寻找填补空位的新元素
X射线的发现为周期表的历史开辟了一个新的时代。1911年,英国物理学家巴拉克发现,当X射线被金属散射时,散射后的X射线的穿透本领会随着金属的不同而迥然不同。
1914年,英国青年物理学家莫塞莱确定了各种金属所产生的标识X射线的波长,并得到了一个重要的发现:各元素的波长非常有规律地随着它们在周期表中的排列顺序而递减。
这使得各种元素在周期表中应处的位置完全固定下来了。如果周期表中有两个挨在一起的元素,它们所产生的X射线的波长差比原来预期的差值大一倍的话,那么,它们之间肯定应当有一个属于一个未知元素的空位;如果两个元素的标识X射线的波长差同预期值并没有出入,那么,就可以肯定它们之间并不存在着待填补进去的元素。这样,人们就有可能确切地知道元素的确定数目了。
化学家们当时把元素从1(氢)一直排列到92(铀),并且发现,这种“原子序数”不仅对于了解原子的内部结构十分重要,而且比原子量更为重要。
莫塞莱的新体系几乎立即就被证明是很有价值的。法国化学家于尔班在发现了镥以后,曾宣布他又发现了另外一种被称之为“锯”的新元素、根据莫塞莱的体系,镥是第71号元素,而“锯”则应该是第72号元素。但是在莫塞莱分析了“锯”的标识X射线以后,弄清了所谓“锯”实际上仍然是镥。第72号元素一直到1923年,才被丹麦物理学家科斯特和匈牙利化学家赫维西在哥本哈根的一个实验室中检测出来,并定名为铪。
当莫塞莱的方法的准确性得到了证实的时候,他已经不在人世了,他是在1915年作为第一次世界大战的牺牲者,在加利波利死去的,当时才28岁。瑞典物理学家西格班扩展了莫塞莱的工作,他发现了一系列新的X射线,并精确地测定了各种元素的X射线谱,并因此项工作而获得了1924年的诺贝尔物理学奖。
1925年,德国的诺达克、塔克和贝格又填补了周期表的另外一个空位。他们在对可能含有他们要寻找的这种元素的矿石进行了三年的研究以后,终于发现了第75号元素,并把它定名为铼。这就使得周期表中尚待填补的空位只剩下了四个,即第43号、第61号、第85号和第87号元素。
没想到的是,人们为了寻找剩下的这四个元素,用了整整二十年的时间,因为化学家们当时并没有认识到,所有的稳定性元素已经全部找到了,尚待填补的这几个元素都是不稳定的元素,它们在今天的地球上已经极其稀少,因而除了其中一个元素以外,全都必须在实验室中用人工方法制备出来,才能加以证认,而这里就大有文章了。
放射性元素
X射线发现以后,许多科学家都兴致勃勃地去研究这类新的、具有巨大穿透能力的辐射,法国物理学家亨利·贝克勒尔就是其中之一。他的父亲亚历山大·贝克勒尔对“荧光”特别感兴趣(荧光是某些物质被日光的紫外线照射以后所发出的可见辐射)。老贝克勒尔曾对一种称为硫酸双氧铀钾的荧光物质进行了研究,而小贝克勒尔则想知道在硫酸双氧铀钾的荧光辐射中是否含有 X射线 ,结果小贝克勒尔发现了更激动人心的铀的放射性。
“放射性”这个术语是居里夫人提出来的,她用它来描述铀的辐射能力。居里夫人还进一步发现了第二种放射性物质——钍。在这以后,很快又有别的科学工作者作出了许多重要的发现。他们的发现证明,放射性物质的辐射不但比 X射线具有更大的穿透力,而且也更强。此外,科学工作者又发现,放射性物质还会发出别种射线,这又使科学家们在原子的内部结构方面得到了一些新的发现。
放射性元素在发出射线的过程中会转变为另一种元素。第一个发现这一现象的是居里夫人,她是在无意中发现的。有一次,居里夫人和她的丈夫为了弄清一批沥青铀矿样品中是否含有值得加以提炼的铀,他们对其中的含铀量进行了测定,但他们惊讶地发现,有几块样品的放射性甚至此纯铀的放射性还要大。这就很明显地意味着,在这些沥青铀矿石中一定还含有别的放射性元素。同时,这些未知的放射性元素一定是非常少的,因为用普通的化学分析方法不能把它们检测出来 。
居里夫妇带着十分激动的心情,搞到了几吨沥青铀矿,他们在一个很小的木棚里建了一个作坊,在很原始的条件下以极大的毅力在这些很重的黑色矿石中寻找这些痕量的新元素。1898年7月,他们终于分离出极小量的黑色粉末,这些黑色粉末的放射性比同等数量的铀强400倍。
这些黑色粉末含有一种在化学性质上和碲很相似的新元素,因此,它在周期表中的位置似乎应该处在碲的下面。居里夫妇把这个元素定名为钋,以纪念居里的祖国波兰。
但是钋只是使她们的黑色样品具有这样强的放射性的部分原因。因此,她们又把这项工作继续进行下去,到1898年12月,居里夫妇又提炼出一些放射性此钋还要强的东西,其中含有另一种在化学特性上和钡很相似的元素,居里夫妇把它定名为镭,意思是“射线”。
居里夫妇为了收集足够多的纯镭以便对它进行研究,又进行了四年的工作。居里夫人在1903年就她所进行的研究写了一个提要,作为她的博土论文。这也许是科学史上最出色的博土论文,它使她两次获得了诺贝尔奖金。居里夫人和她的丈夫以及贝克勒尔因在放射性方面的研究而获得了1903年的诺贝尔物理学奖,1911年,居里夫人因为她在发现钋和镭方面立下的功绩而单独获得了诺贝尔化学奖。
钋和镭远比铀和钍不稳定,换句话说,前者的放射性远比后者显著,每秒钟有更多的原子发生衰变。它们的寿命非常之短,因此,实际上宇宙中所有的钋和镭都应当在一百万年左右的时间内全部消失。那么,为什么我们还能在这个已经有几十亿岁的地球上发现它们呢,这是因为在铀和钍衰变为铅的过程中会继续不断地形成镭和钋。凡是能找到铀和钍的地方,就一定能找到痕量的钋和镭。它们是铀和钍衰变为铅的过程中的中间产物。
在铀和钍衰变为铅的过程中还形成另外三种不稳定元素,它们有的是通过对沥青铀矿的细致分析而被发现的,有的则是通过对放射性物质的深入研究而被发现的。
1899年,德比埃尔内根据居里夫妇的建议,在沥青铀矿石中继续寻找其他放射性元素,终于发现了被他定名为锕的元素,这个元素后来被列为第89号元素;1900年,德国物理学家多恩指出,当镭发生衰变时,会生成一种气态元素。放射性气体在当时是一种新鲜的东西,这个元素后来被命名为氡,并被列为第86号元素;最后,到1917年,两个研究小组——德国的哈恩和梅特涅小组、英国的索迪和克兰斯顿小组——又从沥青铀矿石中分离出第9l号元素——镤。
到1925年为止,已被确认的元素总共巳达八十八种,其中有八十一种是稳定的,七种是不稳定的。这样一来,努力找出尚未发现的四种元素(即第43,61,85,87号元素)就成为科学家们的迫切愿望了。