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同位素发现百年纪念

同位素发现百年纪念

REFLECTION
Soddy in his lab at the University of Glasgow.
Credit: University of Glasgow Archive Services, GB0248 UP1/503/1

Frederick Soddy在一百年前的这个月发现:元素可以有几种原子量。

1913年的12月4日,辐射化学家Frederick Soddy(弗雷德里克·索迪,1877年9月2日-1956年9月22日)提出「同位素」的概念。而Soddy也因此获得1921年诺贝尔奖的殊荣。

一位早熟的少年

Soddy出生在1877年9月2日英国的Eastbourne,他是一位早熟的少年。在18个月大时,就面临母亲的去世,由信仰加尔文传统(Calvinist tradition)[1]的堂妹扶养长大,也因此培养出索迪独立于当代社会与宗教的独立性思考模式。Soddy曾在Eastbourne学院、Aberystwyth学院Wales分院、Merton学院、Oxford大学就读。而后于1898到1900之间,在Oxford大学进行独立研究。

放射性蜕变的发现

1900年Soddy在McGill大学时,成为一名化学界的示威者。与英国物理学家Rutherford共同研究物质的放射性。而在当时,对放射性的了解可说是少之又少,而Soddy与Rutherford就已经意识到,放射性的存在,是肇因于元素的衰变。元素衰变时会释放α-, β-, and γ-radiation。Soddy用化学方法来辨别出衰变的产物。并于1900到1902年之间的时8个月当中,Soddy和Rutherford共同出版了九篇历史性的文章,文章当中提出了:原子分裂后可以产新的物质。而这正是古代炼金术师们的梦想,因此Soddy称这个过程为炼金用语中的「蜕变(transmutation)」。

Rutherford和Soddy的放射性理论,解释了蜕变的发生。他们是首位计算出放射性蜕变的过程中,会伴随大量能量释放过程的学者。可惜的是,Soddy因为被误认为仅是Rutherford底下的年轻助手,而非工作伙伴。因而在这项发现当中,Rutherford获得大部分的荣耀,而Soddy也因此与1908年的诺贝尔化学讲擦身而过。

两位学者共同提出放射线的存在,并从Uranium-92和Thorium-90出发。这两个元素的最终产物都是Lead-82。因此两位学者主张,Helium应该是Radium-88的衰变产物。

1903年,Soddy离开加拿大前往London大学,与苏格兰化学家Sir William Ramsay一同工作。Soddy和Ramsay利用光谱分析的结果证明,Helium就是Radium衰变过程当中所释放出来的α-particles。而这当中的Radium也是Soddy和Rutherford稍早所提出,并且第一个以实验证明自然情况下产生蜕变的元素。α-particles带有两个正电荷与两个中子,并具有与Helium相同的原子核,也就是He2+。

「同位素」概念的提出

从1904年到1914年,Soddy在Glasgow大学担任讲师。1908年与Winifred Beilby结婚。可惜的是这对夫妻没有孩子,而Soddy认为,他的不孕与工作环境中的放射性有密切的相关。

在Glasgow中,Soddy发表着名的「位移定律(group displacement law」:随着α-particle从放射性元素的释出,会导致该元素在週期表上向左平移两个位置;而随着β-particle的释出,则会导致元素在週期表上往右平移一个位置。而一个元素如果同时发出α-particle和两个β-particles,就会回到週期表上原本的位置。而该元素会展现出与原本元素相同的化学性质,唯一的差别在于「质量」的不同。

很快的,Soddy开始厌倦将这种元素称为「一种化学性质相同,且不可用化学方法分离的元素。(elements chemically identical and non-separable by chemical methods)」因而他在1913年一封给知名杂誌Nature的信中描述,他将这种元素称为「同位素(isotope)」。用来描述具有相同原子序数目,但是却具有不同原子量的元素。

1914年,Soddy、Henry Hyman、Maurice Curie、Marie Curie’s nephew、Otto Honigschmid、Stephanie Horovitz、Theodore William Richards、Max Ernst Lembert,都证明了同位素的概念,表示Lead可已经由Radium的分裂而产生,而这个Lead与天然的Lead[2]具有不同的原子量。

Soddy也终于获得1921年的诺贝尔化学奖:他对人类的贡献在于:带来放射性物质的知识,与调查出同位素的起源。Soddy在诺贝尔奖的致词当中说:同位素的原子具有相同的外表,不同的内在。他已经认知到,虽然他的同位素概念,是源自于对放射性元素的研究。但是同位素很快就会被发现存在于其它非放射性元素当中。而这个预测很快的就被1922年诺贝尔化学奖得主Francis William Aston所验证。

将科学的成果用于慈善用途

1919年到1936年之间,Soddy担任Oxford大学的教授。但是他的兴趣转移到科学对社会的影响。从经济、商业、金融、社会、政治、环境等都在他所关心的範围当中。在第一次世界大战期间,Soddy受到年轻物理学家Henry Gwyn Jeffreys Moseley的死所激怒。战死沙场的Henry,曾在1913年提出原子序的想法,对週期表带来革命性的影响。

Soddy在给Sir Daniel Hall所着,1935年出版的《科学的无奈》(The frustration of Science)中赠序写道:「现代科学已经给现代社会带来伟大历史中辉煌时代也无法比拟的灿烂。(It is modern science which has made the modern world great, with greatness that the illustrious epochs of history cannot match.)」Soddy认为他要致力于将科学的成果直接导向慈善用途。

Soddy很早就意识到,理论上核能在未来社会将成为主流能源。在Soddy自己在1926年所出版的书《财富、虚拟财富、债务》(Wealth, Virtual Wealth, and Debt)[3]中,他自问当原子能面世后的世界会是什幺样的样貌?「如果原子能明天被发现。将不会有一个国家不抛出他们自己的心脏和灵魂,将原子能应用于战争当中。就像他们现在正在做的化学武器毒气战。……假如(这)在现有经济条件下来到,将给现代科学文明带来反证(reduction ad absurbdum)[4],科学文明会迅速崩毁,而不是渐进式的崩坏。」[5]

1936年,Soddy因为妻子的辞世而提早退休。他的晚年充满着不愉快。他认为有一些理由,来自于他晚年的贡献没有受到承认。而于1956年9月22日,享年79岁,于英国Brighton离开这个世界。为纪念他的贡献,放射性铀矿(Soddyite)和月球背面的小坑洞(Soddy crater)[6],都被以Soddy的名子来加以命名。

Soddy将他的遗产成立「弗雷德里克·索迪信託(Frederick Soddy Trust)」。将二万五千英镑的教育基金,致力于青少年的旅行和体验不同社会群体的生活。Soddy里程碑的成就──同位素的发现──直到发现满百年的今年。他已经造福数百组的青年们。而这群青少年透过旅行和体验,也承袭Soddy的理念,持续解决Soddy生前所关注的诸多社会问题。

编译来源:Celebrating The Isotope

[1] 加尔文主义(Calvinism),是16世纪法国宗教改革家、神学家约翰·加尔文毕生的许多主张和实践及其教派其他人的主张和实践的统称,在不同的讨论中有不同的意义。──维基百科

[2] 铅有四种自然的、稳定的同位素:Pb-204(1.4%)、Pb-206(24.1%)、Pb-207(22.1%)和Pb-208(52.4%)。后三种是铀-238、铀-235和钍-232经过一系列裂变后的最终产物。这些反应的半衰期分别是4.47×109年、7.04×108年和1.4×1010年。只有204Pb是自然存在的、非衰变产物。

Pb-208在稳定的同位素中质量最大。──维基百科

[3]《财富、虚拟财富及负债》是诺贝尔化学奖得主弗雷德里克·索迪于1926年撰写的一本经济类书籍。它讨论了货币政策、社会以及能量在经济体系中所扮演的角色。──维基百科

[4] 反证法(又称归谬法、背理法)是一种论证方式,他首先假设某命题不成立(即在原命题的条件下,结论不成立),然后推理出明显矛盾的结果,从而下结论说原假设不成立,原命题得证。反证法常称作Reductio ad absurdum,是拉丁语中的「转化到不可能」,源自希腊语中的「ἡ εις το αδυνατον παγωγη」,阿基米德经常使用它。──维基百科

[5] If the discovery were made tomorrow, there is not a nation that would not throw itself heart and soul into the task of applying it to war, just as they are now doing in the case of the newly developed chemical weapons of poison-gas warfare. … If [it] were to come under existing economic conditions, it would mean the reductio ad absurdum of scientific civilization, a swift annihilation instead of a lingering collapse.

[6] Soddy (crater)

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