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乔治·德海韦西:从生活中找到科研方向,从科研中找到别致乐趣 精选

已有 3060 次阅读 2018-3-12 22:25 |系统分类:科普集锦

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他智斗纳粹溶诺奖金牌,豪饮重水亲身示范放射性示踪

对许多科学家来说,诺奖奖牌可是一生追求的目标。

有的人却偏偏敢用王水溶掉两枚奖牌,而且奖牌还不是自己的

只是他可不是为了满足自己的恶趣味,更不是什么奇怪的实验,而是为了保命。

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那是1940年的4月,德军占领了丹麦首都哥本哈根。

此时在玻尔实验室中,一群科学家正围着两枚诺奖金牌着急地讨论着。

当时德国严令禁止作为战略物质的金子从国内流出,而这两枚诺奖金牌正是两位德国科学家偷偷寄来的。

德军踏着整齐一划的脚步声正在逼近实验室,一旦被德军发现,实验室的所有人都会当做共犯抓起来!

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丹麦投降后,德军在其街头游行

所有人都焦头烂额,他们不敢将奖牌埋进土里,因为要是德军掘地那就完蛋了!

正当此时,乔治·德海韦西(George de Hevesy)回想起诞生于公元8世纪的古老配方王水,定能将纯金溶化。

他将浓硝酸与浓盐酸以1:3能混合成了王水,然后迅速将奖牌投入其中,因为金子是惰性金属,反应缓慢地进行,在这争分夺秒的时刻,所有人的神经都紧绷着。

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乔治·德海韦西

德军闯进玻尔实验室时,所有人都吓了一跳,蛮横的德军搜刮了所有的研究资料,但掘地三尺也没有找到线报里说的金牌。

直到二战结束后,德海韦西再度回到玻尔实验室,他在书架上翻出两个平凡无奇的烧瓶,里面正装着亮橙色溶液。

他将溶液中的黄金再度分离出来,原材料被送往瑞典,诺贝尔基金会重塑了两枚奖章,送还给两位诺奖得主。

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这一出科学版的帽子戏法常被当做名人轶事聊起,只是主人公却会被替换成玻尔

其实德海韦西丝毫不逊色于其他科学家,他不仅同为诺奖得主更改变了化学研究的方法,差的只是那么点名气罢了。

___________

1911年1月,26岁的德海韦西一路晕船,千辛万苦才穿过英吉利海峡。

他要到曼彻斯特大学物理学院求学,想要了解如何测量气体中的电导率。

也就是在这个地方,他师从欧内斯特·卢瑟福,并且开始了同位素的研究。

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卢瑟福

当时,卢瑟福手中正巧有个难题需要德海韦西负责。

他想要研究一批沥青矿渣中镭的衰变产物RadiumD,但它们混杂在大量的铅中不便观察。

当时人们还不知道,RadiumD其实就是放射性铅-210,与铅的化学性质完全一致,根本不可能用化学方法将其分开。

但德海韦西坚信卢瑟福是不会坑他的,毕竟卢瑟福早就是名扬四海的科学家,提出的方案定然不会解决不了。

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金属铅

他苦苦尝试解决问题整整两年,但不可能完成的任务如何能完成?

这两年时间里,他克服了语言关、熬过了水土不服, 偏偏就一个分离试验搞不定。

直到能想得到的方法都用遍了,最终不得不承认“完完全全地失败了”

焦头烂额也就罢了,最让他糟心的是他有一个不靠谱的女房东。

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在研究期间,他几乎足不出户,三餐都拜托女房东提供给他。

英国美食本就不太可口,而且女房东提供的食材还不新鲜,根本就难以下咽。

但女房东一口咬定她的食材都是现买现做的,满脑子放射性铅的德海韦西立刻想到了一个方法可以揭穿她的谎言。

他悄悄地在饭里撒入一些铅-210,然后一如既往地“感谢”女房东的款待。

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撒上铅-210好比人工污染了这一份食物,放射性污染一直很难处理,更何况一个对放射性物质都不了解的普通人?

女房东就像以前一样,将吃剩的肉放入绞肉机中处理,再重新烹饪送上了餐桌。

此时德海韦西早已准备好验电器,当他的验电器扫过食物时,验电器发出了胜利的嚎叫声!

面对无可辩驳的证据,女房东只得怯怯地道歉。

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他不仅赢得了餐桌上的胜利,还从中获得了一线灵感。

虽然无法分离铅和铅-210,但如果将放射性作为一种指标,不就可以用作铅的性质研究吗?

这便是放射性示踪法的最初模样,算是“在失败研究中蜕变而来的胜利”

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为了开展放射性失踪法的研究,他告别了卢瑟福来到了维也纳镭研究所。

在这里有着大量的铅-210,还有一位同样尝试分离铅与铅-210的倒霉家伙弗里德里希·帕内特

他们联合发表了他们的研究结果,说明无法通过化学方法分离铅和铅-210,算是给过去一个交代。

随后,他们开始研究如何利用铅-210所具有的放射性特性。

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弗里德里希·帕内特

因为元素从不稳定的原子核自发放出射线称之为放射性,在不断衰变后就会逐渐变成稳定的元素停止放射。

凭借放射性的特殊性质,如今已经发展出许多应用技巧,例如放射性定年法,观察某元素(如C-14)的衰变情况,就能推测古生物体的死亡时间(局限范围5~6万年)。

除此之外,诸如放射性疗法、放射性同位素示踪法、X射线荧光分析等都是德海韦西的杰作,可以说最早将放射性玩出花来的便是他。

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最初的运用技巧非常简单,直接用铅-210标记铅的位置用作铅的指示剂。

他将铅-210混入铅内,再反应生成硫化铅和铬酸铅,通过对分析放射性从而确定了两者的溶解度。

这次成功的实验让他更确定了自己的猜想,那是不是也可以通过对放射性的探测从而调查以前了解不到的事情呢?

随后在洛克菲勒基金会的资助下,德海韦西提出了X射线荧光分析的概念*,为地质勘测提供了极好的方案。

*注:使用X射线束激发样品物品中元素发出荧光辐射,从而对物品进行元素分析、化学分析,适用于建材研究、法医学、考古学等领域。

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X射线激发过程示意

也是这个时期,他开始使用放射性同位素研究植物和动物的代谢过程。

1923年,他以铅2-12作为示踪剂,从而追踪蚕豆的根、茎和叶对铅的吸收和转运。

现在常用的放射性磷示踪剂当时也早就试过,他用放射性磷作为示踪剂研究了老鼠体内磷的代谢情况。

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不一样的示踪剂显示的情况

这些实验发展至今,我们已经习惯将这种方法称作放射分析技术。

随着对放射性的精准观测,它的检测限可以达到10^15(飞摩尔)水平。

放射分析技术的诞生就好比计算器的诞生,直接改变了化学家们的研究思维。

凭借这个技术足以完成很多以前难以想象的实验,甚至可以说重塑了20世纪的化学研究。

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测完了植物和动物,德海韦西又想了解一下人体的新陈代谢。

其实早在1913年,他与朋友在实验室喝着茶时,他就突然想到“茶水在身体里都经历了什么”?

本来难以测定的一个妄想,在示踪法的帮助下,他终于有机会探求一下谜底。

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1933年,德海韦西从其他诺奖得主那取到几升含0.6%氘的重水(又称氘代水)。

他与合作者一同将氘水稀释,为了精确起见,他们设置了不同的浓度梯度每份2000ml。

然后,他毫不犹豫地将样品喝了下去,因为身体需要轻水,重水不会在体内消耗,同时重水一般也不会对身体带来伤害。

因此只要测重最终排出的重水重量就能得知滞留时间,而通过排泄的比例变化也就能推测出身体的含水量。

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二战期间挪威生产的重水,而德海韦西那份是直接从发明人那要来的

饮下水后的26分钟,他们首次在尿液中检测到氘,意味着实验的开始。

通过多次重复实验,共55例尿液和其他排泄物样本,进行了1000多次蒸馏操作后,他们得出了结论:

水在人体内的平均滞留时间为13.5天,一个成年人体内还有约10^27个水分子,约合30kg。

这个自体实验可以说是,同位素示踪法第一次在临床科学的应用。

*注:这个数值低于人体内实际的水含量,因为人体的水分为结合水和自由水,只有自由水中含有氘水。

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后排左一

也许是自体实验给了德海韦西灵感,他开始考虑如何将放射性运用于医学领域。

他首将这种技术手段用于肿瘤研究,也因此得到了瑞典国家研究委员会与瓦伦贝里基金会的支持,如今也称作“放射性疗法”

正因为这项研究,同位素示踪法于医学、药学落地生根,逐渐被挖掘除了更多更广阔的应用,德海韦西也因此被称作“核医学之父*”。

*注:核医学既是以放射性药物为主的医疗方法,不仅是药物治疗,也包括示踪法等等。

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他还在1923年时与另一位化学家一起发现了元素铪(hā,符号Hf),补上了门捷列夫的元素周期表的第72个空位。

他的许多科学论文都极具价值,关于放射化学的数本书籍都被奉做经典。

他智斗纳粹溶诺奖金牌,豪饮重水亲身示范放射性示踪

铪片,阿波罗系列探月器火箭喷嘴材料就有用铪

最终凭着放射性元素示踪法,他被授予1943年的诺贝尔化学奖*。

而他在放射性元素上的探索,以及那些发散出来的边边角角,同样为他取得不少荣誉。

*注:因为1943年时还不符合领奖条件,被安排在1944年领取1943的奖章。

1929年被罗马科学院授予卡尼萨罗奖;

1949年皇家科学院授予他科普利奖章;

1950年获得法拉第奖章;

1951年获得贝利奖章;

1955年获得西尔瓦努斯汤普森奖章;

1959年由福特基金会授予和平奖原子奖;

1961年获得了芝加哥大学的尼尔斯玻尔奖章和罗森伯格奖章。

说起同位素示踪法,大家都会有记忆,若是提到德海韦西或许就想不起来了,他可算是典型的成就火人不火

但尽管他不如一些大牛名声旺,他的贡献也不会因此埋没,1966年时,德海韦西同样带着一身荣誉长眠地下,享年80岁。

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可能老天青睐这个敢想敢做的化学家,当他抱着玩一玩试一试的心态做研究时却能取得不菲的成绩。

或许撇弃了功利心,探求真理的道路才会有趣又轻松。

*参考资料

Hevesy, G. and Hofer, E. Elimination of water from the human body. Nature 134: 879; 1934.

Robert Krulwich. Dissolve My Nobel Prize! Fast! (A True Story). NPR.

Adventures in radioisotope research: the collected papers of George Hevesy.

Levi, H. George de Hevesy: Life and work : a biography. Bristol: A. Hilger. 1985.

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