第一章 铀和钍的放射性，放射性矿物
贝克勒尔射线 贝克勒尔发现的铀射线能够使隔绝光线的照相底板感光；它们可以穿透一切固体、液体和气体物质，只要厚度足够小。在穿过气体时，它们会使气体变成弱电导体。
铀化合物的这些性质不是任何已知原因引起的。铀化合物似乎是在自发地产生辐射，甚至把化合物存放在完全黑暗的地方数年，辐射强度也毫不见减弱。因此，铀射线绝不可能是必须受到光线照射才会产生的磷光。
铀辐射的自发性和持久性是一种非常奇特的物理现象。贝克勒尔把一份铀试样在黑暗中保存了数年，最后发现，这份铀试样对照相底板的感光能力同起初相比没有可察觉的变化。厄尔斯特和盖特尔做过类似实验，也发现感光作用保持不变。
我利用辐射对空气电导性的影响测量了铀的辐射强度。测量方法将在后面说明。在实验精度范围内，我也得到了可以证明辐射持久不变的数据。
在上述测量中，我使用了一块铺有一层铀粉的金属板。没有采取措施使金属板处在黑暗中，根据上面提到的那些实验，是否需要防光，并不重要。我利用这块金属板进行了无数次测量，坚持测量了五年。
我的有些研究是为了查明是否还有其他物质也具有类似于铀化合物的那种感光能力。施密特首先公布了钍和钍化合物也具有完全相同的这种性质。在同一时期，我也做了类似的研究，得到了相同的结果。我在发表我的结果时还不知道施密特的文章。
按照我们的说法，铀、钍以及它们的化合物都在发出贝克勒尔射线。我把那些发出具有这种辐射的物质称为放射性物质。自那以后，这个名称便被普遍采用。
在感光作用和电效应方面，贝克勒尔射线近似于伦琴射线。像伦琴射线一样，贝克勒尔射线也有穿透一切物质的本领。但是两者的贯穿能力差别很大。铀射线和钍射线会被数毫米的固体物质阻挡，而且在空气中只能穿过几厘米的距离，至少对于辐射中的大部分射线是如此。
不同的物理学家——主要是卢瑟福——都通过他们的研究指出，贝克勒尔射线不会作有规则的反射和折射，也没有偏振。
铀射线和钍射线的穿透能力较弱，这表明它们的射线似乎类似于伦琴射线所产生的次级射线，而不是同伦琴射线本身相似。塞格纳克（Sagnac）对伦琴射线的次级射线曾有很好的研究。
在其他方面，贝克勒尔射线则似乎类似于在空气中传播的阴极射线。现在知道，对贝克勒尔射线作这些不同类比，都是有道理的。
测量辐射强度
我使用方法是测量在放射性物质的作用下空气所获得的电导性。这种方法的优点是测量速度快，而且提供的数据具有可比性。我使用的测量设备基本上就是一个平板电容器AB（图1）。我把块状的放射性物质研磨成细粉，平铺在电容器的极板B上，使两块极板之间的空气成为电导体。为了测量空气的电导性，把电容器的极板B连接到一个由多个小蓄电池组成的电池组的一个电极P上，使其具有高电势。电池组的另一个电极接地。把电容器极板A通过电线C和D连接到电池的接地电极，使其处于地电势。这时，两块极板之间就会有电流流过。极板A的电势由静电计E记录。如果断开接地线C，极板A被充电，它上面的电荷会引起静电计偏转。偏转速度与电流大小成正比，以此来测量电流的大小。
图1
有一种更好的测量方法是补偿极板A上的电荷，设法使静电计保持不偏转。要补偿的电荷数量是很小的，用一个石英压电电子秤Q就可以实现补偿。电子秤的一个护板接极板A，另一个护板接地。在平板H上放上重物，石英片就会产生一个已知大小的电压。在观察过程中一点一点地增加重物来加大电压，从而达到一点一点地产生一定已知电量的效果。仔细操作，以保证在每一时刻通过电容器的电量都恰好被石英提供的符号相反的电量所补偿。以这种方式测量，在给定时间内通过电容的电量即电流强度可以用绝对单位测得。这种测量方法不依赖静电计的灵敏度。
用上述方法测量了一定次数之后便可以看出放射性是一种能够以确定的精度加以测量的现象。还发现，放射性几乎不随温度变化，也就是说，这种现象几乎不受周围环境温度变化的影响，即使把放射性物质加热到白热状态也是如此。流过电容器的电流强度随极板表面积而增加。对于给定的电容器和给定的放射性物质，电流则随极板之间的电势差、电容器内部气体的压强以及两极板之间的距离（只要此距离与极板直径相比不是太大）而增加。无论在哪一种情形，继续增大电势差，电流都会达到一个实际上是常量的极大值。这就是饱和电流，或称极限电流。同样，当两块极板之间的距离增加到足够大之后，电流也几乎不再随距离变化。在我的研究中，我就是把在这种条件下得到的电流当作放射性的量度。测量时，电容器就放在一个大气压的空气中。
下面，我给出了当极板之间为两种不同距离时分别测得的电流强度随极板间电场而变化的函数曲线（图2，图3）。测量时，极板B上铺有一薄层粉状金属铀，极板A连接到静电计，并安装有防止电干扰的保护环。
图2
图3
在图2上可以看出，当两极板之间的电势差增大到一定数值之后，两种距离情况下的电流都变成了常量。图3画出的则是同样两条曲线在改变了横轴标度后的形状，更容易看出当电势差很小时的电流变化。在原点，曲线作直线变化；在电势差很小时，电流强度与电势差之比为常量，反映了两极板之间的初始电导性。这样，被观察现象的两个重要的特性常数便都在这种电流-电势差曲线上被表现出来了。它们是（1）小电势差时的初始电导性和（2）大电势差时的极限电流。这个极限电流就被当作放射性的量度。
在两个极板之间除了有电势差外，还存在着一个接触电动势。在电容器极板之间产生的电流是两者共同作用的结果。由于这个原因，电流强度的绝对值将随外部电势差符号改变而有所不同。不过，不论实验条件如何，只要不是非常小的电势差，接触电动势的效应均可以忽略不计。所以，不论两个极板之间的电场指向哪一个方向，电流强度总是相同的。
有几位物理学家曾经研究过空气和其他气体在受到贝克勒尔射线照射时的电导性。在这方面，最为全面的是卢瑟福的研究报告。
气体受到贝克勒尔射线照射时会显示电导性，这种现象所遵循的规律同受到伦琴射线照射时相同。看来，两种情况下的气体导电现象应该具有相同的机制。用气体在伦琴射线或贝克勒尔射线照射下发生电离的理论来解释这种现象，与观察到的事实十分一致。这里，我不打算详细介绍这个理论，只转述这些研究者所得到的结果：
第一，他们认为，辐射在气体中每秒钟所产生的离子的数目与气体所吸收的辐射能量成正比。
第二，要在实验中得到给定辐射所对应的极限电流，必须满足两个条件。一个条件是，必须要有足够数量的气体，能够完全吸收掉给定的辐射。另一个条件，必须要有强度足够大的电场，以保证辐射所产生的离子能够全部参与导电而形成电流。只有电场足够强，在任何时候辐射所产生的离子总数中复合的离子数目所占的比例才可以忽略不计，能够保证绝大多数离子都被电流带到了电极。满足这个条件的电场强度同电离量成正比。
根据最近汤森（Townsend）发表的研究结果，当气体压强很低时，这种辐射引起气体导电的现象表现得尤为复杂。起初，随着电势差的增大，电流似乎在趋于一个恒定的极限值。可是，在电场增大到某个数值之后，电流又开始随着电场增大而增大，而且增大速度极快。汤森把此时电流的快速增大解释为离子本身又引起了新的电离。在电场增大到某个数值之后，已经产生的离子从电场获得了非常大的速度，它们高速碰撞所遇到的气体分子，将后者击碎为组成分子的离子。强电场和低气压容易使已经存在的离子引起这种再次电离。而且，这个过程一旦建立，电流强度就会随着极板间电场增大而一直增大。由此可知，要想出现极限电流，那就必须要保证实验时的电离条件不会导致电流强度超过某个特定值。这个饱和条件对应的是不会因离子大量增加而发生新的电离的电场强度。我的实验就满足这样的条件。
我在实验中使用的电容器，极板直径8cm，两极板间距3cm，用铀化合物进行测量得到的饱和电流为10-11安培数量级，用钍化合物得到的饱和电流具有同样数量级。铀和钍的氧化物的放射性非常接近。
铀和钍的化合物的放射性
下面是我对铀的不同化合物测得的数据。表中i代表电流，单位为安培。
在测量铀化合物时，铺在极板上的铀化合物层的厚度对测量结果基本上没有影响，但必须均匀。下表是两个例子。
由上表的数据似乎可以得出结论，产生铀射线的物质本身对铀射线的吸收是非常大的，因为从铀化合物层深处发出的射线对测量结果没有明显影响。
但是，测量钍化合物得到的数据却不是这样：
第一，铺在极板上的钍化合物层的厚度有显著影响，特别是氧化钍。
第二，只有钍化合物层足够薄（例如0.25mm），在多次重复测量中才会得到基本上一致的数值。反之，如果钍化合物层很厚（例如6mm），重复测量就得不到一致的数值，上下相差很大，特别是氧化钍。
显然，在测量钍的化合物的情形，大概存在着测量铀的化合物的情形所没有的某些无规律的因素在起作用。在对厚度为6mm的钍的氧化物反复进行测量时，得到的数值甚至在3.7和7.3之间作无规律变化。
我还测量了铀和钍的射线被吸收的情况。这些实验表明，钍发出的射线的贯穿能力要比铀发出的射线的贯穿能力强，而且厚层的氧化钍发出的射线比薄层的这同一种物质发出的射线的贯穿能力强。下面给出的数据是各种放射性物质发出的辐射穿过厚度为0.01mm的铝箔后剩余的百分比。
从上面列出的数据可以看出，只要是铀的化合物，不论是哪种化合物，铝箔对它们射线的吸收都相同。这样就得到结论，铀的不同化合物所发出的射线具有同样的性质。
至于钍的辐射，从在上面列出的数据中则可以发现不同的特点。关于钍的辐射的特点，已经有不少论文做过充分的介绍。欧文斯（Owens）把实验装置罩起来进行实验，他发现，只有在经过一段时间之后，才能够得到稳定的电流。而且，气流对电流的影响很大，会使电流明显下降（铀化合物没有这种现象）。卢瑟福也做过类似的实验。他对钍辐射所表现的上述特点的解释是，钍和钍的化合物除了产生贝克勒尔射线外，同时还在向外散发一种由极其微小的粒子所组成的他所说的射气。散发出来的这种射气粒子在一段时间内都保持有放射性，但是可以被气流吹走。
钍的辐射同所使用的辐射物质的厚度和同气流有关的这两个特点，同被称为感生放射性及其在空间的传播的另一种现象有密切的联系。那种现象是在研究镭时首先观察到的，放在后面再作介绍。
钍和铀的化合物所显示的放射性就像是一种原子属性。贝克勒尔早就注意到铀的任何一种化合物都具有放射性。他的结论是，这些化合物的放射性皆源于它们所含有的铀元素。他还证实，铀的放射性要强于铀盐。我按照他的这个思路来研究钍和铀的化合物，在不同实验条件下对它们的放射性进行了大量测量。所有的测量结果都表明，这些物质的放射性的确是一种原子属性。它们的放射性似乎只取决于物质中所包含的钍和铀这两种元素的原子的多少，而不受它们处于何种物理状态或者被进行怎样的化学分解的影响。含有铀或者钍的物质，不论是化合物还是混合物，都具有放射性，而且放射性强度与其中所含的这两种金属的数量成正比。测量没有放射性的物质，仪器则没有反应，这些物质只是吸收放射性辐射。
原子放射性是一种普遍现象吗？
我在报告一开始就说过，我进行实验的目的是要在铀的化合物和钍的化合物之外发现也具有放射性的其他物质。我在研究中抱有一种想法，那就是，既然放射性是一种原子属性，那么放射性就不大可能只属于某一类特定的物质而不属于此外的其他物质。按照这个思路进行研究，我可以毫不夸张地说，我实际考察过的化学元素包括了那些虽然最稀少，然而也许就是最有可能具有放射性的元素。我会把放射性小到甚至不到金属铀放射性1/100的那些化合物拿到我的设备上进行检测。
下面是我用实验筛选过的物质的清单，既有元素，也有化合物：
1．所有容易得到的金属和非金属，以及从巴黎市立高等工业物理化学学院的伊塔德（Etard）先生那里得到的他所收藏的比较稀有的提纯物。
2．下列稀有物：镓、锗、钕、镨、铌、钪、钆、铒、钐、铷[借自德马凯（Demarcay）的试样]、钇、镱[借自乌尔班（Urbain）]。
3．大量岩石和矿物。
在我的设备的灵敏度范围内，我没有在铀和钍之外发现具有原子放射性的单质。我在这里也许应该特别提到磷。把潮湿的白磷放在电容器的极板之间也会使极板间的空气导电，但是我认为这种物质并不具有钍和铀那样的放射性。因为，在这种条件下，磷被氧化并发出了亮光，而铀的化合物和钍的化合物显示出放射性，自身却没有发生用任何已知手段可以检测到的化学变化。至于磷的另一种同素异形体红磷，还有它的一种化合物，我的仪器都没有反应。
在最近发表的一篇论文中，布洛赫（Bloch）指出，磷在空气中被氧化后会散发出具有微弱迁移性的离子，它们能够使空气导电，还能使水蒸气凝结。
铀和钍是具有非常大原子量（分别为240和232）的两种元素，它们常常出现在同一种矿物中。
放射性矿物
我用我的装置检测了许多矿物，其中有些显示有放射性，例如，沥青铀矿、钍矿、橙黄石、褐钇铌矿、钇铀矿、铜铀云母、钙铀云母、独居石等等。下面给出的是对金属铀和各种矿石测得的电流强度i，单位为安培。
测量橙黄石（天然氧化钍），得到的电流依赖于厚度有很大变化。厚度从0.25mm增加到6mm，电流从1.8增大到2.3。
显示放射性的那些矿物全都含有铀或钍，因此，它们具有放射性毫不足怪。但是，某些矿物的辐射强度却大得出乎意料。例如测量表明，沥青铀矿（氧化铀矿石）的放射性是金属铀的四倍，铜铀云母（铜和铀的复磷酸盐）的放射性是金属铀的两倍，钙铀云母（铀和钙的磷酸盐）的放射性同金属铀一样。这些事实不符合前面得到的结论，按说，矿石是绝不应该有钍或铀那样强的放射性的。
为了查明原因，我采用德布雷（Debray）法利用纯净制品作原料来制得人造铜铀云母。所谓德布雷法，是将硝酸铀溶液和磷酸铜的磷酸溶液混合，然后加热到50℃或60℃，经过一定时间，在混合溶液中长出铜铀云母结晶。
这样得到的人造铜铀云母具有与其组分完全一致的正常的放射性。放射性比铀弱，只有后者的1/2.5。
如此看来，沥青铀矿、铜铀云母和钙铀云母显示出那样大的放射性，多半是由于这些矿物中包含有数量很少的另一种更强的放射性物质。它不可能是铀和钍，也不可能是其他的已知元素。我想，如果我的猜测不错的话，我就有可能用常规的化学分析方法从这种矿石中分离出那种物质。