粒子物理学评论（三）

——放射性

张珏成

放射性的发现，标志着粒子物理学的开始。

放射性是某些元素（物质）发生衰变并发出射线现象，它并非粒子物理学的重要概念，但发现放射性却是粒子物理学的重要事件。

发现放射性是1个具有偶然性的事件。1896年，法国物理学家贝克勒尔意外地观察到，铀盐在黑暗中也能使胶片感光，即意外发现了铀的放射性。

这个事件极类似于上一年发现X射线。1895年，德国物理学家伦琴在研究阴极射线时意外地发现了X射线（伦琴射线）。在发现X射线后，伦琴持续研究，直到确定这是一种未知的、新的射线，他因此于1901年获得了诺贝尔物理学奖。

贝克勒尔也很幸运。他沿着这个发现继续研究，虽然其研究为后面科学家提供了借鉴，遗憾的是没有亲自做出后面很多重要发现，但他还是和居里夫妇一起，共同获得了1903年诺贝尔物理学奖。

在开始，发现放射性事件并没有和粒子联系到一起。

现在，人们知道，放射性元素在衰变时，能发射出三种主要的射线： a 射线、b 射线、g 射线，此外还可能有中微子射线、质子射线、中子射线以及各种质量数的原子核。

用事后诸葛亮的视角，经过时间洗淘，回头检视发现放射性事件，似乎贝克勒尔当时应该做的研究是：观察有哪些射线；除了铀，还有哪些物质有放射性；物质经过发出放射性射线后，会发生什么变化；等等。因为在1895年洛伦兹已经提出了电磁理论，后来证明，这个理论是一种强大的工具。

在贝克勒尔发现放射性后，1897年，英国物理学家汤姆生在研究阴极射线时发现电子。1898年，法国科学家居里夫妇发现了两种放射性元素——钋（Fo）和镭（Ra）。同年，居里夫人将物质发生衰变并发出射线的现象命名为“放射性”。还是在1898年，英国物理学家卢瑟福在研究铀和铀化合物的放射性时发现 a 射线、b 射线。在研究中，汤姆生、卢瑟福都运用了洛伦兹电磁理论。汤姆生使用磁场、电场来偏转阴极射线，卢瑟福用磁场、电场偏转铀和铀化合物发射的射线。

后来，卢瑟福研究发现， a 射线是a 粒子流，也称为甲种射线，带正电荷，不是一种电磁波。其他科学家的研究发现，b 射线是“电子流”，也叫电子束、b粒子流、电子射线，也称为乙种射线，带负电荷，也不是电磁波。

在物理学史的述事中，没有叙述将上述事件联系在一起的思考。但是，从发现“ a 射线是a 粒子流”、“b 射线是电子流”看出，科学家们确实已经开始审视，射线是否是粒子流，或者是电磁波。也就是出现了将若干事件联系到一起思考的倾向。

a 粒子是一种实质的物质粒子，是放射性物质衰变时放射出来的氦原子核，质量4倍于氢原子，带正电荷。因为放射性物质衰变过程中有能量释放，a 粒子从中获得能量并运动，其速度可达20000 km / s。在放射性物质发生衰变的场合中，对应于甲种射线，a 粒子也叫甲种粒子。

电子是一种实质的物质粒子。在放射性物质发生 b 衰变时，可用“电子流”这种说法指称电子组成的粒子流，即 b 衰变过程中，释放的电子在空间做定向高速运动的现象。电子运动速度极高，接近光速。

在 b 衰变场合中，电子也可以叫做 b 粒子、乙种粒子。发生正 b 衰变时，原子核内一个质子转变为一个中子，同时释放一个正电子，即一个正 b 粒子；在负 b 衰变中，原子核内一个中子转变为一个质子，同时释放一个电子，即一个 b粒子。

在导体中的电子定向运动的现象也是电子组成的粒子流，但通常不用“电子流”这种说法，而是用专门术语“电流”。

1900年，法国科学家维拉德在研究镭的放射性时发现了 g 射线。至此，放射性元素在衰变时所发射出三种主要的射线全部被发现，距离贝克勒尔发现放射性，才仅仅4年。

 后来，其他科学家的研究发现，g 射线是一种电磁波，也叫丙种射线。也可以认为，g 射线是g 粒子流，但g 粒子就是光子，不带正电荷。在放射性物质发生衰变的场合中，g 粒子和丙种射线对应，但不叫丙种粒子。

在发现 a 射线、b 射线时，卢瑟福没能发现 g 射线。a 射线、b 射线都带电荷，而卢瑟福使用能够显示带电粒子踪迹的荧光屏。但是 g 射线是电中性的，荧光屏不能显示其踪迹。

维拉德发现 g 射线的实验方法是用阴极射线管的电子束轰击含镭的氯化钡样本。现已经弄不清楚，维拉德是否首创了用粒子流轰击样本的方法。接下来，粒子流轰击样本的场景就频频出现在粒子研究中。

维拉德注意到，荧光屏只能显示带电粒子踪迹，他试图观察放射性物质衰变时，是否存在不带电、具有穿透性的粒子。于是，他把含镭样本放置在阴极射线管的中间，阴极对准样本，用0.2毫米厚的铅箔放置在样本后方，以阻挡阴极射线，而铅箔后方的侧面、正面设置感光胶片。当电子束激发了镭原子的放射性衰变之后，胶片感光，记录了有辐射穿过铅箔，从而发现了具有很强贯穿力的 g 射线。

从汤姆生发现电子、卢瑟福发现 a 粒子开始，发现构成物质的粒子，成为这时期物理学的研究热点。而研究粒子的结构、组成、性质，以及具有高能量的粒子的相互作用、相互转化及其规律即将开始。

1934年，约里奥-居里夫妇用 a 粒子轰击铝箔时，发现了人工放射性。因为这个发现，约里奥-居里夫妇获得1935年诺贝尔化学奖。可以人为地制造物质的放射性，为人造同位素开辟了新途径，也为后来研究开辟新领域。

在物理、化学领域，同位素是一个基本概念。对放射性元素（如铀和钍等）进行研究时，科学家发现，其衰变产物为新的元素，其中有些元素（包括铅）具有不同原子量，但除了原子量和放射性不同，其余物理化学性质相同。英国科学家索迪对此进行了深入思考。他还可能思考了以下问题：元素为何会具有放射性，为何不同放射性元素的特性不同，为何衰变会产生新元素等。他观察到，放射性元素在衰变过程中，原子序数（质子数）发生了变化，但它们的化学性质也保持不变。

1910年，索迪提出了同位素假说，化学元素存在着原子量和放射性不同、其他物理化学性质相同的变种，它们在元素周期表中占据相同的位置，具有相同的核电荷数（质子数），而中子数可能不同。

到目前为止，已发现的元素有118种，所有元素都有同位素，包括人工合成的同位素。大多数元素都有放射性同位素，但不是所有元素。大多数天然元素都是几种同位素组成的混合物。大约放射性同位素高达千种以上，放射性同位素并不稳定，稳定同位素约有300多种。