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第15章 化学家的故事(15)

被人宠坏了的格林尼亚此时已无地自容了,他的威风、傲气、蛮霸一扫而空,在瑟堡市称雄称霸多年的格林尼亚被波多丽女伯爵三言两语打得落花流水。

应该庆幸的是格林尼亚自尊心尚未丧失,还知道羞耻。知耻近乎勇,格林尼亚闭门不出,检讨自己的行为。多年来在父母的宠爱下,在社会的纵容下,自己扮演了一个什么样的角色呀?20多岁的人了,五尺男子汉,要本事没有本事,要品德没有品德,竟成了社会上的一个“公害”。他想到波多丽女伯爵教训自己时,周围人都窃窃私语,人们早已看透了自己的品行,而自己的狐朋狗友也都纷纷躲藏起来,不敢露面,看来真是不得人心啊。

看透了自己的行为,认识到自己的错误格林尼亚感到有生以来的轻松。他并不是天生的坏蛋,优越的家庭条件和瑟堡市居民对他的家族的敬重,使得他走到了今天的境地。在瑟堡市不会有人来批评他,也不会有人相信他能够幡然悔悟。要想重新开始必须离开瑟堡市,找到了犯错误的原因,就必须马上改正。格林尼亚决心离家出走。他给家里留下了一封信:“请不要来找我,让我重新开始,我会战胜自己创造出一些成绩来的……”

格林尼亚的父母早已认识到自己教育的失败,却无从下手。现在儿子觉悟了,要走一条重新做人的道路,他们从心眼里感到高兴。他们终于清醒了:再也不能宠爱儿子了,应该让儿子自己去闯出一条新路。他们没有阻止儿子的行动,也没有到处寻找,只是静静地等待着儿子的好消息。

格林尼亚离家出走来到里昂,他本想入里昂大学就读,但是他从来就没有认真读过书,中、小学的学业荒废得太多了,这样的基础如何考得上大学呀,格林尼亚只好一切从头开始。幸好有一个叫路易·波尔韦的教授很同情他的遭遇,愿意帮助他补习功课。经过老教授的精心辅导和他自己的刻苦努力,花了两年的时间,才把耽误的功课补习完了。

这样,格林尼亚进入了里昂大学插班读书。他深知得到读书的机会来之不易,眼前只有一条路就是努力、努力、再努力;发奋、发奋、再发奋。当时学校有机化学权威巴比尔看中了他的刻苦精神和才能,于是,格林尼亚在巴比尔教授的指导下,学习和从事研究工作。1901年由于格林尼亚发现了格氏试剂而被授予博士学位。

离家出走8年之后,格林尼亚实现了出走时留下的诺言。离开家乡时,他是一个人人讨厌的纨绔子弟,而现在他已成为杰出的化学家了。家乡的父老为之欢呼,决定为他举行庆祝大会,并邀请他回家乡。但他不愿出席这样的大会,他无法原谅自己青少年时所做出的种种恶劣行为,无颜面对家乡的父老乡亲。

1912年瑞典皇家科学院鉴于格林尼亚发明了格氏试剂,对当时有机化学发展产生的重要影响,决定授予他诺贝尔化学奖。

当格林尼亚得知自己获得诺贝尔化学奖时,心情难以平静,他知道自己取得的成绩是与老师巴比尔分不开的。是巴比尔老师把自己已经开创的课题交给格林尼亚去继续研究,在巴比尔老师的指导之下,格林尼亚发现了格氏试剂——一种金属镁与卤代烷在乙醚溶液中反应生成的镁的有机化合物——通常称为烷基卤化镁。为此,格林尼亚上书瑞典皇家科学院诺贝尔基金委员会,诚恳地请求把诺贝尔化学奖发给巴比尔老师,此时的格林尼亚不仅是一位勤奋好学、成果累累的学者,也是一位道德高尚的人。

当格林尼亚获奖的消息传开之后,一天,他收到了一封贺信。信里只有一句话:“我永远敬爱你!”这是波多丽女伯爵写给他的贺信。多少年来,格林尼亚始终牢记女伯爵对自己的教育和严厉训斥。女伯爵当年的神情又浮现在他的脑海里,假使没有当年女伯爵的逆耳忠言,格林尼亚也不会有今天。现在她又写信表示祝贺,一往深情,实在难得。格林尼亚永记女伯爵的“一骂”深情,激励自己不断前进,终于在化学上作出了自己独特的贡献,永垂化学史册。

波多丽女伯爵骂倒了一个纨绔子弟,也骂出了一个诺贝尔奖获得者。一个人犯错误并不可怕,怕的是认识不到自己的错误,不能知错就改。

发明质谱仪的阿斯顿

阿斯顿,英国实验物理学家。因发明质谱仪分离同位素而获得1922年诺贝尔化学奖。

阿斯顿长期从事同位素和质谱仪的研究。他首次制成了聚焦性能较高的质谱仪,并用此来对许多元素的同位素及其丰度进行测量,从而肯定了同位素的普遍存在。

阿斯顿在英国伯明翰大学当物理研究生时,已显示出他在制作实验仪器和实验技巧出众的才能。毕业后阿斯顿来到了人才辈出的卡文迪许实验室,做实验室主任汤姆逊的助手,从而开始了他的科研生涯。

汤姆逊交给阿斯顿一个重要任务,即改进当时他做阳射线研究的气体放电实验装置,以更准确地测定阳射线在电磁场中的偏转度,从而来决定氖的组成和其原子量。灵巧的阿斯顿在汤姆逊的指导下,制造了一个球形放电管和带切口的阴极,改进了真空泵,发明了可以检查放电管真空泄漏的螺管和拍摄抛物线轨迹的照相机,这些改进明显地提高了实验的水平,与此同时他们也改进了实验方法。他们通过装置的改进,将电场和磁场前后排列,但是二者的方向相互垂直,还使它们的作用力与阳射线平行而方向相反。在这种实验装置中,阳射线在两种场的作用下,经过不同玻璃制造的棱镜后,分别向相反方向偏斜,然后又聚焦到同一点上,使感光底片感光乙被检测的气体元素的同位素会因为原子量不同,阳射线的速度也不同,致使其偏斜后的曲线曲率不同。据此就可以测出同位素及其原子量。

年轻的阿斯顿思想活跃,勇于接受新事物。当时索迪已经提出同位素的概念,当他仔细地研读了索迪的同位素假说后,立即认为这一假说是可以成立的。他采用了同位素的概念,用以解释他在实验中的发现。阳射线在电磁场作用下出现两条抛物线轨迹,表明同位素确实存在。由于同位素的质量不同,所以扩散时的速度也不同,因而出现两条抛物轨线。为了更清楚地证实这点,他先用分馏技术,然后又用扩散法,将氖同位素进行分离,最后再精确地测定它们的原子量,证实了Ne20和Ne22的存在。

在全英科学促进会的会议上,阿斯顿宣读了由这些工作而撰写的论文,并做了实验演示,展示了两种氖同位素的试样。对于他的这项研究,同行们给予很高的评价。他也由此而获得了麦克斯韦奖。

后来,汤姆逊就任剑桥大学三一学院院长,著名物理学家卢瑟福接替了汤姆逊原先的工作,成为卡文迪许实验室的负责人。卢瑟福最早提出放射性元素的擅变理论,因而对同位素的假说是理解的。他对阿斯顿的工作给予了很大的鼓励和具体的指导,使阿斯顿有更足够的信心来实现自己的计划。

阿斯顿根据他原先改进的测定阳射线的气体放电装置,又参照了当时光谱分析的原理,设计出一个包括有离子源、分析器和收集器三个部分组成的,可以分析同位素并测量其质量及丰度的新仪器,这就是质谱仪。离子源部分使用来研究其同位素的物质形成离子,然后将离子流经过分析器,在恒定的电场和磁场作用下,各同位素的离子由于质量不同,各循不同的路径到达收集器,从它们到达收集器的位置和强度,可测得各同位素的质量和丰度。这种仪器对于测量的结果精度达到千分之一。

阿斯顿的工作立即获得了科学界的高度评价。卢瑟福在给几位科学家同行的信中说:“阿斯顿利用他发明的质谱仪,发现了氖、氯、汞等元素的同位素。我看到有关的所有照片,结果似乎是肯定的。阿斯顿是一个好的实验家,很有技巧,因为他拼命工作了多年,理应获得这个成功。”

阿斯顿不仅擅长实验,而且兴趣广泛、知识渊博。为了调节他那长期呆在实验室的艰苦生活,他很喜欢旅行,还坚持参加体育运动,和他有精湛的实验技巧一样,他也是一个技术高超的摄影家,同时还是一个业余的音乐家。总之,他的生活远不像许多人想象的那样单调乏味。他还是一个善于筹集资金,精干经营的事业家。当今剑桥大学三一学院所积累的巨额资产中,就有当年阿斯顿所筹集的。

1945年,阿斯顿在剑桥大学因病逝世,终年68岁。

在化学研究上,取得很大成就的人往往具有活跃的思想和勇于接受新鲜事物的能力。阿斯顿就是这样的一个人,他发明质谱仪就源于此。我们青少年应具备这样的特点,要学会发扬自己这方面的能力,作出自己的成就。

同位素假说的提出者——索迪

化学家索迪,英国著名化学家。1910年提出了同位素假说,1913年发现了放射性元素的位移规律,为放射化学、核物理学这两门新学科的建立奠定了重要基础。

索迪生于英国伦敦一个商人家庭。少年时就立志将来做一位有成就的科学家,为此,从小学到大学他都努力学习,学习成绩年年优秀,还曾多次获得奖学金,17岁时,他以荣获一级荣誉学位的优异成绩毕业于牛津大学。

19世纪末,化学家发现一部分铀具有放射性,另一部分铀却无放射性。同时还发现钍、镭等放射性元素不仅能产生具有放射性的物质,而且还能使与它有接触的物质也产生放射性。这种放射性还会随着时间流逝而减弱,最后会消失。这些奇异的、当时无法解释的现象引起了当时正在加拿大蒙特利尔大学任实验物理学教授的卢瑟福的极大兴趣。他决定开展这一课题的研究,然而他觉得开展这项研究,必须为自己配备一个精通化学的实验助手。正当卢瑟福为自己寻找助手时,恰逢索迪到蒙特利尔大学访问,索迪一眼就被卢瑟福相中。就这样索迪刚出校门不久,就很幸运地成为卢瑟福的助手。事实已证明他们的合作是卓有成效的。

他们首先对钍的放射性做了大量的实验。他们将硝酸钍溶液用氨处理,沉淀出氢氧化钍,过滤后检查干燥的沉淀,其放射性显著降低,而将滤液蒸干除去硝酸铵后的残渣,却有极强的放射性。但过了一个月后,残渣的放射性消失,而钍却又恢复了原有的放射性。他们证实钍的放射性的确变化无常。他们还发现,如果把钍放在密闭的器皿中,其放射性强度较稳定,如果放在一个敞开的器皿中,其放射性强度就会变化不定,尤其容易受表面掠过的空气的影响。他们推测这可能是由于有某种物质放射出来,不久他们便证明这种被放射出来的物质是一种气体——钍射气。

他们还对有放射性的镭、锕进行实验研究,也发现存在同钍一样的现象。他们把镭放射出来的气体称为镭射气,锕放射出来的气体叫锕射气。根据这些实验结果,1902年卢瑟福、索迪提出元素蜕变假说:放射性是由于原子本身分裂或蜕变为另一种元素的原子而引起的。这与一般的化学反应不同,它不是原子间或分子间的变化,而是原子本身的自发变化,放射出射线,变成新的放射性元素。同时他们将这些实验结果和上述假说整理写成论文:“放射性的变化”。他们关于元素蜕变的假说一提出来,立即引起物理学界、化学界的强烈反对,因为他们认为一种元素的原子可以变成另一种元素的原子的观点,打破了长期以来认为元素的原子不能改变的传统观念。

卢瑟福和索迪在提出元素蜕变假说时,根据放射性元素在自发地发射射线的同时,还不断地放出能量这一事实,提出了“原子能”的概念。卢瑟福还用这理论说明太阳能和地热的来源,平息了物理学家和地质学家对此的长期争论。

在提出元素蜕变假说后,卢瑟福、索迪开始了对放射性元素的进一步深入研究。

1899年卢瑟福曾发现铀和铀的化合物所发出的射线有两种,一种极易被吸收,他命名为α射线;另一种有较强的穿透本领,他称之为β射线。继续研究时,他们又发现镭衰变时放射出氦离子,于是他们推测α射线就是氦离子流。为了验证这一推测,索迪离开了卢瑟福实验室,回到伦敦,和以发现和研究惰性气体闻名于世的拉姆塞合作,研究放射性镭所放射的气体。不久他们的实验就确认了卢瑟福和索迪的上述推测,α射线就是带正电荷的氦离子流。卢瑟福则证明该射线就是电子流。他们的共同努力,终于揭示了放射线的本质。

卢瑟福、索迪的开创性工作吸引了许多年轻的科学家。在以后的几年,人们不断地用各种方法从铀、钍、锕等放射性元素中分离出一种又一种“新”的放射性元素。八年后,被分离出来并加以研究过的放射性元素已近30种,多到周期表中没有可容纳它们的空位。这就产生了矛盾,怀疑周期表对放射性元素是否适用,另外人们对这些新发现的放射性元素进行对比研究后,发现有些放射性不同的元素化学性质则完全一样。例如钍与由它蜕变生成的射钍,尽管放射性显著不同,可是将它们混合后,却难以用化学方法使它们分离,化学性质则完全一样。这类事实积累得愈来愈多。

索迪根据这类事实,于1910年提出了著名的同位素假说:存在不同原子量和放射性,但其物理、化学性质完全一样的化学元素变种,这些变种应该处在周期表的同一位置上,因而命名为同位素。

接着索迪根据原子蜕变时放出射线相当于分裂出一个氦的正离子,放出射线相当于放出一个电子,从而提出了放射性元素蜕变的位移规则。放射性元素在进行以α蜕变后,在周期表上向前(即向左)移两位,即原子序数减2,原子量减4。发生β蜕变后,向后移一位,即原子序数增1,原子量不变。德国化学家法扬斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规则。

根据同位素假说,他们把天然放射性元素归纳为三个放射系列:铀-镭系、钍系、锕系。这不仅解决了数目众多的放射性“新”元素在周期表中的位置问题,而且也说明了它们之间的变化关系。根据位移规则推论,三个放射系列的最终产物都是铅,但各系列产生的铅的原子量却不一样。为了验证同位素假说和位移规则的准确性,1914年美国化学家里查兹完成了此项工作。1919年,英国化学家阿斯顿研制成质谱仪,使人们对同位素有了更清晰的认识。

因为索迪是从事放射性元素的研究,所以他特别关心放射性及其能量的和平利用,他提出应当控制放射性即原子能这个大能源库,使它成为人们的又一个太阳。他十分重视科学的社会功能,强调科学家要真正担负起自己的社会职责。1956年,索迪在英国的伯莱顿去世了,享年79岁。由于他对现代化学发展的卓越贡献,他的名字将永远和同位素联系在一起。