居里夫人的化学史

居里夫人的化学史关键词：居里夫人；人物介绍；化学史 居里夫人因研究放射性现象，发现镭和钋两种天然放射性元素，又被人们称誉为“镭的母亲”。作为杰出的科学家、成功女性的先驱，居里夫人拥有一般科学家所没有的社会影响。她一生两度荣获诺贝尔奖：1903年，因与丈夫皮埃尔·居里及亨利·贝克莱尔在放射性上的发现和研究，共同获得诺贝尔物理学奖；1911年，因成功分离镭元素获得诺贝尔化学奖。居里夫人是历史上第一个获得诺贝尔奖的女性，而且是世界上到目前为止仅有的两名在不同领域获得诺贝尔奖的学者之一。可以说，居里夫人不但是近代化学史，而且也是世界近代科学史上的一个奇迹。她以常人难以想象的勇气和毅力谱写了卓越不凡的人生篇章。1、科学之路始于足下玛丽-居里于1867年11月7日 在华沙出生，是家里5个孩子中最小的一个。父亲是一位优秀的教师，对孩子们的学习十分关心和细致，并懂得在学校之外如何指导他们。波兰华沙当时处于沙皇俄国的统治下，而这种统治极其残酷的一个方面就是对学校和学生的思想控制和政治迫害。父亲相当怀疑在这种校园环境中孩子们学习到的知识是否有用；并且十分担忧这种环境对孩子们的道德品质的不良影响。由于父亲的言传身教，玛丽-居里从少年时代起就喜爱诗歌，并且能够背诵一些波兰爱国诗人的大段诗篇。进入中学时，玛丽·居里对学习数学和物理的自我感觉良好，成绩颇佳。这在某种程度上得益于父亲的教诲。因为她遇到疑难问题便可向父亲求教。父亲喜爱自然科学而且在学校也教授这类课程；他常常向孩子们解说大自然的奇妙及其奥妙。令父亲遗憾的是，他没有自己的实验室，无法让孩子们亲自动手去触及物质世界的变幻。他寄希望于孩子们，将来通过自己的努力去进行科学实验和探索自然。1891年11月，玛丽·居里24岁，来到法国入学巴黎大学理学院物理系，终于实现了多年来魂牵梦绕的夙愿。她在学校附近租了一间很小的顶层阁楼，过着清苦的生活。她经常只食用用酒精灯烹煮的简单食物，为了负担昂贵的学费，还不得不利用课余的时间为学校打零工。在别人看来，玛丽的4年学生生活未免过于艰苦，但她却自得其乐，每天都过得充实和愉快。她把白天的时间分别用于课堂、实验室和图书馆，晚上则一个人蜗居在阁楼陋室中刻苦钻研直至深夜。科学奥妙如同一个新的世界渐渐地展现在自己的面前，因而也就可以自由地学习和掌握它们。由此她也充分体会到自由与独立精神弥足珍贵。玛丽· 居里孜孜不倦的努力终于得到了回报。1893年7月，物理学结业考试成绩名列第一；次年，数学结业考试成绩名列第二。她以优异成绩获得了双学士学位(物理学和数学)。巴黎大学教授、著名物理学家李普曼也向玛丽开放了他的实验室，使她有机会获得更多的知识和实验研究经验。至此，这时的玛丽已经有信信心对自己说：“我终于达到了有能力进行科学研究的目的。”2、奇迹是这样产生的1894-1897年，玛丽·居里的家庭生活和科学生涯有了全新的开始。首先，从1894年开始她和法国青年物理学家皮埃尔-居里(pierrecarie，1859-1906)从相识、相知到相爱。由于相同的献身科学的追求与决心，两人彼此间有种相见恨晚的感觉。并于1895年7月举行了婚礼。当时，皮埃尔-居里刚获得博士学位，并受聘在巴黎物理和化学学校任教。时年36岁的他，已是国内外颇有名气的物理学家。他在晶体压电现象研究、直接称量最微小量的精密天平研究及对物体的磁性与温度关系研究等方面颇有造诣。结婚之后，玛丽·居里也获准与他一起在实验室工作，主要从事淬火钢的磁性研究。1897年9月，居里夫妇的爱情结晶一一大女儿艾莱娜出生了。居里夫妇俩在以科研事业为重的前提下，妥善地处理好家事，合理地节约开支，有节制地探亲访友和社交活动，以确保把宝贵的时间尽多地用在科研工作上。当然，他们也不是“苦行僧”和“工作狂” ，在工作之余或周末，也经常用散步和骑自行车去郊外野游作为主要的消遣方式，使自己的大脑在紧张的科学研究之后得以充分地放松，紧张的心情得以缓解。正是这种看似平静却又紧张有序并完全符合他俩心愿的生活方式和工作节奏，才使得他俩能够完成一生中的伟大事业。这种科学研究事业始于1897年，直到他们生命的最后一刻，从未中断过。从此，发生在玛丽·居里身上的奇迹也就开始展现了。2.1探索放射性1897年末，玛丽·居里正为博士论文做准备。当时，法国工业大学教授、物理学家亨利·贝克莱尔(henribecquerel，1852-1908)正在从事稀有金属铀盐的实验研究；这是一种颇有意思的实验，它引起了玛丽·居里的关注。因为就在1896年，亨利·贝克莱尔发现了一个奇特现象：把铀盐放在用黑纸包的极为严密的照相底片上，在暗处放上几天，结果底片上会显出一个影像来，并跟在日光照射铀盐的情况下所获得的影像相近。可见，这种显影是由于铀射线穿过黑纸造成的。这种铀射线能够像x射线一样使验电器放电，把验电器周围的空气变成导电体。据此，亨利·贝克莱尔深信：铀盐可以自发地发射出一种性质独特的射线，这就是“放射性”的发现。玛丽·居里和她的丈夫对这种新发现的射线产生极大兴趣，并决心对它的性质加以研究。尤其是这个奇特现象当时还是个全新的课题，尚无人问津。玛丽·居里敏感地意识到，探索铀盐放射性现象背后所隐藏的科学奥秘是值得一试的。玛丽· 居里开始着手就这一问题展开研究，并把它作为自己的博士论文的选题。作为研究这种铀盐新射线的关键，首先是对它做精确的定量测定。而铀盐辐射的射线在空气中产生的传导性是最适合于计量的现象，该现象名为“电离作用”；先前发现的x射线也有这种现象。为了测量铀盐经过空气离子化而产生的极其微弱的电流，玛丽·居里没有象贝克莱尔那样使用一般的验电器(它偏重于定性显示)，而是利用皮埃尔·居里和雅克·居里兄弟俩发明的高灵敏的验电器，这也是皮埃尔·里原先研究晶体压电现象时的成果。这种验电器是利用电离作用而引起的微小电流所含有的电量，在一极灵敏的静电计中，与一压电石英结晶所得到的电量相平衡，从而计量出极微小的电流。玛丽·居里的实验结果证实了铀盐的放射性是可以准确地测量的，而且这种放射性是铀元素的原子特性之一，其放射性的强度只与化合物中所含铀的数量成正比，并不受化合物的化学性质的影响，也不受外界的光和热的影响。紧接着，玛丽-居里开始研究：是否还存在一些其他的也具有放射性性质的物质。于是，她把当时已知的所有元素(约80种左右)，无论是纯元素还是其化合物，全部分析研究了一遍。结果，她发现只有钍的化合物能放射出与铀相类似的射线；钍的放射性强度与铀处于同—水平，而且放射性也是钍元素的特性。据此，玛丽·居里建议用“放射性”这个新名称来表征铀、钍等物质所显示的新性质。而具有放射性的元素顺理成章地被称之谓“放射性元素” 。随后，这一名称便广泛地使用开来，它预示着人们对元素的认识又进入到了一个崭新的科学领域。2.2钋和镭的发现玛丽·居里的研究步伐继续在向前迈进。她除了分析各种化合物外(主要是盐和氧化物)，还分析了不少矿物，发现它们中有几种含有铀和钍的矿物也有着放射性(例如：沥青铀矿和辉铜矿)。但它们的放射性似乎不很正常，因为其放射性的强度比纯铀或纯钍所具有的放射性还要强，她通过细心的观察获得了一个比发现钍的放射性意义更为重大的结果。她发现沥青铀矿和辉铜矿的放射性比推算出来的矿石中含铀量或含钍量的放射性要强4-5倍。她在实验记录本上写到：“这两种铀矿石的放射性比铀或钍本身的放射性要强得多。这个事实使人确信，这些矿石中可能含有一种比铀或钍的放射性还要强得多的新元素”。但是，沥青铀矿和辉铜矿的成分早已被分析过，除了铀和钍以外，并未发现其他具有放射性的元素。据此，玛丽·居里作出科学假设：这种新元素在这两种矿石中—定含量极低，但其放射性极强。玛丽·居里想尽快地证实这种假设，但她意识到这谈何容易。因为若要把这种放射性元素找到并提取出来，首先需要大量的沥青铀矿，而且还需要把这些大量的矿物分解，然后进行无数次的分离和提纯分析。这样也许能获得少量的新元素。可以想象，这样的研究工作将需要多么繁重的劳动和付出多大的艰苦努力。玛丽·居里虽然深知自己的力量是十分有限的，但是她却毫不犹豫地以献身科学的精神投入了这—艰巨的科研工作。她的丈夫皮埃尔· 居里受到了感染，毅然暂时搁置了自己的晶体研究工作，同她一道去寻找这个新元素。他不仅对各种矿物提取液的浓缩物和分离出来的样品进行放射性测量，而且也参加了繁重的对沥青铀矿石的化学处理工作。寻找放射性新元素的研究工作实际上分两步走：第一步是要确证在沥青铀矿中究竟有没有新的放射性元素的存在?如果证实新元素的确存在，那么第二步则是把它(或他们)以纯元素的形式分离出来。在实施第一步研究工作时，居里夫妇并不了解这种未知元素的任何化学性质，只是知道它的放射性极强。于是他们俩紧紧抓住这条惟一的线索不放，穷追不舍。他们先是想方设法对从波希米亚的矿石产区圣约阿希姆斯塔尔运来一些铀沥青矿石进行分析研究。所使用的方法是以放射性现象为依据的新化学分析法：先用普通的化学分析法将铀沥青矿石中的各个组成部分分离出来，然后再在合适的条件下，用皮埃尔发明的精密、灵敏的验电器(或计电器)精确地测量各个组成部分的放射性。用这种新方法，他们了解到这种未知放射性元素在一部分物质中浓度在增强。不久，他们发现未知的放射性元素主要集中在两种不同的化合物中，即分别富集在含铋的化合物和含钡的化合物中。因此，他们认识到在铀沥青矿石里，至少有两种未知的新放射性元素。1898年7月，玛丽·居里宣布了其中一种新元素的存在，并命名它为“钋”，以表示对自己祖国波兰的怀念(钋原文名为polorium，与波兰pologne一词近似)。同年12月，居里夫妇又宣布了“镭”的发现，并命名为radium(含义是“射线” )。寻找与发现新放射性元素的研究工作在迅速地推进，并取得了冷人鼓舞的成果。但是，玛丽·居里清醒地意识到，他们的研究工作还没有完成，他们只是利用放射性的特性从铋盐和钡盐两种化合物中发现了含量微乎其微的新元素钋和镭。现在第二步的工作是要把它们以纯元素的形式分离出来。因为对于居里夫妇来说，钋和镭这两种新的放射性元素的存在是确信无疑的，但是要让化学家们普遍认可，则必须把这两种新元素分离和提取出来。2.3镭的分离和提纯分离新放射性元素钋和镭的工作举步维艰，遇到一个又一个的困难，主要有资金缺乏、场地太小和人手不足等。铀沥青是一种昂贵的矿石，居里夫妇无力购买足够用作实验材料之用的这种矿石。但他们获悉，奥地利政府在沥青铀矿石产地，将铀矿石提炼完铀之后的矿渣视作废弃物。而玛丽·居里推测这种矿渣中—定含有镭和一部分钋。多亏维也纳科学院的从中帮助和奥地利政府的网开一面，1899年，居里夫妇用极低价的钱购得了好几吨的这种矿渣，解决了实验材料供应难题。但另一个似乎更严重的是实验研究场所问题，又摆在他们面前。他俩当时所在的巴黎物理和化学学校，并未为他们提供合适的实验场地。幸好校长准许他们使用先前作为解剖教学用房的一间废弃的木棚。木棚顶上有一个很大的玻璃天窗，看上去似乎很亮堂，但留有多处裂痕，— 下雨就会漏水。棚内夏天闷热潮湿，冬天阴冷难忍。虽然可以生炉子取暖，但也只是火炉旁有点热气而已。木棚里只有一张破旧的松木桌和几个炉台、汽灯。一切必备的仪器装置都得由自己掏钱去购置。令人难忍的是在做化学实验时，常会产生有毒气体，刺鼻呛人，他们不得不把这种实验移到院子里去做。即使这样棚内仍旧有毒气进来。居里夫妇就是在如此恶劣的环境下，干着属于国际一流水平的科学实验工作，奇迹正是这样一步一步地在创造之中。就是在这个勉强凑合的实验室里，玛丽·居里和她的丈夫皮埃尔几乎在没有帮手的情况下干了两年。他俩起初一同做化学分析，研究所获得逐渐增多的放射性提炼物质。后来为了提高效率他们不得不分头进行，皮埃尔主要研究镭的放射性，而玛丽侧重做化学分析，以便提取纯净的镭盐。实践告诉他们，提取镭元素比提取钋元素相对来说比较容易。因此他们便集中力量先提取镭元素。居里夫人要处理的实验材料(即经粉碎的铀沥青矿渣)一次多达20公斤。结果木棚子里到处堆放着装满液体和沉淀物的大容器。无论是搬动它们，往里面倒水，还是用大铁棒搅动一口大铁锅里的沸腾的铀沥青矿渣，都得费好大劲。尤其是那搅动矿渣的动作一搅就是几个钟头，到傍晚工作结束，人已像散了架似的，简直把人给累趴下了。玛丽· 居里从矿渣中提炼出含有镭的钡化合物(其成分是氧化钡)之后，再利用分步结晶法进行分离、提取。最后镭元素全部集中到最难于溶解的化合物中，此时必须进行精密的操作方法以实现最终的结晶和分离。由于木棚子里灰尘、烟煤甚多，极易影响结晶的纯净度，要完成这种精密操作，其难度之高可想而知。1902年，居里夫妇正式宣布提炼出来了0.1克的极其纯净的氯化镭，分离出来的物质终于显示出镭元素应具有的性质，含镭丰富的化合物全部能自行发光，且具有不同于其他元素的独特光谱，第一次测定镭的原子量为225。至此，镭元素的发现及其性质被正式确定。4年的艰苦卓越的奋斗终于有了光辉的成果。后来玛丽回顾自己在这所阴冷潮湿的实验室中度过的艰苦岁月时，认为这是她一生中“最美好和最快乐的年代”。1903年玛丽·居里完成了自己的博士论文“放射性物质的研究” 并获得博士学位。也就在这一年的年末，玛丽和皮埃尔以及贝克莱尔因发现放射性和放射性元素而共同获得诺贝尔物理学奖。居里夫人成为第一位荣获诺贝尔奖的女性。由于先前长期在极其恶劣的条件下工作，导致身心疲惫，体力透支，以致居里夫妇都未能在当年前往瑞典斯德哥尔摩去领奖和发表演说。1904年，随着二女儿艾娃出生，经过近一年半的休养生息，直到1905年身体状况有所好转，他们才去瑞典首都，由皮埃尔作了接受诺贝尔奖的答辞。他俩所做出的科学贡献开始受到世界的关注。3、独自高举火炬，领跑放射化学的征程1906年，正当居里夫妇准备告别已使用多年并给他们以无限激情和怀念的那座木棚实验室时，一场飞来横祸降临到他们头上。皮埃尔·居里因车祸被夺去了生命。丈夫的英年早逝，不到40岁的玛丽·居里失去了人生旅途上最亲密的伴侣和科学研究事业上最好的战友。这一沉重打击一度让玛丽的精神几乎处于崩溃状态，觉得自己完全丧失了面对未来的勇气和精力。但最后她还是把自己的悲痛深埋在内心，因为皮埃尔生前曾说过的那句话——“即使我不在了，你也必须继续干下去!”一—始终铭刻在她的心中，永远也不会忘记。玛丽·居里重新振作起来，一边抚养两个年幼的女儿和照顾年迈的公公，一边去巴黎大学接替丈夫皮埃尔的物理讲座工作。同时继续进行放射性元素性质的研究及进一步提炼纯镭的工作，她决心要用加倍的努力来完成自己和丈夫两人未尽的事业。1907年，玛丽·居里对镭的原子量做第二次测定，结果更为精确(当时测得的原子量是225.35)。1910年，终于提炼出了纯净的金属镭，并确定采用原子量226。这种提炼和测定了镭的过程十分精密，操作要特别细心，稍有不慎，就有丧失镭元素的可能。至此玛丽·居里终于见到了这种新奇而美妙的白色金属镭。至于钋元素，玛丽·居里— 直未能将它提炼分离出来，原因是在原矿中它的含量比镭还要少，她寄希望于后人的努力来早日实现钋元素的分离和提纯。与此同时，居里夫人还十分关注对镭的测量方法如何严格把关，它必须建立在可靠的基础之上，这样才能作为实验和科学研究的标准加以使用。此外，还有一个更加重要且紧迫的现实原因，那就是镭在现代医学中的应用日益迫切。一个崭新的医疗方法一一镭疗法，首先在法国诞生。这种治疗方法对某些疾病具有特殊的疗效，尤其是在治癌方面。若想用镭治疗获得成功，必须在用量上准确无误。因此镭的度量在工业上、医药上、科研上都是至关重要的。所以，如何控制镭使用量及射线的纯净程度都是必须解决的大事。1910年，居里夫人在布鲁塞尔放射学会理事会上提出了建立镭的正式标准的建议，这是科学研究和医疗技术上的需要。为此，她负责制备了20毫克金属镭作为基本测定标准，并把它存放在巴黎国际度量衡中心。在这次会议上还制订了放射性的新单位，为了纪念皮埃尔·居里，一致决定把放射性单位取名“居里”。1居里等于1克镭处于平衡时，氡所放出或获得的辐射量(氡原称镭射气，它是由镭产生的奇特气体，镭所具有的强烈放射性大部分是由它产生的)。期间居里夫人还测定了镭的各种性质，完成了她的名著《论放射性》。为了表彰居里夫人在发明放射性元素钋、镭和提炼分离镭以及发展镭的应用等方面的杰出贡献，瑞典科学院再次授予她1911年度诺贝尔奖(化学奖)。1911年12月11日，居里夫人在颁奖典礼上作了讲演，题为“镭和化学中的新概念” 。居里夫人一生所取得的成就是辉煌的，由此获得的荣誉也是很多的，但是对此她看得相当淡薄。爱因斯坦曾经这样赞誉她的思想境界：“在所有的名人中，居里夫人是少有的不为荣誉倾倒的人。”不仅如此，居里夫妇也是两位不索取任何物质报酬的科学家。当他们把镭提炼和分离出来后，人们从中看到了巨大的商机和利益，众多公司投资人争相索取制取镭的秘密，甚至不惜用重金向他们购买专利权。他俩明知：镭疗法和镭工业将获利不菲，但他们自动放弃从镭发现中应得的利益，也就等于是放弃了大量财富。有一些朋友曾好心好意地提醒居里夫妇：“如果你们保留本该属于你们的权益的话，你们早就有足够的财力创建一座设备精良而齐全的镭研所了”。玛丽-居里回答说：“此话不假，我们困难重重，以致无法顺利地进行研究。不过我仍然坚信皮埃尔和我的行为和决定是完全正确的。无疑人类需要注重自己实利的人，他们拼命地在工作在谋求自身的利益，这与人类的普遍利益是并行不悖的。但是人类毕竟也不可缺少具有理想主义信念的人，他们追求大公无私的崇高境界，无心去顾及自身的物质利益。但是我觉得一个完善的社会应该为这些理想主义者的研究经费和个人生活提供必要的保证，让他们无后顾之忧，能潜心于自己的科学研究事业。”她的这种肺腑之言值得我们现今的社会与人们的深刻反思。由于长期接触放射性物质，使居里夫人的血液和免疫系统受到严重的损害，以致得了不治之症(恶性白血病)。1934年7月4日 ，居里夫人与世长辞，人类失去了_一位非常杰出而又值得敬仰的女科学家。居里夫人独立高举了二十八年(1906-1934)的放射科学的火炬，后人已经继续把它高举起来了…。参考文献：[1][法]玛丽·居里．居里夫人自传[m]．北京：中国华侨出版社．2010．[2]袁翰青，应礼文．化学重要史实[m]．北京：人民教育出社．1989：379-395．