核物理学的起源和发展
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核物理学的起源和发展

时间:2019-04-27 13:03来源:未知 作者:admin 点击:
        目前放射性核素在诊断和治疗中的使用包含了化学家、物理学家、医生、生物学家、工程师、生理学家、生化学家、药理学家和其他科学家的共同努力和相互交流。今天的分子核医学是从George Hevesy 的 “指示剂” 方法发展而来的,这种方法使得示踪和测量原子或者化合物在体液,器官和组织中的运动成为可能。George Hevesy 的这种放射性示踪剂的方法是依赖于核物理学的发展而出现的,一个德国物理学家发现促进了 “指示剂” 方法的产生,而这个发现也证实了一个世纪以前(1913年)一位临床病理学家关于原子核结构的论述。


曼彻斯特大学 1910年至1913年任研究员,1943年获得诺奖,主要贡献是在化学反应中的同位素跟踪法。
 
        在1895年末,伦琴对于钡-铂氰化物在通电的Crookes管旁边发出荧光的现象产生了兴趣。这种Crookes管被电子流碰撞的玻璃壁会发出冷光。伦琴通过用黑色的隔光纸版将管子完全围起来,来判断这种荧光究竟是钡-铂氰化物晶体发出的还是管子发出的。在一个完全黑暗的房间里,晶体在没有任何可见光的情况下发出了荧光。伦琴后续的研究证实了这种未知的不可见的 “X” 线会在空气中离子化,能够使他的手骨和其他密度的物体荧光透视成像。

1895年11月8日发现了X射线,为开创医疗影像技术铺平了道路,1901年被授予首次诺贝尔物理学奖。这一发现不仅对医学诊断有重大影响,还直接影响了20世纪许多重大科学发现。


       法国的物理学家荧光学的权威 Antoine Henri Becquerel,假设玻璃壁的荧光产生了X射线。他证明了硝酸铀也能在阳光下发出荧光,这种射线也能穿透不透光的纸张而且能使照片感光。当他插入一个铜制的十字架后,这一实验因为多云的天气而暂停了好几天。后来他很惊奇地发现虽然铀在阳光下能产生荧光但是并没有使平板并感光。另外,出现了一个铜制十字架明亮的白色图像。这些“Becquerel 射线”比伦琴的X摄像更让人感到困惑。X射线放出的能量是来自电子流的,这一点已经是很明确的了,但是 “Becquerel射线” 的能量是从哪里来的呢?Becquerel 已经排除了每一种外在的能量来源。然而包括 Becquerel 在内的所有的科学家都不接受能量自发产生的说法,因为这违背了能量守恒定律。但是不久以后Becquerel的一个在法国巴黎综合理工大学 (Ecole Polytechnic) 的学生说服了他们。

1852年生于法国。因发现天然放射性,与皮埃尔·居里(Pierre Curie,1859-1906)和玛丽·居里(Marie Curie,1867-1934)夫妇因在放射学方面的深入研究和杰出贡献,共同获得了1903年度诺贝尔物理学奖。
 
        玛丽·居里(Marie Sklodowska Curie),在1897年9月生下女儿Irene后,通过研究导师的发现,开始书写她的博士论文,在这一过程中,她提出了铀的放射活性这一概念。很幸运,她的丈夫,皮埃尔·居里(Pierre Curie),也是一个在法国巴黎综合理工大学的物理学教授,曾经发明了石英压力电子显微镜。这种新型的显微镜比金箔显微镜灵敏和准确得多,英国的物理学家J. J. Thomson(1856-1940)认为这一仪器也可以准确测量放射性物质产生的很小的电流。玛丽·居里最初的研究结果很有发展前景,所以皮埃尔·居里也加入了她对于放射活性的研究(图18.2)。他们满怀热情夜以继日地研究,用去了上千磅的沥青铀矿,通过反复实验她化学提取出了一种具有放射性的矿物质。这种新元素在1898年6月分离得到,以Marie的祖国波兰命名为钋(polonium),钋的单位重量放射性比铀大700倍。另外一种新元素,镭(radium),在1898年12月分离得到,比铀的放射性强一百万倍。Becquerel用极少的镭的样品证明镭缺失可以放射出光,热和离子化和放射线,而且不会随时间减弱。同时,镭也使他放样品的口袋后面的皮肤发红了。玛丽·居里和她的丈夫以及Berquerrel分享了1903年的诺贝尔物理学奖金,而且在1911年还获得了诺贝尔化学奖。那些原来持怀疑态度的科学家们被说服了——但是什么是自然放射线的科学解释呢?

 
 
        与此同时,英国的物理学家开始描述原子及其放射性的特征了。1897年,在剑桥Cavendish实验室的J. J. Thomson测量了在负极射线束照射下的负电荷“粒子”的质量,大约是氢的1/1800,一度被认为是最小的物质。由于忙于关于电子的工作,Thomson 把研究伦琴和Becquerel的射线的任务交给了他的第一助手,Ernest Rutherford。1898年,在前往蒙特利尔(Montreal)的McGill大学物理实验室之前,Rutherford写道,“……现在至少有两种不同的射线——一种是很容易被吸收的,可以被称作α射线,而另一种有较强的穿透能力,可以被称为β射线。”他还提到了钍的放射性和穿透力比铀强很多。1899年,Rutherford和Owen一起证明了钍发射出了一种具有“half-value period”(在19世纪30年代,Berkeley 缩短为“半衰期”(half life))的放射性的气体,其半衰期大致是1分钟,而且根据这一发现总结出了我们现在熟悉的适用于任何放射性强度计算的衰变公式:It=Ioe-λt, ,其中衰变常数λ=0.693/T1/24。Rutherford关于多种铀和钍样本的分析使他得到了一些结论:“……放射性元素必须经过自发的转化(tranformation),”很不幸,这个结论和愚蠢的炼丹家的“转变(transmutation)”很相似。
 
约瑟夫·约翰·汤姆森(1856-1940)是英国物理学家。诺贝尔奖获得者。他1856年在英国Manchester出生。1884年成为Cavendish物理教授。1906年由于他的“气体电导的理论和实验研究‘对科学做出伟大贡献而获诺贝尔奖。1918年任剑桥Trinity学院院长。直至1940年去世。 欧内斯特·卢瑟福(英语:Ernest Rutherford,1st Baron Rutherford of Nelson,1871年8月30日-1937年10月19日),英国著名物理学家,知名为原子核物理学之父。学术界公认他为继法拉第之后最伟大的实验物理学家。
 

Pierre Curie(1859-1906)和Marie Curie(1867-1934)(感谢美国放射学史中心,Reston, Va.)
 
    Hans Geiger(1892-1945)是一名物理实验室高级助理,在Rutherford于1906年来曼彻斯特Owens大学的时候他是迎接者之一。这两位很有创造力的科学界在1908年宣布,“α粒子失去正电荷以后是一个氦原子。”到1911年,曼彻斯特实验室和C.T.R.已经成为杰出的原子物理学培训和研究中心了。Wilson(1869-1959)和很多学生在他的云室里摄制了很多的离子轨道,这些学生中包括了Bohr、Hevesy、Fajans和Moseley。1911年Rutherford发现的原子是由一个几乎占据了原子所有质量的带正电的原子核和包围着原子核的带负电的电子云。1913年,Neils Bohr(1885-1962)发表了量子态特殊轨道电子的理论。这一理论和Max Plank(1858-1947)在1900年发表的量子理论一致。元素的化学性质是由它的电子的轨道结构决定的,而元素的核结构决定了它的稳定性和放射性。这段时间,Rutherford、Soddy、居里夫妇和Villard 定义了三种核放射线:由带两个正电荷的氦核组成的α例子,由负电子组成的β粒子,由高穿透性电磁放射物组成的gamma射线。

Hans Geiger Max Plank(1858-1947)
Neils Bohr(1885-1962)

 
 
    1913年见证了William Pourt(1785-1850)100年前做的假设被证明的过程。在精确地再测量了元素的质量以后,在1815年,William Pourt 发表了预言整数原则,指出所有元素的质量是氢原子质量的整数倍。H. Moseley(1887-1915)证实了Prout的整数原则。他是通过使用X线光谱测定法,证明氢核增加的整数化“楼梯”顺序,比如质子数(Z)从Ca(Z=20)到Zn(Z=30)增加了11。元素的楼梯理论在1920年由F. Aston(1877-1945)通过使用质量光谱测定仪得到了大幅度的扩展。第一次世界大战以后,1919年,Rutherford 首先通过用放射性Α粒子轰击氮诱导转变,生成质子和稳定的氧。A. Compton(1892-1962)描述了电子相互作用散射的Gamma射线。在接下来的5年里,M.Born(1882-1970)、L.de Broglie(1892-1960)、E. Schrodinger (1887-1961)、W. Heisenberg (1901-1976)和P. Dirac (1902-1984)提炼和整合出了波粒子特点,这和普朗克的量子理论是一致的。在1928年,R. Millikan(1868-1953)在加利福尼亚技术机构(CIT)证明了原子在分子轨道分享电子。同年,Geiger发明了盖-米二氏(离子)计数器(GM counter)。

H. Moseley(1887-1915) William Pourt(1785-1850)


罗伯特·奥本海默 M.Born(1882-1970) A. Compton(1892-1962)


L.de Broglie(1892-1960) E. Schrodinger (1887-1961) W. Heisenberg (1901-1976)

P. Dirac (1902-1984) R. Millikan(1868-1953)

 

(杨宁医学影像学网)
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