科学的科普（18）微观物理（4F） 最小的极光

张武昌 2025年2月25日星期二

（一）

1967年，为了纪念居里夫人100周年诞辰，法国发行了纪念邮票。邮票主题颜色为蓝色，图案为居里夫人的头像和最小的极光。

（二）

贝克勒尔发现了铀矿的放射现象后，居里夫妇着手寻找铀矿中发出射线的物质。最初认为铀矿的放射性（顾名思义）应该是铀的放射性。但是在去除了铀矿中的铀后，居里夫妇发现剩余的残渣仍然具有放射性。

于是二人用化学方法分离这些放射性的物质。化学方法的原理我不知道，大概是溶解、结晶循环的过程进行分离、浓缩。

他们进行了大量重复性的劳动，希望能获得一点点的镭（当时还没有起名）。

有一天，玛丽像期盼别人已经答应给的玩具的小孩一样，怀着热切的好奇心说：“我真想知道‘它’会是什么样子，它的相貌如何。比埃尔，在你的想象中，它是什么形状？”

这个物理学家和颜悦色地回答：“我不知道……你可以想到，我希望它有很美丽的颜色。”

最后，所有的样品被浓缩到一个蒸发皿中，等待着蒸干后、镭现身的时刻。

根据居里夫人的女儿艾芙•居里写的《居里夫人传》，居里夫妇看到最小极光的情景是这样的：

……

那一天他们工作得很辛苦，照道理这两位学者此刻应该休息了。但是比埃尔和玛丽并不总是照道理。他们穿上外衣，告诉居里大夫说他们要出去，就溜走了……他们挽臂步行，话说得很少。沿着这个远离市中心的街区的热闹街道，走过工厂、空地和不讲究的住房。他们到了娄蒙路，穿过院子，比埃尔把钥匙插入锁孔，那扇门嘎嘎地响着（它已经这样响过几千次了），他们走进他们的领域，走进他们的梦境。

玛丽说：“不要点灯！”接着轻轻地笑了笑，再说：“你记得你对我说‘我希望它有很美丽的颜色’的那一天么？”

几个月以来使比埃尔和玛丽入迷的镭的真相，实际上比他们以前天真地希望着的样子还要可爱。镭不只有“美丽的颜色”，它还自动发光！在这个黑暗的棚屋里没有柜子，这些零星的宝贝装在极小的玻璃容器里，放在钉在墙上的板子或桌子上；它们那些略带蓝色荧光的轮廓闪耀着，悬在夜的黑暗中。

“看哪……看哪！”这个年轻妇人低声说着。

她小心翼翼地走向前去找，找到一张有草垫的椅子，坐下了。在黑暗中，在寂静中，两个人的脸都转向这些微光，转向这射线的神秘来源，转向镭，转向他们的镭！玛丽的身体前倾，热切地望着，她此时的姿势，就像一小时前在她睡着了的孩子床头看着孩子一样。

她的伴侣用手轻轻地抚摩她的头发。

她永远记得看荧光的这一晚，永远记得这种神妙世界的奇观。

……

这段文字也出现在2017年部编版（人教新版）八年级上册语文教材的课文《美丽的颜色》。

（三）

1943年根据《居里夫人传》拍摄的电影“居里夫人”则进行了一些演绎。

根据两人的计算，最后得到的镭应该是5677，似乎应该是一大堆。

在等待蒸干的时间，正是新年前夜。两人就在实验室睡去。

第二天早上5点，两人醒来。

他们不知道是否已经成功，心里忐忑不安。

？

居里夫人让居里先生先去看看。

居里先生拉开小隔间的帘子前去查看，

居里夫人并没有等到居里先生惊喜的召唤。

居里夫人惊恐地走上前去，拿走盖在蒸发皿上的玻璃罩。

发现里面只有一点污渍。

两人不敢相信这个结果。

想不出整个过程哪里出了差错。

由于没有找到原因，两人差点被击垮。

当天（新年）夜里，两人躺在床上，无法入睡。他们回顾整个实验过程，希望找到失败的原因。

忽然，居里夫人想起了蒸发皿底部的那一点点污渍。

它会不会就是我们要找的镭，只是数量少了一点。

在这一想法的激励下，两人穿好衣服，来到实验室。在实验室外面，他们看见了里面的光。

他们趴在门玻璃上，惊呼“它就在那儿”。

他们走进小隔离间，看到了最小的极光。

两人紧紧相拥在一起，成功是最大的幸福。

后来这种元素被命名为镭Radium，截止此时，已有的放射性元素有铀，第二个是Po钋（po），是居里夫人以自己祖国波兰的名字命名的，第三个即为镭，居里夫人以放射性Radiation来命名这个元素，后来证明这是放射性最强的元素，用Ra来命名真是具有代表性。

多亏了镭的放射性，人们才发现了它。它的含量如此之低，其他方法真是难以发现它。

（四）

这些光不是镭发出的，而是镭的射线刺激空气发出的，这种现象叫做Radioluminescence放射发光。

镭发出α粒子、电子（贝塔b）和γ射线。

α粒子穿过物质，发生的主要作用是引起物质的电离和激发。由于α粒子质量大散射作用不明显，它在气体中的径迹是一条直线。α粒子和束缚电子间通过静电场作用，将一部分能量传给电子，使束缚电子获得动能变成自由电子，产生电子和正离子(称作离子对)的作用称为电离作用。如果束缚电子获得的能量还不够使它成为自由电子，而只是使它跃迁到更高的能级，则称为激发作用。

如果α粒子直接碰撞打出能量比较高的电子，这样的电子，也要引起电离，称为次级电离。α粒子穿过气体时，有60%～80%的离子对由次级电离产生。

γ射线是波长很短的高能电磁波，它不带电，不具有直接电离的能力，但可以通过和物质的相互作用，间接引起电离效应。γ射线具有很强的穿透能力。 不同放射性核素发射的γ射线，能量可以有很大差异，因而γ射线在空气中的射程也是不同的，通常为几百米（注意：某一放射源向空气中发射γ射线，放射源周围四面八方都将接收到γ射线。

镭是放射性最强的元素，在没有磷光和荧光物质的情况下，射线本身会和空气中的氮气作用，产生光，颜色为pale blue白蓝色，类似电弧electric arc的颜色，是自然界的极光的最下部分。

居里夫人也十分喜欢这种（荧？）光现象，她曾在怀念皮埃尔•居里的文中写道：“ 我们的乐趣之一是夜间来到实验室。看到四处都是柔和的辉光，勾勒出盛着我们产品的瓶子的轮廓。这的确是美妙的景观，常常出现新的变幻。发光的试管像是隐现的圣诞树彩灯“。

（五）

镭的蓝色极光成为了镭的标志性颜色。在许多居里夫人的绘画和影视中都出现了蓝色的物质代表镭。

但是，这些图片大多出现的是蓝色的液体，而不是在气体中出现的蓝色微光。

（六）

本文开头的1967年邮票中的最小极光的原型是1922年在居里博物馆拍摄的一张黑白照片，照片是在黑暗中拍摄的，样品编号为Cote MCP4151的蒸发皿里有溴化镭，发出的最小极光照射在桌面和背景板上，显出背景板上的字迹，

A bowl containing radium bromide (photo taken in the dark),1922. Source: Musée Curie; coll. Institut du Radium/ Cote MCP4151 

1998年，镭元素发现100周年，发行了纪念邮票和明信片。在明信片上是蓝色的镭原子发射三种射线，邮戳图案是那支蒸发皿侧面周围环绕着最小的极光的写意图（圈圈），邮票是俯视的蒸发皿周围环绕着最小的极光的写意图（圈圈）。

镭的半衰期为1600年，只要镭持续存在，它就会不断地衰变发出射线，如果那个碗还在居里博物馆，它的周围应该依然环绕着蓝色的最小极光。