放射性衰變系列
釙和鐳的發(fā)現(xiàn),給仔細考察放射性礦物的工作以巨大的推動力.許多化學家都希望能從這類礦物中得到新的發(fā)現(xiàn),新發(fā)現(xiàn)也確實接踵而來.
1899年,德比爾納發(fā)現(xiàn)元素錒；1900年,多恩發(fā)現(xiàn)新惰性氣體氡；克魯克斯發(fā)現(xiàn)鈾X；1901年,德馬凱發(fā)現(xiàn)鑀(后證實是同位素釷230)；1902年,盧瑟福和索迪發(fā)現(xiàn)釷X…….
這許許多多的放射性物質(zhì),包括居里夫婦發(fā)現(xiàn)的釙和鐳在內(nèi),總是與鈾或釷一起存在于礦物之中,形影不離.這里不禁要問,它們與鈾或釷之間究竟有什么關系呢?
要解決這個問題,首先要弄清楚放射性現(xiàn)象的本質(zhì)是什么.事實上,在探索新放射性元素的同時,揭露放射性現(xiàn)象本質(zhì)的工作也在相輔相成、緊張而有成效地開展著.
英國物理學家盧瑟福在1899年就發(fā)現(xiàn),放射性物質(zhì)放出的射線不是單一的,而可以分出帶正電荷的α射線和帶負電荷的β射線,前者穿透性較弱,后者穿透性較強.后來又分出一種穿透性很強的不帶電荷的γ射線.如果讓射線通過磁場或電場,那么這三種射線就分得一清二楚了：偏轉角度很大的是β射線；偏向另一方、偏轉角度較小的是α射線；不發(fā)生偏轉的是γ射線.
1900年,多恩在鐳制劑中發(fā)現(xiàn)惰性氣體氡,這是一件非同尋常的事.根據(jù)這一事實,盧瑟福和索迪于1902年提出了一個大膽的假說.他們認為,放射性現(xiàn)象是一種元素的原子自發(fā)地轉變?yōu)榱硪环N元素的原子的結果,這個假說很快就得到了證實.1903年,索迪等做了一個實驗：將氡焊封在細頸玻璃管內(nèi),然后用光譜法測量.他們觀測到管內(nèi)的氡不斷消失,而氦則逐漸增加.原子衰變理論就這樣建立起來了,它動搖了多少世紀以來作為經(jīng)典化學基石的“原子不可分、化學元素不可變”的觀念.
衰變理論指出了一種放射性元素的原子會衰變成另一種元素的原子,但如果進一步問,究竟衰變成了什么元素的原子呢?衰變理論并沒有給出答案.十年以后建立了位移律,終于回答了這個問題.
在放射性物質(zhì)的研究工作中,通常把發(fā)生衰變的物質(zhì)稱為母體,把衰變后生成的物質(zhì)稱為子體.1908年,索迪歸納了大量α衰變母體及其子體的化學性質(zhì),發(fā)現(xiàn)母體物質(zhì)發(fā)生α衰變后,其化學價總是減少二價,例如六價的鈾變成了四價的鈾X,四價的釷變成了二價的介釷I,二價的鐳變成了零價的惰性氣體氡等等.于是,他總結出一條規(guī)則：某一元素作α衰變時,生成的子體是周期表中向左移兩格的那個元素的原子.1913年,一些科學工作者又總結出另一條規(guī)則：某一元素作β衰變時,生成的子體是周期表中向右移一格的那個元素的原子.這兩條規(guī)則合起來就是通常所說的位移律,它把衰變時放出的射線的性質(zhì)和原子發(fā)生的變化有機地聯(lián)系起來了.
在這段時間內(nèi),還發(fā)現(xiàn)某些不同的放射性物質(zhì),如鑀和釷、介釷I和鐳等,它們的性質(zhì)竟驚人地相似,如果偶爾把它們混在一起后,用化學方法就無法把它們分開.我們知道,不同的元素一般是可以用化學的方法分離的,不能用化學方法分離的一般是同一種元素.因此,勢必得出如下結論：它們雖是不同的放射性物質(zhì),但屬于同一種元素,于是提出了同位素的概念.所謂同位素就是化學性質(zhì)相同的一類原子,它們的原子量不同,但原子序數(shù)相同,在周期表中占據(jù)同一個位置.
有了衰變理論、同位素概念和位移律,那許許多多已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的和進一步發(fā)現(xiàn)的放射性物質(zhì)之間的關系,就比較容易搞清楚了.很快就建立起了鈾和釷兩個放射性衰變系列.
為了便于討論,我們在這里先把原子核和射線方面的有關知識簡要介紹一下.原子由原子核和繞核旋轉的電子組成,原子核又由質(zhì)子和中子組成.電子帶1個負電荷,質(zhì)于帶1個正電荷,中子不帶電荷.核電荷數(shù)(即質(zhì)子數(shù))在數(shù)值上等于元素的原子序數(shù).質(zhì)子的質(zhì)量數(shù)為1,中子的質(zhì)量數(shù)也為1,電子很輕很輕,其質(zhì)量一般忽略不計.質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)之和就是原子核或原子的質(zhì)量數(shù).α射線又稱α粒子,它是氦原子核,由兩個質(zhì)子和兩個中子組成,質(zhì)量數(shù)為4,帶2個正電荷.β射線又稱β粒子,它是電子,帶1個負電荷.如果原子發(fā)生α衰變,那就是從原子核內(nèi)放出一個α粒子,因此核電荷數(shù)(原子序數(shù))減少2,質(zhì)量數(shù)減少4；如果原子發(fā)生β衰變,放出一個電子,那就是相當于核內(nèi)一個中子轉變成了一個質(zhì)子,因此核電荷數(shù)增加1,質(zhì)量數(shù)不變.
放射性原子不但按一定的衰變方式進行衰變,而且衰變的速率也是一定的.某種放射性同位素衰變掉一半所需要的時間,稱為該放射性同位素的半衰期.放射系中,始祖同位素的半衰期很長,鈾-238的半衰期為45億年,這與地球的年齡大致相同.釷-232的半衰期更長,達140億年,正是由于這個緣故,才使它們得以在地球上留存.
不過,放射系中其它成員的半衰期要短得多.最長的不過幾十萬年；最短的還不到百萬分之一秒.顯然,它們是不可能在地球上單獨存在的.但是,放射系中的每個成員都不但會衰變掉,而且同時也會由于上一個成員的衰變而得到補充,因此只要放射系的始祖元素存在,各中間成員也就決不會消失.這就象水庫里的水不會枯竭一樣：水庫里的水不斷流出去,同時又不斷由上游的河水得到補充.當放射系中各中間成員衰變掉的量與生成的量相等時,即各成員之間的比值保持恒定不變時,我們就把這種狀態(tài)稱為放射性平衡.
鈾和釷兩個放射系已經(jīng)滿意地建立起來了,許多放射物質(zhì)與鈾、釷伴生,確實是不無道理的,原來它們都是始祖元素鈾或釷的子孫后代.可是問題并沒有完全解決,錒在鈾礦中的存在一直是一個不夠清楚的問題.
經(jīng)初步測定,錒的半衰期為二、三十年.因此,它之所以能存在于自然界,必須依存于某一個長壽命的放射性同位素.另外,在含鈾量不同的鈾礦物中,錒量和鈾量之間總有一個恒定的比值.由此看來,錒象是鈾的后代.
但情況又不盡然.測量結果表明,作為鈾的后代的鐳,它與鈾平衡時的放射性強度,遠比錒(或錒的任一后代)與鈾平衡時的放射性強度來得大.兩者的比值約為97：3.因此錒不可能是鈾的主鏈成員.
根據(jù)這一事實,1906年盧瑟福提出了如下的假說：錒及其后代(稱為錒放射系)可能是鈾放射系中某一成員的分支衰變產(chǎn)生的支系,即某一成員可能發(fā)生兩種形式的衰變(α衰變和β衰變),百分之九十七變成了鐳放射系(鐳及其后代),百分之三變成了錒放射系.這既符合衰變理論,又能解釋錒總以恒定的比值存在于鈾礦中這一事實.
后面我們將看到,盧瑟福的這個假說是錯誤的.但是盧瑟福關于分支衰變的想法,卻在法揚斯研究鐳C的放射性時得到了光輝的證實.
1917年皮卡德提出,錒放射系與鈾放射系可能根本無關,它的始祖是鈾的另一個長壽命同位素,因此錒放射系總能在鈾礦中發(fā)現(xiàn),而且與鈾放射系的放射性保持著某一恒定的比值.他認為支持這一假說的論據(jù)有兩個：
(1)按照蓋革·努塔爾經(jīng)驗定律,放射性同位素的α射線能量和半衰期之間存在著一定的關系,在雙對數(shù)固上表示成一些直線.鈾放射系和釷放射系各分屬一條直線,而錒放射系則為另一直線.如果錒放射系是鈾放射系的分支,則代表錒放射系的直線應與代表鈾放射系的直線相重合,或在一端與鈾放射系的直線相交.事實上卻是錒放射系與鈾放射系為兩條平行的直線.
(2)鈾的原子量為238.14(這里的原子量數(shù)值均為當時的測定值),鐳的原子量為225.97,兩者相差12.17.而根據(jù)位移律來計算,鐳是由鈾放出三個α粒子變來的,那么三個α粒子的質(zhì)量總和僅為12.01.鈾原子量所以顯得較大,可能是由于其中存在一個質(zhì)量數(shù)更大的同位素的緣故.皮卡德將這個假定的鈾同位素稱為錒鈾(AcU).
盧瑟福和皮卡德假說之間的取舍,按理是可以通過錒放射系成員原子量的測定來決定的.可是由于錒放射系的放射性僅為鈾放射系的3％,且各個成員的半衰期均很短,因此測定原子量困難很大.錒的前身鏷發(fā)現(xiàn)以后,測定鏷原子量應該是可能的,因為它在鈾礦中的含量可以與鐳相比擬.但是由于鏷的性質(zhì)怪癖,大量制取鏷一直未能成功.
這個問題的解決應該歸功于質(zhì)譜分析新技術的采用.1927年,阿斯頓用質(zhì)譜儀測定了普通鉛礦中各種鉛同位素含量的比值,得到的結果是鉛206：鉛207：鉛208＝100：75：175.1929年,他又測定了某鈾礦物中各種鉛同位素含量的比值,得到的結果是鉛206：鉛207：鉛208＝100：10.7：4.5,此比值與普通鉛礦顯著不同.
當時已經(jīng)知道,鈾放射系、釷放射系和錒放射系的最終衰變產(chǎn)物都是鉛.鉛206是鈾放射系的最終衰變產(chǎn)物,所以這一鈾礦物中鉛206的含量特別多.另外此鈾礦物中也含有釷,因此也應該有較多的釷放射系最終衰變產(chǎn)物鉛208.但奇怪的是鉛208反而比鉛207少.
由此得出的結論只能是：鉛207是由于鈾礦中另一放射性起源生成的,它自然應該是錒放射系的最終衰變產(chǎn)物了.盧瑟福在阿斯頓的文章后面加了一條意見,指出錒放射系應該是獨立的.
皮卡德的假說獲得了證實.可是他的假說所依賴的根據(jù)是很不充分的.首先,鈾并沒有更重的天然同位素；其次,α射線的能量和半衰期之間的關系在當時也沒有足夠的精確度可以進行上述論證.
這一過程表明,科學研究中大膽地假設是十分重要的.有了比較充分的事實根據(jù)或理論根據(jù),從而提出一些假說,這樣當然會使假說最終被證實的可能性變大.但是如果根據(jù)蛛絲馬跡提出一些假設,只要與當時所知道的事實沒有矛盾,仍然應該說是可貴的,因為它為尋找真理開辟了可能走通的新途徑.值得回憶的是,貝克勒耳也正是沿著波因凱的錯誤假說,而作出了放射性現(xiàn)象這一重大發(fā)現(xiàn).當然,最后善于擯棄假說中的不合理部分,這更是科學工作者取得成功的關鍵一環(huán).
知道了錒放射系的最終衰變產(chǎn)物是鉛207,于是可以推得錒的原子量為227,而假定的錒鈾的原子量應該為235(或239).1935年,登普斯特用火花離子源法對鈾進行了質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)了錒鈾(鈾235)的譜線.至此才最后確定了錒放射系的始祖同位素,肯定了其質(zhì)量數(shù)為235.歷時長達30年之久的錒放射系的起源問題終于找到了答案,這是放射系研究史中最為曲折的問題之一.由于這個放射系的始祖同位素是錒鈾,所以通常把它叫乍錒鈾放射系.
以后又發(fā)現(xiàn)了镎放射系,它是一個人工放射系,該放射系因為沒有半衰期足夠長的始祖同位素,所以已在地球上消失.值得指出的是,這個人工放射系中的一個成員——镎233,與鈾235和钚239一樣,是原子能工業(yè)中的一種重要的裂變物質(zhì).