4. 放射性元素的半衰期与同位素的预言
放射性现象是人们认识原子世界的一个重要向导。许多关于原子和原子核的知识， 都是通过对放射性现象的研究而获得的。
在刚开始研究放射性现象的时候， 人们都以为放射性元素是永远不停地发出射线的。随着研究的深入， 这种看法被证明是错误的。
科学家们发现， 虽然外界条件并不能影响放射性物质发生射线的快慢， 但是放射性物质的放射性强度却是随着时间的增加而慢慢减弱的。进一步的细致研究， 还发现这种放射性减弱也是有一定规律的。首先， 科学家得到的是关于放射性强度随时间变化的实验规律。图就是磷元素的放射性强度随时间变化的情况。图中的N 是表示在时间t 时， 放射性元素的原子核数； N0 是表示在时间t=0 时， 放射性元素的原子核数； NN0 就表示放射性元素的放射性强度。接下来，就是对这种变化规律的数量化。科学家们提出了一个新的概念来描述这一规律， 这个新概念就是半衰期， 它的含义是放射性强度减弱一半所需要的时间。不同的放射性元素的半衰期是不同的， 而且相差比较悬殊。比如， 由上图可以看出放射性元素磷的半衰期是15 天； 而镭的半衰期则是1622 年， 这还不算是长的； 钠的半衰期更长， 要经过4510000000 年， 它的放射性强度才减弱一半。和铀的半衰期相比， 磷的半衰期真是太短了， 不过它还不是最短的； 有的放射性元素的半衰期仅是几秒钟， 有的甚至还不到几千万分之一秒。
真正理解半衰期的实质是在弄清放射性衰变的实质之后。所谓放射性衰变就是大量的同种原子核因放射出射线而陆续发生转变， 变成另外一种原子核的过程。这也称为原子核衰变。那么放射性物质的半衰期， 就是放射性物质的原子核衰变到原有原子核数一半所经过的时间。
放射性元素的半衰期的发现， 不仅引导人们去研究原子核， 而且也开辟了放射性元素的一些实际用途。比如， 利用放射性元素的半衰期， 可以测定岩石或化石的年代。我们知道， 铀-238 是天然放射性元素， 它的半衰期是45 亿年。它经过衰变， 最后变成稳定的元素铅-206 。所以只要分析出岩石中铀和铅的比例， 就可以准确地算出岩层的年龄。这在地质学和考古学上是常用的方法。
在当时， 放射性元素的用途还没有这么广泛。那时最主要的用途是用测量放射性元素半衰期的方法， 去分辨出不同的放射性元素。
英国物理学家克鲁克斯从铀盐中沉淀出一种物质， 这种物质具有极强的放射性， 但它的半衰期只有24 天。所以， 克鲁克斯认为这里含有新放射性元素， 并给它取名叫铀X1 。接着， 卢瑟福与他的合作者化学家索迪发现使钍沉淀的溶液也有放射性， 它的半衰期是3 天。他们认为这也是一种新的放射性元素， 给它起名为钍X 。就这样， 几年之内， 新发现的放射性元素多达30 多种， 而且它们的半衰期都不相同。这些新发现给科学家带来的可并不都是兴奋， 而更多的是一些疑惑。因为元素周期表上并没有给这些新元素留下这么多的空位。新发现的众多放射性元素与元素周期表之间的矛盾， 就成了一个非常值得探讨的问题。
在对放射性元素及其半衰期的深入研究中， 科学家们找到了答案。放射性元素镭、钍和锕都放出射线， 这三种射线又都具有放射性， 但它们的半衰期却各不相同。镭放射出的射线的半衰期是4 天； 钍的射线半衰期是1 分钟； 而锕的射线的半衰期仅有4 秒钟。可是， 当用光谱仪来检验这三种射线时， 令科学家们大吃一惊的是， 这三种射线都是同一种元素―――氡。同一种元素应该有相同的性质， 它的放射性半衰期应该是一个， 而不是三个。可现在， 同一种元素氡却出现了三个半衰期。这种奇怪的现象并不单是氡元素所独有。后来又发现还有一种与钍的化学性质完全相同的放射性元素，但它的放射性半衰期却与钍不同， 只有1. 9 年， 还有一种在化学性质与镭相同的放射性元素， 但它的半衰期仅有6. 7年。
为了解释这种奇怪的现象， 化学家索迪提出了一个想法。他推测， 有一些原子， 它们的化学性质虽然相同， 但它们的质量和放射性性质却可以是不同的； 而这些原子组成的化学元素在元素周期表上是处于同一个位置的， 它们叫做“同位素”。这是一个新奇的想法。科学上， 根据一定的实验事实进行推测， 而提出一种理论上的解释( 或预言)， 都被称为“假说”。索迪提出的关于存在“同位素”的预言， 也就是一种假说。这是否正确， 不仅要看它的提出依据是否正确， 更重要的是要通过进一步的实验， 看它的推测( 或预言) 是否正确， 才能判定这个假说可不可以被接受。
大家可能还记得。英国物理学家汤姆逊利用气体放电管， 通过阴极射线的偏转而发现了电子。在这之后， 大约是在1907 ～1912 年期间， 汤姆逊仍然在利用气体放电管做实验。但这时他研究的不是阴极射线， 而是阳极射线。他把原来仪器的高压电极反过来接， 这时原来的阳极变成了阴极，原来的阴极变成了阳极。他在气体放电管内充上氖气， 发现利用电场和磁场使阳极偏转时， 出现两条偏转程度不同的粒子束。汤姆逊认为这是因为氖不是单一气体， 而是两种气体的混合物， 并且根据实验算出其中一种气体粒子的质量是氢原子的20 倍。另一种气体粒子的质量则是氢原子的22 倍。
后来， 汤姆逊的学生阿斯顿改进了实验装置， 发现氖气中较轻粒子的数量是较重粒子的10 倍， 二者的平均质量计算下来就正好是氢原子的20. 2 倍了。最后， 证实这两种粒也都是氖原子。这表明， 有两种不同质量的氖原子， 一种氖原子的质量是氢原子的20 倍， 另一种氖原子的质量是氢原子的22 倍。至此， 索迪的预言被证实了。
氖的同位素发现以后， 那些已经发现的许多放射性元素， 也都慢慢地在元素周期表上找到了自己应有的位置。其实它们子都是一些元素的同位素。尽管镭、钍、锕三种元素射线的放射性半衰期不同， 但它们却都是氡的同位素。
以后， 科学有们又陆续发现了一些放射性同位素。放射性同位素在实际中有着广泛的应用， 这使得人们对它越来越感兴趣。
随着实际应用的增多， 单靠自然界中存在的同位素就难以满足人们的需要。实际的需要是强大的动力， 迫使科学家设法用人工的方法来创造更多的同位素。本世纪30 年代，第一次用人工方法获得了放射性同位素， 这是小居里夫妇做出的贡献。后来， 科学家们采用加速器， 用它发出的高速飞行的粒子去轰击各种元素的原子核， 可以得到许多同位素。
目前， 人们已经确认的同位素就有2000 多种， 其中绝大多数是放射性同位素。随着科学的发展和实际的需要， 人工制造的同位素还会增加。自从人们可以大规模地人工生产放射性同位素以后， 曾经价值千金的天然放射性元素， 例如镭， 就不再像当初那么昂贵了。这也使放射性同位素的应用更为广泛， 特别是科学家发明了“原子示踪技术”， 成为一种重要的探测手段。
据说， 曾有一位科学家怀疑吝啬的房东用客人吃剩下的肉做菜再给客人吃。为了验证这是否属实， 他在吃剩下的一块肉上滴了一滴放射性很弱的溶液。第二天， 房东将用碎肉做成的杂烩端了上来， 这位科学家拿出盖革计数管凑近碎肉， 立刻仪器发出了滴答滴答的声音。果然这个房东是作了手脚， 但他却未能逃过放射性同位素这一火眼金睛。“原子示踪技术”就是利用了放射性同位素在和其他物质发生复杂的作用之后， 它的放射性原子仍能被辨认出来的这一性质。这就好比是在放射性同位素的原子上打上了特殊的记号， 通过辨认这种记号就可以得到有关的信息。比如， 在医学上， 通过给人注射放射性碘的同位素碘-131 ， 可以用作观察人是否获有甲状腺这种疾病。碘的同位素会随着血液走遍人的全身， 虽然在这一过程中它参加了人体的各种代谢过程， 但它自身却一直保持着放射性。通过人体外的仪器， 识别出它的踪迹， 可以观察到它在甲状腺的分布情况， 从而对是否有疾兆作出判断。
同位素的存在被实验证实了， 众多放射性元素与元素周期表空位之间的矛盾也解决了。但是新的问题也就产生了。为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性性质呢？ 这一问题把物理学家引向了原子核的研究。
这个问题是在发现了中子， 认识到中子也是原子核构成的重要部分之后， 才搞清楚的。对于构成同一种元素的原子来说， 它的原子核中的质子数都是一样的， 而中子数却不相同。比如， 氧有三个同位素， 它们的原子量分别为16 、17 和18 。但是， 它们的原子核中都只有8 个质子， 而它们的原子核中的中子数则分别是8 、9 和10 。
在刚开始研究放射性现象的时候， 人们都以为放射性元素是永远不停地发出射线的。随着研究的深入， 这种看法被证明是错误的。
科学家们发现， 虽然外界条件并不能影响放射性物质发生射线的快慢， 但是放射性物质的放射性强度却是随着时间的增加而慢慢减弱的。进一步的细致研究， 还发现这种放射性减弱也是有一定规律的。首先， 科学家得到的是关于放射性强度随时间变化的实验规律。图就是磷元素的放射性强度随时间变化的情况。图中的N 是表示在时间t 时， 放射性元素的原子核数； N0 是表示在时间t=0 时， 放射性元素的原子核数； NN0 就表示放射性元素的放射性强度。接下来，就是对这种变化规律的数量化。科学家们提出了一个新的概念来描述这一规律， 这个新概念就是半衰期， 它的含义是放射性强度减弱一半所需要的时间。不同的放射性元素的半衰期是不同的， 而且相差比较悬殊。比如， 由上图可以看出放射性元素磷的半衰期是15 天； 而镭的半衰期则是1622 年， 这还不算是长的； 钠的半衰期更长， 要经过4510000000 年， 它的放射性强度才减弱一半。和铀的半衰期相比， 磷的半衰期真是太短了， 不过它还不是最短的； 有的放射性元素的半衰期仅是几秒钟， 有的甚至还不到几千万分之一秒。
真正理解半衰期的实质是在弄清放射性衰变的实质之后。所谓放射性衰变就是大量的同种原子核因放射出射线而陆续发生转变， 变成另外一种原子核的过程。这也称为原子核衰变。那么放射性物质的半衰期， 就是放射性物质的原子核衰变到原有原子核数一半所经过的时间。
放射性元素的半衰期的发现， 不仅引导人们去研究原子核， 而且也开辟了放射性元素的一些实际用途。比如， 利用放射性元素的半衰期， 可以测定岩石或化石的年代。我们知道， 铀-238 是天然放射性元素， 它的半衰期是45 亿年。它经过衰变， 最后变成稳定的元素铅-206 。所以只要分析出岩石中铀和铅的比例， 就可以准确地算出岩层的年龄。这在地质学和考古学上是常用的方法。
在当时， 放射性元素的用途还没有这么广泛。那时最主要的用途是用测量放射性元素半衰期的方法， 去分辨出不同的放射性元素。
英国物理学家克鲁克斯从铀盐中沉淀出一种物质， 这种物质具有极强的放射性， 但它的半衰期只有24 天。所以， 克鲁克斯认为这里含有新放射性元素， 并给它取名叫铀X1 。接着， 卢瑟福与他的合作者化学家索迪发现使钍沉淀的溶液也有放射性， 它的半衰期是3 天。他们认为这也是一种新的放射性元素， 给它起名为钍X 。就这样， 几年之内， 新发现的放射性元素多达30 多种， 而且它们的半衰期都不相同。这些新发现给科学家带来的可并不都是兴奋， 而更多的是一些疑惑。因为元素周期表上并没有给这些新元素留下这么多的空位。新发现的众多放射性元素与元素周期表之间的矛盾， 就成了一个非常值得探讨的问题。
在对放射性元素及其半衰期的深入研究中， 科学家们找到了答案。放射性元素镭、钍和锕都放出射线， 这三种射线又都具有放射性， 但它们的半衰期却各不相同。镭放射出的射线的半衰期是4 天； 钍的射线半衰期是1 分钟； 而锕的射线的半衰期仅有4 秒钟。可是， 当用光谱仪来检验这三种射线时， 令科学家们大吃一惊的是， 这三种射线都是同一种元素―――氡。同一种元素应该有相同的性质， 它的放射性半衰期应该是一个， 而不是三个。可现在， 同一种元素氡却出现了三个半衰期。这种奇怪的现象并不单是氡元素所独有。后来又发现还有一种与钍的化学性质完全相同的放射性元素，但它的放射性半衰期却与钍不同， 只有1. 9 年， 还有一种在化学性质与镭相同的放射性元素， 但它的半衰期仅有6. 7年。
为了解释这种奇怪的现象， 化学家索迪提出了一个想法。他推测， 有一些原子， 它们的化学性质虽然相同， 但它们的质量和放射性性质却可以是不同的； 而这些原子组成的化学元素在元素周期表上是处于同一个位置的， 它们叫做“同位素”。这是一个新奇的想法。科学上， 根据一定的实验事实进行推测， 而提出一种理论上的解释( 或预言)， 都被称为“假说”。索迪提出的关于存在“同位素”的预言， 也就是一种假说。这是否正确， 不仅要看它的提出依据是否正确， 更重要的是要通过进一步的实验， 看它的推测( 或预言) 是否正确， 才能判定这个假说可不可以被接受。
大家可能还记得。英国物理学家汤姆逊利用气体放电管， 通过阴极射线的偏转而发现了电子。在这之后， 大约是在1907 ～1912 年期间， 汤姆逊仍然在利用气体放电管做实验。但这时他研究的不是阴极射线， 而是阳极射线。他把原来仪器的高压电极反过来接， 这时原来的阳极变成了阴极，原来的阴极变成了阳极。他在气体放电管内充上氖气， 发现利用电场和磁场使阳极偏转时， 出现两条偏转程度不同的粒子束。汤姆逊认为这是因为氖不是单一气体， 而是两种气体的混合物， 并且根据实验算出其中一种气体粒子的质量是氢原子的20 倍。另一种气体粒子的质量则是氢原子的22 倍。
后来， 汤姆逊的学生阿斯顿改进了实验装置， 发现氖气中较轻粒子的数量是较重粒子的10 倍， 二者的平均质量计算下来就正好是氢原子的20. 2 倍了。最后， 证实这两种粒也都是氖原子。这表明， 有两种不同质量的氖原子， 一种氖原子的质量是氢原子的20 倍， 另一种氖原子的质量是氢原子的22 倍。至此， 索迪的预言被证实了。
氖的同位素发现以后， 那些已经发现的许多放射性元素， 也都慢慢地在元素周期表上找到了自己应有的位置。其实它们子都是一些元素的同位素。尽管镭、钍、锕三种元素射线的放射性半衰期不同， 但它们却都是氡的同位素。
以后， 科学有们又陆续发现了一些放射性同位素。放射性同位素在实际中有着广泛的应用， 这使得人们对它越来越感兴趣。
随着实际应用的增多， 单靠自然界中存在的同位素就难以满足人们的需要。实际的需要是强大的动力， 迫使科学家设法用人工的方法来创造更多的同位素。本世纪30 年代，第一次用人工方法获得了放射性同位素， 这是小居里夫妇做出的贡献。后来， 科学家们采用加速器， 用它发出的高速飞行的粒子去轰击各种元素的原子核， 可以得到许多同位素。
目前， 人们已经确认的同位素就有2000 多种， 其中绝大多数是放射性同位素。随着科学的发展和实际的需要， 人工制造的同位素还会增加。自从人们可以大规模地人工生产放射性同位素以后， 曾经价值千金的天然放射性元素， 例如镭， 就不再像当初那么昂贵了。这也使放射性同位素的应用更为广泛， 特别是科学家发明了“原子示踪技术”， 成为一种重要的探测手段。
据说， 曾有一位科学家怀疑吝啬的房东用客人吃剩下的肉做菜再给客人吃。为了验证这是否属实， 他在吃剩下的一块肉上滴了一滴放射性很弱的溶液。第二天， 房东将用碎肉做成的杂烩端了上来， 这位科学家拿出盖革计数管凑近碎肉， 立刻仪器发出了滴答滴答的声音。果然这个房东是作了手脚， 但他却未能逃过放射性同位素这一火眼金睛。“原子示踪技术”就是利用了放射性同位素在和其他物质发生复杂的作用之后， 它的放射性原子仍能被辨认出来的这一性质。这就好比是在放射性同位素的原子上打上了特殊的记号， 通过辨认这种记号就可以得到有关的信息。比如， 在医学上， 通过给人注射放射性碘的同位素碘-131 ， 可以用作观察人是否获有甲状腺这种疾病。碘的同位素会随着血液走遍人的全身， 虽然在这一过程中它参加了人体的各种代谢过程， 但它自身却一直保持着放射性。通过人体外的仪器， 识别出它的踪迹， 可以观察到它在甲状腺的分布情况， 从而对是否有疾兆作出判断。
同位素的存在被实验证实了， 众多放射性元素与元素周期表空位之间的矛盾也解决了。但是新的问题也就产生了。为什么同一种元素的原子会有不同的质量和放射性性质呢？ 这一问题把物理学家引向了原子核的研究。
这个问题是在发现了中子， 认识到中子也是原子核构成的重要部分之后， 才搞清楚的。对于构成同一种元素的原子来说， 它的原子核中的质子数都是一样的， 而中子数却不相同。比如， 氧有三个同位素， 它们的原子量分别为16 、17 和18 。但是， 它们的原子核中都只有8 个质子， 而它们的原子核中的中子数则分别是8 、9 和10 。
