dān)負(fù)起自己的社會(huì)職責(zé)。1956年9月22日，索迪在英國(guó)的伯萊頓去世了，享年79歲。由于他對(duì)現(xiàn)代化學(xué)和物理學(xué)發(fā)展的卓越貢獻(xiàn)，他的名字將永遠(yuǎn)和同位素聯(lián)系在一起。
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