为放射化学、核物理学奠定基础

索迪(1877-1956)，19世纪和20世纪之交物理学发展了许多动态的新学科，促进了一系列新技术和新实验方法的出现，揭开了现代自然科学的序幕。在这场伟大的科技革命中，一些化学家也取得了将永远载入史册的成就，居里夫人和索迪就是其中的代表。索迪于1910年提出了同位素假说，并于1913年发现了放射性元素的位移规律，为放射化学和核物理两个新学科的建立奠定了重要基础。因此，他获得了1921年诺贝尔化学奖。

1877年9月2日，索迪出生在英国伦敦的一个商人家庭。十几岁时，他渴望将来成为一名有成就的科学家。由于这个原因，他从小学到大学都努力学习，年复一年都取得优异的成绩。他还获得了许多奖学金。1898年，他以优异的成绩从牛津大学毕业，获得一级荣誉学位。

1899年，英国化学家克鲁克斯发现一些铀具有放射性，而另一些则没有。其他科学家也发现了这一现象。与此同时，人们还发现钍、镭和其他放射性元素不仅能产生放射性物质，而且能使与之接触的物质具有放射性。这种放射性也会随着时间的推移而减少，并最终消失。这些奇怪而无法解释的现象引起了卢瑟福的极大兴趣，他当时是加拿大蒙特利尔大学的实验物理学教授。他决定进行这个课题的研究，但他觉得要进行这项研究，他必须配备一名精通化学的实验助手。卢瑟福为自己找助手时，恰逢索迪访问蒙特利尔大学。卢瑟福立即找到了索迪。这样，索迪很幸运地在他离开学校后不久就成为了卢瑟福的助手。事实证明，他们的合作是富有成效的。

他们首先对钍的放射性做了大量实验。他们用氨水处理硝酸钍溶液来沉淀氢氧化钍。过滤后，检查干燥的沉淀物，其放射性显著降低。然而，通过蒸发从滤液中除去硝酸铵后的残留物具有极强的放射性。然而，一个月后，残留物的放射性消失了，钍恢复了原来的放射性。他们证实钍的放射性确实是可变的。他们还发现，如果将钍放在密封的容器中，其放射性强度相对稳定。如果钍被放置在一个开放的容器中，它的放射性强度将会变化，并且它特别容易受到通过表面的空气的影响。他们推测这可能是由于某种物质的排放，他们很快证明了排放的物质是一种气体。他们称之为钍射气。

他们对放射性镭和锕进行了实验研究，还发现了与钍相同的现象。他们称镭激光发射的气体为气体，锕气体发射的气体为气体。根据这些实验结果，卢瑟福和索迪在1902年提出了元素分解的假说:放射性是由原子本身分裂或分解成另一种元素的原子而引起的。这不同于一般的化学反应。它不是原子或分子之间的变化，而是原子自身的自发变化，发射出A、B和G射线，成为新的放射性元素。同时，他们将这些实验结果和上述假设整理成一篇论文:“放射性的变化”。当他们的元素变换假说提出时，立即引起了物理和化学界的强烈反对，因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一种元素的原子不能长时间改变的传统观点。周围的同事也警告他们要小心，以免欺骗自己。起初，卢瑟福有点犹豫，但尊重实验事实和科学家责任感的简单唯物主义思想促使卢瑟福和索迪勇敢地决定发表论文。

当他们把论文寄给当时对科学有影响的哲学杂志时，杂志主编凯尔芬勋爵拒绝了他们。开尔文勋爵是英国科学界的领军人物，也是19世纪最杰出的物理学家之一。开尔文对学术问题有自己的观点。他认为实验只是验证理论的一种方式。此外，晚年以保守思想著称的开尔文实际上反对元素变换理论。当卢瑟福和索迪提出元素转换假说时，他们根据放射性元素自发辐射并不断释放能量的事实，提出了“原子能”的概念。卢瑟福还用这个理论解释了太阳能和地热能的来源，平息了物理学家和地质学家之间的长期争论。开尔文是物理学家的代表，声称这种能量来自重力收缩。开尔文显然不愿意出版卢瑟福和索迪的论文。在这种情况下，卢瑟福不得不回到剑桥，求助于他的导师汤姆森。通过实验，确定了电子的荷质比，因此证实了电子存在的汤姆森被新的科学发现和理论的白眼所感动，所以他毫不犹豫地支持卢瑟福。汤姆森亲自找到凯尔芬，并向凯尔芬保证他对这篇文章负责。凯尔芬不得不同意出版卢瑟福和索迪的论文。

可以想象，关于元素转换假说的论文的发表引起了轰动。起初，甚至居里夫人都说她不容易相信。门捷列夫不仅表达了他的怀疑，还呼吁其他科学家不要相信。至于开尔文，尽管他同意发表这篇论文，但在1906年和1907年的两次年度会议上，他一再向英国科学促进会提出质疑，认为镭产生新元素并不能证明原子的转变，但镭本身可能含有这种元素的化合物。卢瑟福、索迪和居里夫人都反驳了福林，而最有力的反驳是实验事实。在提出元素嬗变假说后，卢瑟福和苏迪开始了对放射性元素的进一步深入研究。

卢瑟福在1899年发现铀和铀化合物发出两种射线，其中一种极易吸收。他称之为A射线:另一个种族有很强的穿透力，他称之为B射线。为了探索A射线和B射线的本质，卢瑟福和索迪使用了一种空气液化器在低温下浓缩喷射气体，证明喷射气体是一种气体，与拉姆齐发现的惰性气体非常相似。随着他们继续研究，他们发现镭衰变时会释放出氦离子，所以他们推测射线a是氦离子流。为了验证这一猜想，索迪于1903年3月离开卢瑟福实验室，回到伦敦与拉姆齐合作，研究放射性镭释放的气体，拉姆齐因发现和研究惰性气体而闻名。很快他们的实验证实了卢瑟福和索迪的上述猜想，即A和射线是带正电的氦离子流。卢瑟福证明射线是电子流。他们的共同努力终于揭示了辐射的本质。

卢瑟福和索迪的开创性工作吸引了许多年轻科学家。自1903年以来，人们一直用各种方法从铀、钍、锕和其他放射性元素中分离出一种又一种“新的”放射性元素。到1907年，将近30种放射性元素被分离和研究，在元素周期表中没有空位来容纳它们。这导致矛盾，并怀疑周期表是否适用于放射性元素。此外，在比较了这些新发现的放射性元素之后，人们发现一些具有不同放射性的元素具有完全相同的化学性质。例如，钍和钍因其分解而产生，虽然放射性明显不同，但混合后很难用化学方法将它们分离。化学性质完全一样。这些事实越来越多。根据这些事实，苏迪在1910年提出了著名的同位素假说:有不同原子量和放射性的化学元素变体，但具有相同的物理和化学性质。这些变体应该位于元素周期表中的相同位置，所以它们被命名为同位素。然后，索迪根据原子分裂时发出的A射线相当于分裂一个氦正离子，而发出的B射线相当于发射一个电子的事实，提出了放射性元素分裂的位移规律。在放射性元素经历了与A的转换之后，它在周期表上向前(即向左)移动两位，即原子数减2和原子量减4。在B蜕变发生后，它向后移动一个位置，即原子序数增加1，原子量保持不变。德国化学家法詹斯和英国化学家罗素也独立地发现了这一位移规律。

根据同位素假说，他们将天然放射性元素分为三个辐射系列:铀镭系列、钍系列和锕系。这不仅解决了大量放射性“新”元素在周期表中的位置问题，而且解释了它们之间不断变化的关系。根据位移定律，三个辐射系列的最终产物是铅，但每个系列产生的铅的原子量是不同的。为了验证同位素假说和位移规则的准确性，美国化学家理查德于1914年完成了这项工作。1919年，英国化学家阿斯顿开发了一种质谱仪，使人们对同位素有了更清楚的了解。(如果重印，请注明它来自万维网科技)