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《镭:居里夫妇》6:提炼纯镭 精选

已有 11028 次阅读 2022-8-25 10:30 |个人分类:人物传记|系统分类:人物纪事

   从铀矿石中提炼未知的放射性新元素,在十九世纪末还是个石破天惊的想法。玛丽和皮埃尔仅仅是从超高的辐射强度断定这种放射性新元素的存在。除了放射性很强和含量很少之外,这两个年轻人对它的性质几乎一无所知。但是,既然它存在于矿石中,无论千辛万难,也要把它提炼出来。年轻人从来都是无所畏惧的,勇往直前是他们唯一的资本。玛丽和皮埃尔说干就干,从1898年的夏天开始,他们对于放射性的研究上升到第二层次:提炼新元素。

  可是,玛丽和皮埃尔面临着诸多的困难。为了提炼新元素,他们需要大量的铀矿石,可是,铀矿石的价格非常昂贵,皮埃尔微薄的薪水无法购买如此多的实验耗材。玛丽和皮埃尔认为未知的放射性元素应该仍然存在于提炼铀以后剩余的矿渣中。皮埃尔通过奥匈帝国科学院的同行的帮助,从位于波西米亚的圣约阿希姆斯塔尔(Joachimsthal)矿区以低廉的价格购买了几吨矿渣,玛丽测量了矿渣的辐射强度,惊奇地发现矿渣的放射性是金属铀的四倍半,比提炼前的沥青铀矿的放射性还要高。

  也许有人会问,为什么居里夫妇不设法从学校或者相关政府部门申请一笔科研经费来购买实验材料呢?其实这种科研经费往往是锦上添花的多,雪中送炭的少。而且要求申请人提供详细的研究方法、技术路线、实验手段、关键技术说明以及年度研究计划和预期研究成果等等,还要进行同行评议,申请程序繁复冗杂。这种科研经费对于真正的科学研究毫无用处,反而助长整个学术界的不正之风。皮埃尔不善社交,非常厌恶为这些事情到处拉关系,于是自己花钱购买了提炼新的放射性元素所需要的实验材料。 

  接下来的事情就是找一个合适的场所,供这对青年夫妇实施他们雄心勃勃的计划。皮埃尔跑断了腿,也没有从索邦大学申请到一处工作室。最终他们回到了皮埃尔任教的理化学校,回到了玛丽最初研究不同物质放射性的小工作间。在这座小工作间的院子的对面,有一间废弃的棚屋,以前是医学院的学生解剖尸体的地方。理化学校的校长舒曾伯格(Schuetzenberger)待皮埃尔一向很好,同意他们使用这座棚屋提炼新元素。棚屋的玻璃屋顶漏雨,夏天闷热难当,冬天冷似冰窖,取暖用的铁炉子聊胜于无,只有靠近了才能感到些许暖意。工作环境很差,但是,没有连同几吨矿渣一起被赶到大街上去,玛丽和皮埃尔已经很知足了。

      1898年到1902年,玛丽和皮埃尔就是在这座简陋的棚屋里一起工作的。

      要从沥青铀矿的残渣中提炼出放射性元素,玛丽和皮埃尔只能依靠放射性,除此以外,他们不知道他们预言的这种新元素的其他属性。玛丽和皮埃尔测定每一种化合物的放射性强度,然后把这种化合物进行化学分解,接着再测量每一种分解产物的放射性强度。显然,放射性越强,表明分解物中含有的放射性物质越多。要从数吨沥青铀矿残渣中提取极微量的放射性元素,想一想就知道是一项多么艰巨的任务。所幸玛丽和皮埃尔的合作者德比尔纳(Andre Debierne)想到了一个办法,先把沥青铀矿的残渣在工厂内预处理,把矿渣放入碳酸钠浓溶液中煮沸,使矿渣中的硫酸盐转变为碳酸盐,然后再拿到实验室里进行化学分离。 

1. 提取放射性物质 

 矿渣主要由铅和钙的硫化物、二氧化硅、氧化铝和氧化铁组成。此外还发现了几乎所有种类的金属,有的多一些,有的少一些。进一步的研究发现,矿渣中含有两种放射性元素,一种是钋,同铋的化合物混在一起;还有一种放射性更强的元素,同钡的化合物混杂在一起,玛丽和皮埃尔把这种新的放射性元素命名为镭。此外,德比尔纳还发现了第三种放射性元素——锕,和钍的化合物并存。 

 矿渣中的硫化物很难溶解,必须放进浓碳酸钠溶液煮沸,同铅、铝、钙结合的硫酸大部分变成了易溶于水的硫酸钠,反复用水清洗,就可以除去。余下的含铅、铝和硅等元素的碳酸盐,先用碱性溶液处理,不能溶解的剩余物再用普通盐酸溶解。经过这些程序,矿渣就被完全分解,而且大部分都溶解在溶液中了。这种溶液含有放射性元素钋和锕,至于镭,则仍然存在于矿渣的不溶解部分中。必须用水清洗这些残余的不溶解物质,再用煮沸的浓碳酸钠溶液处理。经过这个过程,硫酸钡和硫酸镭就以碳酸盐的形式存在了。用清水把反应得到的碳酸盐彻底清洗干净,再用稀盐酸处理,得到的溶液中含有镭,同时含有钋和锕。如果把过滤以后的溶液通入硫化氢气体,可以沉淀出含有放射性元素钋的硫酸盐;如果加入氨水,可以沉淀出含有放射性元素锕的碱性物质;如果使溶液蒸发,可以得到含有放射性元素的固态氯化物,再用纯浓盐酸清洗掉其中的氯化钙,就只剩下氯化钡和氯化镭了。在整个提取放射性元素镭的过程中,把不溶于水和盐酸的硫酸钡和硫酸镭转化为碳酸钡和碳酸镭,是进一步工作的前提。为了去除某种杂质,这样的过程往往要重复几次。用这种方法可以从一吨矿渣中得到8千克氯化钡和氯化镭的混合物,其放射性强度大约是金属铀的60倍。接下来就是从这种混合物中提取微量的氯化镭了。

  在玛丽和皮埃尔合作研究放射性的第一年,他们一起从事放射性元素镭和钋的化学分离工作,并且研究他们得到的化学产物的放射性。很快他们发现分工的效率更高,皮埃尔尝试研究放射性元素镭的性质,玛丽负责提炼纯的镭盐。

  玛丽实际上承担了“男人的职责”,至少从一般人的眼光看来是这样。这个美丽的女子,穿着一件朴素的罩裙,蓬松着一头金发,每日炼制几十公斤的矿渣,她用一根比自己还要高的铁棍搅动着锅里沸腾的材料,搬运容器,移注溶液。溶解,加热,分离,萃取……,日复一日,年复一年地重复着这项艰苦的工作。灰尘洒在她的肩膀上,头发里,罩裙的褶皱里,然而她的面容依旧红润,她的眼睛依旧明亮,她的情绪依旧高涨。和自己所爱的人一起工作,为了实现共同的理想一起奋斗,是一件多么幸福的事情啊!

 2. 制取纯氯化镭

     氯化钡比氯化镭更易溶于水。由于这两种氯化物的溶解度不同,可以把它们的混合物在纯水中分级结晶,然后再在加入盐酸的水中形成结晶。最终提取出纯的氯化镭晶体。

     玛丽把两种氯化物的混合物溶解在蒸馏水里,把溶液煮沸,然后倒入一个蒸发皿中盖严,使溶液缓慢冷却,自然结晶。于是在蒸发皿的底部析出了美丽的晶体。如果把析出晶体以后的饱和溶液滗出后蒸发至干,留下的象水垢一样的东西也是氯化物,其放射性强度只有先前析出晶体的1/5左右。于是,作为原料的氯化物就被分离成两部分,样品A和样品BA的放射性较强,B的放射性较弱。然后把样品A和样品B分别溶解于蒸馏水,重复以上操作,样品A 和样品B各自分离成两个部分。完成结晶后,由样品A得到的放射性较弱的部分与由样品B得到的放射性较强的那一部分放射性强度相近,把前者加入到后者中,就得到三份氯化物的分离产物。然后,继续重复上述操作。

      溶解,结晶,再溶解,再结晶……,玛丽不断加入新的氯化物溶液,反复多级结晶,然后让没有放射性的生成物和富含镭的氯化物退出分离过程。到了分离的后期阶段,玛丽不得不用适当浓度的盐酸代替蒸馏水作溶剂,因为氯化物在盐酸中的溶解度更小,可以析出更微量的氯化物结晶体。

       随着玛丽的辛勤工作,氯化镭的纯度越来越高。这些具有放射性的晶体能够使玻璃容器发出蓝色的荧光。每当夜幕降临,这些摆在桌子上的,搁在架子上的样本一起放出荧光,玛丽和皮埃尔置身其中,似乎进入了一个童话的世界。

       如今,玛丽穿着深色的罩裙,手拿烧瓶,目光透过蓝色的溶液射向远方的形象几乎成为女科学家的图腾,深入到每一个普通人的心中。她是那么的高雅,那么的迷人,不由得使人相信,科学研究是一项神圣的工作。事实上,通过四年的艰苦工作,玛丽变得更加美丽。她不再是以前那个身材微胖的淳朴的波兰姑娘,如今的她两眼清灵,充满坚定和自信,深邃的目光射向远方的未知世界。啊,这是多么美丽的一个女人啊!

 3. 测定镭的原子量

      每次提炼出含有镭元素的氯化钡分离物,玛丽都要测量所含金属的原子量。

      玛丽事先称量出氯化物的质量,然后把它溶入硝酸银溶液,待氯化物全部溶化以后,溶液中就会析出不溶于水的氯化银粉末。通入氢气,可以在加热的坩埚中还原出金属银。通过测量金属银的质量,可以反推出原来的氯化物中金属的原子量。 

  为了保证测量方法的准确性,玛丽先测量了钡的原子量,得到钡的原子量位于137138之间,与已知的钡原子量的数值一致。于是,玛丽有信心用同样的方法测量镭元素的原子量。

      最初玛丽准备了两份氯化物样本,一份的放射性是铀的230倍,另一份是铀的600倍。测得氯化物中金属元素的原子量与用纯氯化钡测得的原子量数值相同。后来,玛丽又用放射性强度为铀的3500倍的样品进行测量,得到的平均原子量为140,表明镭的原子量一定比钡高。随着氯化物放射性不断增强,其所含镭元素的比例越高。玛丽不断提纯氯化物,力图使氯化钡的含量更少,氯化镭的含量更多。

      当放射性强度达到铀的一百万倍的时候,氯化物中钡的含量已经微乎其微,玛丽测量的氯化物中镭的原子量为2251907年,玛丽用0.4克的非常纯的氯化镭重新测定镭的原子量为226.42

      

  如果你想证明世界上存在着一种前所未知的东西,最好的办法就是把它找出来,拿给人们看。玛丽,这个来自波兰的金发女孩,用她饱满的工作热情,坚持不懈的努力,用四年的时间,从数吨矿渣中提炼出纯的氯化镭晶体,并且测定了镭的的原子量。玛丽关于放射性的研究和放射性元素镭的发现,标志着人们对于世界的认识深入到了原子内部,乃至更加微观的原子核领域。啊,玛丽,你是惊涛骇浪中奋飞的海燕,预示着新世纪物理学革命的到来!啊,玛丽,你是二十世纪的普罗米修斯,为人间盗来了新的天火——放射性极强的镭。




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