诺贝尔物理奖1903年：Antoine Henri Becquerel、Pierre Curie和Marie Curie，发现了放射性现象

放射性现象的发现
当谈到1898年时，你会想到很多历史事件，比如戊戌变法、美西战争、纽约正式设市、美国兼并夏威夷、意大利足协诞生、特斯拉发明遥控器……在科学史上，这一年也发生了很重要的事情：在巴黎的一所大学任教的居里夫妇（皮埃尔·居里和玛丽·居里）发现了两种新元素——钋和镭。发现新元素就已经很不容易了，一年之内由同样的人连续发现两种新元素，是了不起的成就。更加难得的是，这两种元素都拥有天然放射性，这在当年是科学界瞩目的焦点。

天然放射性在当时也是一种新发现的自然现象，是法国的科学家亨利·贝克勒尔在1896年第一次观察到的。贝克勒尔长期以来一直对磷光现象感兴趣。当时，另一位科学家伦琴刚刚发现了一种能够穿透黑纸的不可见射线，也就是X射线。这让贝克勒尔很是兴奋。他觉得X射线和磷光之间肯定有什么联系。于是，他开始着重研究铀的双硫酸盐发出的磷光。他把这种盐放在阳光下，曝过光之后，又用黑纸把它们和感光底片包裹在一起。一段时间后，他去冲洗底片，发现底片上留下了铀晶体的影像。于是他推测，这是铀的晶体吸收太阳能之后发出的X射线，让底片显现出了晶体的图像。

后来有一天，贝克勒尔准备再次重复这个实验，结果不巧的是，那天巴黎是多云天气，阳光时断时续，很影响实验进度。于是他放弃了实验，把材料送回抽屉避光保存。几天后他去冲洗底片。他预计，这一次磷光的强度应该比较小，因为做实验那天有阳光的时间不长。结果没想到，冲洗出来的照片上，晶体的图像却非常清晰。

贝克勒尔非常惊讶，赶紧做了后续的实验。结果他发现，铀不需要在阳光下晒过，就能发射出X射线。这不是磷光现象，而是一种全新的自然现象！就这样，贝克勒尔意外地发现了天然放射性。不过，贝克勒尔发现的放射性是比较微弱的，至于居里夫妇发现的钋和镭，它们的放射性强度要远远强于贝克勒尔用来做实验的铀的双硫酸盐。正是因为这一系列的发现，后来居里夫妇和贝克勒尔一起获得了1903年的诺贝尔物理学奖。后来，居里夫人因为成功提纯了镭元素，又在1911年获得了诺贝尔化学奖。

这便是十九世纪和二十世纪之交的一次物理学大进步——放射性现象的发现。它也对地质学这门科学产生了深远而持久的影响。放射性现象能产生热源，而这些热源不仅帮助地质学家们解释清楚了地球内部热源的来历，让地质学不至于违背热力学第二定律，而且它还有更妙的一个用途，那就是用来测定地质样本的年龄。

放射性现象本质：

一般情况下，原子序数在83以上的元素都不稳定，原子数为83的元素师铋，也就是说铋以上的元素原子结构并不稳定，毕竟核外电子太多了。这也是科学家喜欢用铀、钚这样的元素做核裂变原料的原因了，因为它们的原子结构很容易被拆散。

原子核该如何化解原子结构的不稳定性？

核外电子太多了，原子核笼络不住躁动的电子。俗话说得好，强扭的瓜不甜，那原子核就放人家电子一条生路算了，让人家走吧！原子核就像皇帝，只求掌控的原子帝国稳定就行，至于核外电子的“死活”，它才不在乎呢。

既然核外的电子闹的凶，那就放它们走，只要保证原子帝国稳定就行！原子核还比较“鸡贼”，放人家走也显得自己太被动了，还不如自己主动改革，落个好名声。

原子核是这么“想”的：把闹事的电子都轰走，其余的都是良民，好维稳。只要自己减少几个带正电的质子，那么核外电子势必就会相应地离开几个电子。这样不仅可以达到目的，还显得自己很主动的“改革”了。

一开始核外电子闹的凶，于是起初改革力度就比较大，原子核会直接扔出一个氦-4，其实就是扔出去了两个质子和两个中子，同时核外电子也就脱离了两个。

原子核自发地放射出α、β、γ等各种射线的现象，称为放射性。放射性是1896年法国物理学家贝克勒尔（H.Becquerel）发现的。他发现铀盐能放射出穿透力很强的，并能使照相底片感光的一种不可见的射线。经过研究表明，它是由三种成分组成的。

一种是高速运动的氦原子核的粒子束，称为α射线，它的电离作用大，贯穿本领小。
另一种是高速运动的粒子束，称为β射线，它的电离作用较小，贯穿本领大。
第三种是波长很短的电磁波，称为γ射线。它的电离作用小，贯穿本领大。
以上三种射线，由于它们的电离作用贯穿本领，在工业、农业、医学和科学研究重要的应用。
许多天然和人工制造的核素都能自发地放射出射线。除了上述3种射线外，还有正电子、质子、中子和中微子等其它粒子。能放射各种射线的核素，称为放射性核素。发射放射性是核素一种固有的特性，不受加温、加压或加磁场的影响，是由原子核内部的变化引起的，与核外电子状态的改变关系很小。对放射性的研究可以深入了解原子核内部的结构。

放射性元素的衰变

与放射性元素概念一致的是，能自发从原子核内部放射出射线性质称为放射性，这一放射过程我们叫做放射性衰变，简称衰变。

任何一种具有放射性的元素，都有其衰变的半衰期。

衰变的过程中，原子核会放出α粒子或β粒子，由于核电荷数变了，它在周期表中的位置就变了，变成另一种原子核。三种典型的衰变介绍如下：

α衰变

原子核自发地放射出α粒子（氦核）的衰变过程称为α衰变；U238的α衰变方程如下：

请同学们注意，α衰变释放出来的α粒子是氦核，而并非氦原子。

β衰变

原子核自发地放射出β粒子（高速电子）的衰变过程称为β衰变；一种典型是β衰变方程如下：

γ衰变

γ辐射通常伴随其他形式的辐射产生（α射线，β射线）。当一个原子核发生α衰变或者β衰变时，生成的新原子核有时会处于激发态。这时，新原子核会向低能级发生跃迁，同时释放γ射线。

严格来说，上述的α衰变方程与β衰变方程，在尾部都应该加一个γ。

γ射线，x-射线，可见光和紫外线，都是不同形式的电磁辐射，俗称电磁波。唯一的区别是他们的频率不同，对应光子的能量不同。整个电磁波谱中γ光子的能量最高。此部分内容请参考《波尔能级模型》与《光电效应》。

三种放射线特点分析

α射线、β射线、γ射线的电离能力和穿透物质的能力不同。具体如图所示。

（1）α射线的电离能力最强、穿透能力最弱，一张纸就可以全部把它挡住。

（2）γ射线的电离能力最弱、穿透力最强，需要适当厚度的混凝土或铅板才能有效地阻挡。

（3）β射线的电离能力和穿透能力介于α射线和γ射线之间，它能穿透普通的纸张，但无法穿透铝板。

（4）γ射线穿透力强，其防护的方法主要有以下三种：（a）尽可能减少受照射的时间；（b）增大与辐射源间的距离，因为受照剂量与离开源的距离的平方成反比；（c）采取屏蔽措施.在人与辐射源之间加一层足够厚的屏蔽物吗，可以降低外照射剂量。屏蔽的主要材料有铅、钢筋混凝土、水等。

放射性物质

含有放射性元素（如钋、氡、钫、镭、锕、钍、镤和铀等）的矿物叫做放射性矿物，俗称放射性物质。放射性物质在生产中具有广阔的应用。

天然放射性元素的应用范围从早期的医学和钟表工业扩大到核动力工业和航天工业等多种领域。主要用途有：

（1）核燃料，除铀235外,铀238在反应堆中经中子辐照生成的钚239、钍232在反应堆中转化成的铀233，都可用作核燃料。

（2）中子源，钋210－铍中子源、 镭226－铍中子源和钚239－铍中子源都有重要用途。

（3）辐照治疗癌症,镭或氡封于管中制成镭管或氡管可用于治疗癌症。

此外，钍可制成特殊焊条、超真空系统的吸气剂、结构金属中的添加剂；氧化钍可用作某些有机化学反应的催化剂和高温陶瓷材料，与钨混合可制成灯丝。 

半衰期

前文已经提到了，任何一种放射性元素，都有其独特的、固定的衰变半衰期，简称半衰期。

半衰期的定义：放射性元素大量的原子核中有半数发生衰变所需要的时间。

不同的放射性元素，半衰期不同，甚至差别非常大。例如，氡-222衰变为钋-218的时间为3.8天，镭-226衰变为氡-222的时间为1620年，铀-238衰变为钍-234的半衰期竟长达45亿年。

衰变是微观世界里原子核的行为，而微观世界规律的特征之一在于“单个的微观世界是不可预测的”，即对于一个特定的氡原子，我们只知道它发生衰变的概率，而不知道它将何时发生衰变。