22.01 游离辐射导论 辐射与放射性之发现的历史 导论： 辐射可被定义成能量经物质或空间的传播。它的形式可为电磁波或带能量粒子。 来源：劳伦斯柏克莱实验室, 「微观世界：电磁波贫谱.」 [2003.03.26引用.] http://www.lbl.gov/MicroWorlds/ALSTool/EMSpec/EMSpec2.html 游离辐射有能力撞击原子中的电子，如产生游离。 游离辐射举例包括： ? 阿伐粒子 ? 贝它粒子 ? 中子 ? 加马射线 ? x射线 非游离辐射并没有足够能量与物质作用以游离原子。 非游离辐射举例包括： ? 微波 ? 可见光 ? 无线电波 ? 电视波 ? 紫外线辐射(除了非常短的波长以外) 地球在45亿年前以固态质量的形式存在时就有放射性。然而，我们直到一百多年前才知 道辐射与放射性。 1 你或许会对这辐射警示标志，「三叶形」，感到熟悉。见下面网址了解此符号的历史。 http://www.orau.com/ptp/articlesstories/radwarnsymbstory.htm 辐射与放射性的发现小历史 辐射与放射性的发现历史 1895: X-射线的发现 威廉．康拉德．仑琴(Wilhelm Conrad Roentgen) 于1895年11月8日发现X射线。 http://www.orcbs.msu.edu/radiation/radhistory/wilhelmrontgen.html 仑琴，就像当时的其它 物理学家一样，在其实验室进行「真空管」的电性放电试验。此玻璃管抽真空(且以一 排英格兰封蜡密封)并在两端以金属板封住。此金属板可连接到一电池或导线圈。为了 让此管发光需要通以电流。其光由负极板(阴极)发出并在阳极板(阳极)消失。若将一个 环形阳极封在管中央，其辉光(阴极射线)可投射过此环并射入管末端。若阴极射线之射 束的能量足以击发玻璃，则玻璃会发光(荧光)。 玻璃管的名称有许多种，例如：克鲁克士管(由威廉．克鲁克士命名)或希托夫管(约翰．希 托夫)基于个人有能力设计此管并产生或维持真空。仑琴的研究是利用希托夫管。[见 http://www.chem.uiuc.edu/clcwebsite/cathode.html 呈现一个在操作中的早期阴极射线管] 影像已移除 已经证实由阴极射出的「阴极射线」并没有非常强的穿透力。在1895年11月8日的晚 上，仑琴以黑色硬纸板覆盖整个管体。实验室完全黑暗。距离管体几呎之外以一张纸作 为一荧光屏，上面覆以氰化铂钡。在暗室里，仑琴注意到荧光屏发出荧光，放出光芒。 荧光屏发出荧光必定有东西撞击到它。然而，当希托夫管以硬纸板包覆时，并没有阴极 射线或光从希托夫管发射出。 2 非常令人讶异的，仑琴开始研究这个意外的偶然。他转动纸屏使未覆盖氰化钡铂的 那面对着管体–纸屏仍发出荧光。他再经纸屏拉远而纸屏仍发出荧光。接着他将几个物 体放在管体与纸屏之间，仍然出现荧光。当他将手放在管体前面时看到纸屏上出现他的 骨骼。 影像已移除 仑琴用x-射线获得的第一次影像中的一张，显示一只手的骨头。 仑琴单独在实验室里继续实验这「新射线」数周的时间。他发现物体被这些射线穿 透的程度不同。摄影板对x-射线灵敏。他并未侦测到射线有任何明显的的反射或折射， 即使在磁场也是不会偏折。射线源自于放电管区域即阴极射线撞击在玻璃管壁上的地 方。 在1895年12月28日，仑琴送一篇草稿给卢森堡物理-医学学会秘书处。它立即被印 制并在1896年发行。此文章受到很大的注目(可以想见的)且附上手的x-射线照片(须3-10 分钟来获取)使得很有可信度。这事件不容易忘记。 对此新发现的反应相当巨大。世界各地都邀请仑琴讲课，然而他都拒绝(一个例外， 他在1896年1月13日对德皇作一论述)。以持续他的研究。 在1896年已经有超过1,000篇主题在x射线的文章，而仑琴自己只分别于1896与1897 年写了两篇有关x射线之文章。接着他回到他先前感兴趣的研究上，而在1901年获颁第 一个诺贝尔奖。 克鲁克士/希托夫管发生了甚么？ 1. 磷光/荧光：来自管的发光 电子存在于原子中的不连续轨道中。电子只有在吸收能量可跳到较高轨道或放出能 量降到较低轨道。其能量相当于两轨道之间的能阶差。在下例中，一个在外层(E i )的电 子落到内层电子(E f )。在这转移中，会发散出能量。光子的能量相当于E i –E f 。若一光子 发射(接着能量吸收之后)非常快(如10 -8 ~10 -9 s)，此现象称为「荧光」。若射出较慢发生， 此现象称为「磷光」。 影像已移除 3 4 每个原子的能阶是独一无二的，在荧光期间所发射出的光非常离散且对特定元素就 像「指纹」一样。这事实常用来对试样作元素的辨识与量化。因为荧光(或磷光)光子对 元素而言是独一无二的，这些光有时称为「特性辐射」。 制动辐射(X-rays)：神秘的射线： 我们现在已知仑琴当此所发现的现象现在称为「制动辐射」。他本身并不清楚这射 线为何–它们是新奇的、具穿透性且神秘的。由于缺乏一个较佳的名称，于是他称它们 为「X射线」。 在希托夫管所产生的阴极射线，其电子撞击管身的玻璃壁。当电子与物质发生作用 时一般会发生两件事中的一件。它们(1)逐出物质中的轨道电子(藉由弹性碰撞)；这些电 子在物质中造成一本身的游离径迹；最后这能量以热的形式给予物质。轨道的空洞会由 来自较高壳层的电子掉落填满并放出特性辐射(荧光)。 或者，它们(2) 在玻璃管体中的原子核力场中减速。这电子是带负电荷且会受到带 正电荷的原子核吸引。电子的轨迹会改变，往原子核弯曲并减速。古典理论告诉我们当 任何带电粒子在加速状态下受到改变，会放射出电磁辐射(x-射线)。这现象称为制动辐 射，德文之意为「煞车辐射」，且为仑琴所观察到的现象。[此过程为今日所有X射线管 的基础，在本课程中会在之后更详细叙述。] 影像已移除 1896：放射性的发现 放射性的发现在X距离X射线之发现只有2.5个月。亨利．贝克勒尔，一位在荧光与 磷光的第三代专家，于1896年1月20日Académie des Sciences的每周集会中听到仑琴研究 的报告(并见到放射影像)。 [http://www.orcbs.msu.edu/radiation/radhistory/antoinebecquerel.html] 从希托夫管的荧光 玻璃放射出X射线的学习中，他立即推测由其它的荧光材质也会放出X射线。经过几天 的研究，测试了无数的荧光与磷光物质仍没有成功，直到他用了一种铀盐-硫酸钾铀。 一密封在黑纸内的摄影板，他于纸上洒下一层铀盐并将整个对象放在日光下数个小 时。之后他继续冲洗此摄影板，在黑暗中于负片上看到磷光材质的轮廓。接着他假设(错 误地)日光造成穿透射线的射出(且X射线来自荧光材质)。 5 下个故事中有部份较有名。贝克勒尔于2月26、27日试着重复这实验，而巴黎天空 多云。他以硫酸钾铀于摄影板上覆盖住，置于片匣中。接着在3月1日，他持续发展这摄 影板，预期可以看见非常微弱的影像。但影像却很鲜明。因此，铀盐所射出的射线有穿 透黑纸能力，不论他之前是否有经过日光曝露。 影像已移除 贝克勒尔立即想到这是长-生命期的不可见磷光所造成的影响，但以无磷光的铀盐 试验并发现它们也会产生影像轮廓而反驳这理论。此时贝克勒尔的发现似乎不如仑琴的 发现重要。(因为此时影像仍非常模糊且没有足够的铀，相对地许多、许多研究者已利 用克鲁克士管或希托夫管的「仑琴射线」对手部产生高分辨率的影像。) 贝克勒尔发现此「 贝克勒尔射线」会游离气体。因此它可能藉由简单地量测其产 生的游离来测量试样中的活度。此时已可利用一种粗制的金箔验电器做到。贝克勒尔于 1903年因放射性的发现而获得诺贝尔物理奖。 贝克勒尔持续研究从铀中放出的射线。然而铀的来源限制它的研究，第一点它是很 昂贵的材料，第二点他觉得其它材质没有比第一次发现射线来自的铀还强的放射物。因 此非贝克勒尔而是居礼研究其它元素，并首度发现钋与镭有能力成为非常强的射源且协 助铺向完全了解放射性蜕变过程的道路。 1897：说明阴极射线的特性 在1897年，在剑桥大学著名的卡文迪什实验室第三任主任汤姆生(J.J. Thompson) 完成许多有关阴极射线的实验。[见对汤姆生的简短历史 http://www.orcbs.msu.edu/radiation/radhistory/josephthomson.html与 http://webster.aip.org/history/electron/关于实验的有趣描述。] 他有能力在阴极射线管中 建立良好的真空，汤姆生有能力显示阴极射线在电场中的偏折。[他将管内两端的金属 板以电池连接。依照电池是否连接，决定制造出一窄的阴极射线射束，经过一对分离 的狭缝于形成一荧光路径于管末端上的不同位置。] 尽管已知阴极射线在磁场中会偏 折，却没人观察到它们在电场中的偏折。这是因为汤姆生有能力在其管中获得较佳真 空。[一较差的真空是个良导体。] 6 影像已移除 在第二个实验中汤姆生设备的概图。射线从阴极(C)经过阳极(A)的狭缝与一个接地的金 属栓塞(B)的狭缝。在两个铝板之间(D与E)建立一电压，且在管体末端的外侧有刻度以 量测射线的偏折。 在1897年描述他完成的实验：测定出阴极射线制造的粒子之电荷-质量比。汤姆生 同时证明了阴极射线(「电子」)为粒子。他也发现构成阴极射线的微粒与阴极的成份或 管中的气体并不同。这是因为电子比已知最轻的原子-氢还轻很多，意味着原子并非不 可分割的。 汤姆生因为证实电子的粒子特性而获得诺贝尔物理奖。有趣的是，在1937年，他的 儿子George汤姆生因证实电子的波特性而获得诺贝尔物理奖。 1897：玛莉亚．斯可罗多夫．居礼(Marie Sklodowska Curie)与皮埃尔．居礼的发现 在1897年9月，玛利亚居礼刚生下她第一个女儿后，已通过博士资格考试，正考虑 依丈夫的建议作为她博士论文的主题。皮埃尔建议她研究贝克勒尔发现的新现象。 [http://www.orcbs.msu.edu/radiation/radhistory/pierremariecurie.html] 她用较佳的验电计(含有一压电石英–皮埃尔与其兄弟贾奎斯曾探讨压电性)重复贝 克勒尔的实验为开端。她确认了铀试样所产生的游离(在空气中)程度与其辐射放出的强 度正比于成份中铀的量，而和其化学状态无关。接着她决定试验所有已知的元素并发现 只有钍发出的射线类似铀发出的(实际上G. C. Schmidt较早发现)。玛利亚居礼接着提出 一名词「放射性」来描述此现象。 下一步是研究天然矿石而不仅限于铀与钍的试样。令她惊讶的是，这些矿石中部份 的放射性比其铀和钍含量还高3~4倍。于是她下个正确的结论，矿石试样中含有比U和 Th更高放射性的东西。 她开始研究这种新物质，藉由一个明确的实验，她确定在铀矿中有某些种类的杂质。 [但是当她致力于在矿物中取出纯物质，这矿物并未如同铀含量般有预期更多的放射性。] 为了发现新物质，她必须处理天然矿石，溶解、分离其组成并利用电位计测量每个成份 的放射性。 7 这是个相当艰巨的任务，而她丈夫协助在沥青油矿取样后磨碎试样的程序。他们甚 至由一剩余物中浓缩出试样中一小部份的高浓度放射性。当他们发现一新元素，尽管其 试样纯度仍不足，但比U或Th更有放射性。它称为钋(由玛莉亚祖国波兰之名而来)。他 们也发现这物质经一特定时间(称为半衰期)会减少一半的量。 在化学分析期间，他们发现属于硫之一族，不融于酸溶液。他们也发现在钡族(钡、 锶、钙)中有放射性的存在。当他们最后成功地由钡中分离出带放射性的新物质，称为 镭。从已经挖光铀矿的捷克Joachimstal地区(在当时为主要的油矿开采中心)之沥青铀矿 残余物中获得一百公斤。玛莉亚与皮埃尔在没有抽气设施的实验室以双手对它们进行秤 重、溶解于不同溶液、加热并搅拌。经过两年后在试样中获得足够的镭以侦测物质原子 量中的改变。[钡的量为137，但其试样显示原子量为174。而我们现在已知纯镭的原子 量为226。玛莉亚花了12年以上才产出纯试样。] 至1902年，由于玛莉亚由沥青铀矿中萃取镭的繁重工作而减轻了20磅。但她已经有 足够的镭来供测量其原子量。她发现是225，几乎正确的值。 在1903年，玛莉亚与贝克勒尔共同获得诺贝尔物理奖。在1911年，玛莉亚居礼因镭 金属的纯化获得诺贝尔学奖，这是首次有人获得诺贝尔奖两次。 皮埃尔在1906年死于一场意外，此时玛莉亚年67岁。她已经病了一段很长的时间， 最后死于再生不良性贫血。[辐射的过度曝露造成。] 若察看周期表，你会发现镭与钙皆 在第一族。因此它们化性相近，而钙是一种骨骼的构成物，再生不良性贫血是一种血液 生成器官(如骨髓)缺陷功能造成的血液疾病。虽然没办法确定玛莉亚居礼是否死于辐射 诱发的再生不良性贫血，但在她死后，发现其实验室笔记本上有严重污染，甚至她家中 的书本在她死后50年仍具有放射性。 1899/1900年 阿伐(Alpha), 贝它(Beta)与加马(Gamma) 欧内斯特．拉瑟福德(Rutherford)，一位纽西兰物理学家， [http://www.orcbs.msu.edu/radiation/radhistory/ernestrutherford.html] 曾在1898-1899年于 卡文迪什实验室在汤姆生之下工作过。经过一连串实验使他确信从铀射出的辐射有两 种。他称为阿伐与贝他，希腊字母的头两个。在几年后得到一结论-贝他射线即阴极射 线。尽管在拉瑟福德与居礼已推测阿伐射线是粒子、原子电性电荷与高速射出，但其精 确的性质仍是个谜团。他们也知道可用非常薄的屏蔽(如纸张)来阻挡且在磁场中只有小 部份偏折。 8 在1900年，在法国的P. Villard也发现来自铀的另一种穿透辐射。这辐射既不是阿伐 也非贝他，比贝他粒子还具有穿透力；命名为加马。[ 贝克冲洗摄影板时所观察到的就 是加马射线的效果。加马射线穿透粒足以穿出固态铀盐并透过纸张。 ] 下图是由玛莉亚居礼博士论文中撷取的，呈现出在磁场中α、β、γ射线的行为。 在经过几年后已有许多实验完成并可确认这些射线的行为与精确的性质。 影像已移除 何谓「放射性」？ 「放射性「首度使用是在居礼的1899年文章中出现。但放射性的精确特性仍然困惑 着每个人。其放射并未受温度或化态影响。因此，具穿透性之贝克射线不论是在固态块 状或热溶状态的铀中皆观察得到。其放射会改变玻璃颜色并烧烫皮肤，且会产生热。注 意的是放射并未局限于铀、镭或钋才有。当年研究者发现在雨中、固体与空气中也有一 些。这更令人困惑，有些元素显示有相同放射的比例(即「活性」)，这些元素根据特定 的半衰期减少。[现在已知所有放射活性元素以特定半衰期蜕变。只有特别长半生命期 的元素以恒定速率蜕变。] 作为考量的资料已由物理学家与化学家所支持。在1900年克鲁克士发现若有氢氧化 铁沈淀于铀盐溶液中，所有活性会集中在沈淀物中，而铀则无活性。然而，经过几天后 沈淀误会失去活性，而铀则有活性。类似的现象也发生于其它放射性物质，只是时间不 同-有些要几小时、有些要几分钟。 当时已有许多理论能解释这辐射线现象。贝克勒尔首先提出放射性是磷光蜕变的形 式。这说法并不正确，因为有些物质没有磷光现象却有放射性。克鲁克士管的发明者， 克鲁克士，认为是由快速移动的空气分子中萃取出能量的过程。对此说法已被真空的传 导实验所反驳。玛莉亚居礼则提出X射线在空间中是恒定传播，只有遇到重元素会被吸 收。此理论经试验后也被驳倒。拉瑟福德与索迪(一位化学家)提出辐射之放射是源于一 个元素自发地转变成另一种元素。这理论经修正且拉瑟福德因证实这件事而获得1908年 的诺贝尔奖(化学)。然而，这理论基本上是认为原子是不可分割的，人们在这之前一直 深信不疑！ 9 原子的结构 由于放射性的现象之发现与研究导致我们对原子基本结构的认识。在1900年已知道 电子带负电荷。也已知电子只占原子质量的极小部份。问题是：在原子中的质量与电荷 是如何分布的？ 汤姆生提出一个理论称为「葡萄干布丁模型」。他假设极小的负电子星罗棋布于非 常大质量的原子核中，就如同在糕点中的葡萄干。 正电荷 负电荷(电子) 然而，拉瑟福德完成著名的散射实验并提出原子结构并不像葡萄干布丁。这实验用 了一个放射源(如 214 Po)、一薄箔片、硫化锌荧光屏、一显微镜与待在黑暗中许多小时。 其设备与设置如下。 影像已移除 这想法是以阿伐粒子撞及薄箔片并观察其散射角。荧光屏搭配显微镜就是一个侦测 器。当阿伐粒子撞击荧光屏时会有闪光出现，拉瑟福德与他的学生透过显微镜观察闪光 (须先坐在黑暗中让眼睛适应)。荧光屏/显微镜的组合可绕着箔片移动使得闪光数目以对 数为角度的函数。 实验的结果如下，多数阿伐粒子直射过箔片。少部份以不同角度散射。但8000个中 只有一个回散射！[这发现与葡萄干布丁模型不一致！] 基于这些实验的结果，拉瑟福德 提出原子核的「行星模型」。 原子 在拉瑟福德的行星模型中，所有正电荷与几乎所有的质量皆集中在原子中心的一个 小点。围绕在原子核周围的是所有带负电荷的轻电子。电子彼此之间无法辨别，以一特 定轨道绕行原子体。轨道的改变需要一特定的能量变化。 10 原子半径：10 -8 cm 原子核半径：～5×10 -13 cm 影像已移除 如果你能看见，会发现物质之中大部分是空的！ 11