4. 放射性元素的半衰期與同位素的預言
放射性現象是人們認識原子世界的一個重要向導。許多關於原子和原子核的知識， 都是通過對放射性現象的研究而獲得的。
在剛開始研究放射性現象的時候， 人們都以為放射性元素是永遠不停地發出射線的。隨著研究的深入， 這種看法被證明是錯誤的。
科學家們發現， 雖然外界條件並不能影響放射性物質發生射線的快慢， 但是放射性物質的放射性強度卻是隨著時間的增加而慢慢減弱的。進一步的細致研究， 還發現這種放射性減弱也是有一定規律的。首先， 科學家得到的是關於放射性強度隨時間變化的實驗規律。圖就是磷元素的放射性強度隨時間變化的情況。圖中的N 是表示在時間t 時， 放射性元素的原子核數； N0 是表示在時間t=0 時， 放射性元素的原子核數； NN0 就表示放射性元素的放射性強度。接下來，就是對這種變化規律的數量化。科學家們提出了一個新的概念來描述這一規律， 這個新概念就是半衰期， 它的含義是放射性強度減弱一半所需要的時間。不同的放射性元素的半衰期是不同的， 而且相差比較懸殊。比如， 由上圖可以看出放射性元素磷的半衰期是15 天； 而鐳的半衰期則是1622 年， 這還不算是長的； 鈉的半衰期更長， 要經過4510000000 年， 它的放射性強度才減弱一半。和鈾的半衰期相比， 磷的半衰期真是太短了， 不過它還不是最短的； 有的放射性元素的半衰期僅是幾秒鍾， 有的甚至還不到幾千萬分之一秒。
真正理解半衰期的實質是在弄清放射性衰變的實質之後。所謂放射性衰變就是大量的同種原子核因放射出射線而陸續發生轉變， 變成另外一種原子核的過程。這也稱為原子核衰變。那麽放射性物質的半衰期， 就是放射性物質的原子核衰變到原有原子核數一半所經過的時間。
放射性元素的半衰期的發現， 不僅引導人們去研究原子核， 而且也開辟了放射性元素的一些實際用途。比如， 利用放射性元素的半衰期， 可以測定岩石或化石的年代。我們知道， 鈾-238 是天然放射性元素， 它的半衰期是45 億年。它經過衰變， 最後變成穩定的元素鉛-206 。所以隻要分析出岩石中鈾和鉛的比例， 就可以準確地算出岩層的年齡。這在地質學和考古學上是常用的方法。
在當時， 放射性元素的用途還沒有這麽廣泛。那時最主要的用途是用測量放射性元素半衰期的方法， 去分辨出不同的放射性元素。
英國物理學家克魯克斯從鈾鹽中沉澱出一種物質， 這種物質具有極強的放射性， 但它的半衰期隻有24 天。所以， 克魯克斯認為這裏含有新放射性元素， 並給它取名叫鈾X1 。接著， 盧瑟福與他的合作者化學家索迪發現使釷沉澱的溶液也有放射性， 它的半衰期是3 天。他們認為這也是一種新的放射性元素， 給它起名為釷X 。就這樣， 幾年之內， 新發現的放射性元素多達30 多種， 而且它們的半衰期都不相同。這些新發現給科學家帶來的可並不都是興奮， 而更多的是一些疑惑。因為元素周期表上並沒有給這些新元素留下這麽多的空位。新發現的眾多放射性元素與元素周期表之間的矛盾， 就成了一個非常值得探討的問題。
在對放射性元素及其半衰期的深入研究中， 科學家們找到了答案。放射性元素鐳、釷和錒都放出射線， 這三種射線又都具有放射性， 但它們的半衰期卻各不相同。鐳放射出的射線的半衰期是4 天； 釷的射線半衰期是1 分鍾； 而錒的射線的半衰期僅有4 秒鍾。可是， 當用光譜儀來檢驗這三種射線時， 令科學家們大吃一驚的是， 這三種射線都是同一種元素―――氡。同一種元素應該有相同的性質， 它的放射性半衰期應該是一個， 而不是三個。可現在， 同一種元素氡卻出現了三個半衰期。這種奇怪的現象並不單是氡元素所獨有。後來又發現還有一種與釷的化學性質完全相同的放射性元素，但它的放射性半衰期卻與釷不同， 隻有1. 9 年， 還有一種在化學性質與鐳相同的放射性元素， 但它的半衰期僅有6. 7年。
為了解釋這種奇怪的現象， 化學家索迪提出了一個想法。他推測， 有一些原子， 它們的化學性質雖然相同， 但它們的質量和放射性性質卻可以是不同的； 而這些原子組成的化學元素在元素周期表上是處於同一個位置的， 它們叫做“同位素”。這是一個新奇的想法。科學上， 根據一定的實驗事實進行推測， 而提出一種理論上的解釋( 或預言)， 都被稱為“假說”。索迪提出的關於存在“同位素”的預言， 也就是一種假說。這是否正確， 不僅要看它的提出依據是否正確， 更重要的是要通過進一步的實驗， 看它的推測( 或預言) 是否正確， 才能判定這個假說可不可以被接受。
大家可能還記得。英國物理學家湯姆遜利用氣體放電管， 通過陰極射線的偏轉而發現了電子。在這之後， 大約是在1907 ～1912 年期間， 湯姆遜仍然在利用氣體放電管做實驗。但這時他研究的不是陰極射線， 而是陽極射線。他把原來儀器的高壓電極反過來接， 這時原來的陽極變成了陰極，原來的陰極變成了陽極。他在氣體放電管內充上氖氣， 發現利用電場和磁場使陽極偏轉時， 出現兩條偏轉程度不同的粒子束。湯姆遜認為這是因為氖不是單一氣體， 而是兩種氣體的混合物， 並且根據實驗算出其中一種氣體粒子的質量是氫原子的20 倍。另一種氣體粒子的質量則是氫原子的22 倍。
後來， 湯姆遜的學生阿斯頓改進了實驗裝置， 發現氖氣中較輕粒子的數量是較重粒子的10 倍， 二者的平均質量計算下來就正好是氫原子的20. 2 倍了。最後， 證實這兩種粒也都是氖原子。這表明， 有兩種不同質量的氖原子， 一種氖原子的質量是氫原子的20 倍， 另一種氖原子的質量是氫原子的22 倍。至此， 索迪的預言被證實了。
氖的同位素發現以後， 那些已經發現的許多放射性元素， 也都慢慢地在元素周期表上找到了自己應有的位置。其實它們子都是一些元素的同位素。盡管鐳、釷、錒三種元素射線的放射性半衰期不同， 但它們卻都是氡的同位素。
以後， 科學有們又陸續發現了一些放射性同位素。放射性同位素在實際中有著廣泛的應用， 這使得人們對它越來越感興趣。
隨著實際應用的增多， 單靠自然界中存在的同位素就難以滿足人們的需要。實際的需要是強大的動力， 迫使科學家設法用人工的方法來創造更多的同位素。本世紀30 年代，第一次用人工方法獲得了放射性同位素， 這是小居裏夫婦做出的貢獻。後來， 科學家們采用加速器， 用它發出的高速飛行的粒子去轟擊各種元素的原子核， 可以得到許多同位素。
目前， 人們已經確認的同位素就有2000 多種， 其中絕大多數是放射性同位素。隨著科學的發展和實際的需要， 人工製造的同位素還會增加。自從人們可以大規模地人工生產放射性同位素以後， 曾經價值千金的天然放射性元素， 例如鐳， 就不再像當初那麽昂貴了。這也使放射性同位素的應用更為廣泛， 特別是科學家發明了“原子示蹤技術”， 成為一種重要的探測手段。
據說， 曾有一位科學家懷疑吝嗇的房東用客人吃剩下的肉做菜再給客人吃。為了驗證這是否屬實， 他在吃剩下的一塊肉上滴了一滴放射性很弱的溶液。第二天， 房東將用碎肉做成的雜燴端了上來， 這位科學家拿出蓋革計數管湊近碎肉， 立刻儀器發出了滴答滴答的聲音。果然這個房東是作了手腳， 但他卻未能逃過放射性同位素這一火眼金睛。“原子示蹤技術”就是利用了放射性同位素在和其他物質發生複雜的作用之後， 它的放射性原子仍能被辨認出來的這一性質。這就好比是在放射性同位素的原子上打上了特殊的記號， 通過辨認這種記號就可以得到有關的信息。比如， 在醫學上， 通過給人注射放射性碘的同位素碘-131 ， 可以用作觀察人是否獲有甲狀腺這種疾病。碘的同位素會隨著血液走遍人的全身， 雖然在這一過程中它參加了人體的各種代謝過程， 但它自身卻一直保持著放射性。通過人體外的儀器， 識別出它的蹤跡， 可以觀察到它在甲狀腺的分布情況， 從而對是否有疾兆作出判斷。
同位素的存在被實驗證實了， 眾多放射性元素與元素周期表空位之間的矛盾也解決了。但是新的問題也就產生了。為什麽同一種元素的原子會有不同的質量和放射性性質呢？ 這一問題把物理學家引向了原子核的研究。
這個問題是在發現了中子， 認識到中子也是原子核構成的重要部分之後， 才搞清楚的。對於構成同一種元素的原子來說， 它的原子核中的質子數都是一樣的， 而中子數卻不相同。比如， 氧有三個同位素， 它們的原子量分別為16 、17 和18 。但是， 它們的原子核中都隻有8 個質子， 而它們的原子核中的中子數則分別是8 、9 和10 。
在剛開始研究放射性現象的時候， 人們都以為放射性元素是永遠不停地發出射線的。隨著研究的深入， 這種看法被證明是錯誤的。
科學家們發現， 雖然外界條件並不能影響放射性物質發生射線的快慢， 但是放射性物質的放射性強度卻是隨著時間的增加而慢慢減弱的。進一步的細致研究， 還發現這種放射性減弱也是有一定規律的。首先， 科學家得到的是關於放射性強度隨時間變化的實驗規律。圖就是磷元素的放射性強度隨時間變化的情況。圖中的N 是表示在時間t 時， 放射性元素的原子核數； N0 是表示在時間t=0 時， 放射性元素的原子核數； NN0 就表示放射性元素的放射性強度。接下來，就是對這種變化規律的數量化。科學家們提出了一個新的概念來描述這一規律， 這個新概念就是半衰期， 它的含義是放射性強度減弱一半所需要的時間。不同的放射性元素的半衰期是不同的， 而且相差比較懸殊。比如， 由上圖可以看出放射性元素磷的半衰期是15 天； 而鐳的半衰期則是1622 年， 這還不算是長的； 鈉的半衰期更長， 要經過4510000000 年， 它的放射性強度才減弱一半。和鈾的半衰期相比， 磷的半衰期真是太短了， 不過它還不是最短的； 有的放射性元素的半衰期僅是幾秒鍾， 有的甚至還不到幾千萬分之一秒。
真正理解半衰期的實質是在弄清放射性衰變的實質之後。所謂放射性衰變就是大量的同種原子核因放射出射線而陸續發生轉變， 變成另外一種原子核的過程。這也稱為原子核衰變。那麽放射性物質的半衰期， 就是放射性物質的原子核衰變到原有原子核數一半所經過的時間。
放射性元素的半衰期的發現， 不僅引導人們去研究原子核， 而且也開辟了放射性元素的一些實際用途。比如， 利用放射性元素的半衰期， 可以測定岩石或化石的年代。我們知道， 鈾-238 是天然放射性元素， 它的半衰期是45 億年。它經過衰變， 最後變成穩定的元素鉛-206 。所以隻要分析出岩石中鈾和鉛的比例， 就可以準確地算出岩層的年齡。這在地質學和考古學上是常用的方法。
在當時， 放射性元素的用途還沒有這麽廣泛。那時最主要的用途是用測量放射性元素半衰期的方法， 去分辨出不同的放射性元素。
英國物理學家克魯克斯從鈾鹽中沉澱出一種物質， 這種物質具有極強的放射性， 但它的半衰期隻有24 天。所以， 克魯克斯認為這裏含有新放射性元素， 並給它取名叫鈾X1 。接著， 盧瑟福與他的合作者化學家索迪發現使釷沉澱的溶液也有放射性， 它的半衰期是3 天。他們認為這也是一種新的放射性元素， 給它起名為釷X 。就這樣， 幾年之內， 新發現的放射性元素多達30 多種， 而且它們的半衰期都不相同。這些新發現給科學家帶來的可並不都是興奮， 而更多的是一些疑惑。因為元素周期表上並沒有給這些新元素留下這麽多的空位。新發現的眾多放射性元素與元素周期表之間的矛盾， 就成了一個非常值得探討的問題。
在對放射性元素及其半衰期的深入研究中， 科學家們找到了答案。放射性元素鐳、釷和錒都放出射線， 這三種射線又都具有放射性， 但它們的半衰期卻各不相同。鐳放射出的射線的半衰期是4 天； 釷的射線半衰期是1 分鍾； 而錒的射線的半衰期僅有4 秒鍾。可是， 當用光譜儀來檢驗這三種射線時， 令科學家們大吃一驚的是， 這三種射線都是同一種元素―――氡。同一種元素應該有相同的性質， 它的放射性半衰期應該是一個， 而不是三個。可現在， 同一種元素氡卻出現了三個半衰期。這種奇怪的現象並不單是氡元素所獨有。後來又發現還有一種與釷的化學性質完全相同的放射性元素，但它的放射性半衰期卻與釷不同， 隻有1. 9 年， 還有一種在化學性質與鐳相同的放射性元素， 但它的半衰期僅有6. 7年。
為了解釋這種奇怪的現象， 化學家索迪提出了一個想法。他推測， 有一些原子， 它們的化學性質雖然相同， 但它們的質量和放射性性質卻可以是不同的； 而這些原子組成的化學元素在元素周期表上是處於同一個位置的， 它們叫做“同位素”。這是一個新奇的想法。科學上， 根據一定的實驗事實進行推測， 而提出一種理論上的解釋( 或預言)， 都被稱為“假說”。索迪提出的關於存在“同位素”的預言， 也就是一種假說。這是否正確， 不僅要看它的提出依據是否正確， 更重要的是要通過進一步的實驗， 看它的推測( 或預言) 是否正確， 才能判定這個假說可不可以被接受。
大家可能還記得。英國物理學家湯姆遜利用氣體放電管， 通過陰極射線的偏轉而發現了電子。在這之後， 大約是在1907 ～1912 年期間， 湯姆遜仍然在利用氣體放電管做實驗。但這時他研究的不是陰極射線， 而是陽極射線。他把原來儀器的高壓電極反過來接， 這時原來的陽極變成了陰極，原來的陰極變成了陽極。他在氣體放電管內充上氖氣， 發現利用電場和磁場使陽極偏轉時， 出現兩條偏轉程度不同的粒子束。湯姆遜認為這是因為氖不是單一氣體， 而是兩種氣體的混合物， 並且根據實驗算出其中一種氣體粒子的質量是氫原子的20 倍。另一種氣體粒子的質量則是氫原子的22 倍。
後來， 湯姆遜的學生阿斯頓改進了實驗裝置， 發現氖氣中較輕粒子的數量是較重粒子的10 倍， 二者的平均質量計算下來就正好是氫原子的20. 2 倍了。最後， 證實這兩種粒也都是氖原子。這表明， 有兩種不同質量的氖原子， 一種氖原子的質量是氫原子的20 倍， 另一種氖原子的質量是氫原子的22 倍。至此， 索迪的預言被證實了。
氖的同位素發現以後， 那些已經發現的許多放射性元素， 也都慢慢地在元素周期表上找到了自己應有的位置。其實它們子都是一些元素的同位素。盡管鐳、釷、錒三種元素射線的放射性半衰期不同， 但它們卻都是氡的同位素。
以後， 科學有們又陸續發現了一些放射性同位素。放射性同位素在實際中有著廣泛的應用， 這使得人們對它越來越感興趣。
隨著實際應用的增多， 單靠自然界中存在的同位素就難以滿足人們的需要。實際的需要是強大的動力， 迫使科學家設法用人工的方法來創造更多的同位素。本世紀30 年代，第一次用人工方法獲得了放射性同位素， 這是小居裏夫婦做出的貢獻。後來， 科學家們采用加速器， 用它發出的高速飛行的粒子去轟擊各種元素的原子核， 可以得到許多同位素。
目前， 人們已經確認的同位素就有2000 多種， 其中絕大多數是放射性同位素。隨著科學的發展和實際的需要， 人工製造的同位素還會增加。自從人們可以大規模地人工生產放射性同位素以後， 曾經價值千金的天然放射性元素， 例如鐳， 就不再像當初那麽昂貴了。這也使放射性同位素的應用更為廣泛， 特別是科學家發明了“原子示蹤技術”， 成為一種重要的探測手段。
據說， 曾有一位科學家懷疑吝嗇的房東用客人吃剩下的肉做菜再給客人吃。為了驗證這是否屬實， 他在吃剩下的一塊肉上滴了一滴放射性很弱的溶液。第二天， 房東將用碎肉做成的雜燴端了上來， 這位科學家拿出蓋革計數管湊近碎肉， 立刻儀器發出了滴答滴答的聲音。果然這個房東是作了手腳， 但他卻未能逃過放射性同位素這一火眼金睛。“原子示蹤技術”就是利用了放射性同位素在和其他物質發生複雜的作用之後， 它的放射性原子仍能被辨認出來的這一性質。這就好比是在放射性同位素的原子上打上了特殊的記號， 通過辨認這種記號就可以得到有關的信息。比如， 在醫學上， 通過給人注射放射性碘的同位素碘-131 ， 可以用作觀察人是否獲有甲狀腺這種疾病。碘的同位素會隨著血液走遍人的全身， 雖然在這一過程中它參加了人體的各種代謝過程， 但它自身卻一直保持著放射性。通過人體外的儀器， 識別出它的蹤跡， 可以觀察到它在甲狀腺的分布情況， 從而對是否有疾兆作出判斷。
同位素的存在被實驗證實了， 眾多放射性元素與元素周期表空位之間的矛盾也解決了。但是新的問題也就產生了。為什麽同一種元素的原子會有不同的質量和放射性性質呢？ 這一問題把物理學家引向了原子核的研究。
這個問題是在發現了中子， 認識到中子也是原子核構成的重要部分之後， 才搞清楚的。對於構成同一種元素的原子來說， 它的原子核中的質子數都是一樣的， 而中子數卻不相同。比如， 氧有三個同位素， 它們的原子量分別為16 、17 和18 。但是， 它們的原子核中都隻有8 個質子， 而它們的原子核中的中子數則分別是8 、9 和10 。
