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这个男人用王水溶解了诺贝尔奖章,如今已是传奇

2016-8-27 15:14:55点击:

来源:知识分子

导言:

或许很多人都听说过一个关于科学家为了躲避纳粹士兵的搜查,用王水溶解了诺贝尔奖章的故事。

但很少有人知道,故事中的科学家叫什么,他又为什么要这么做。


这个故事中的主角就是乔治·德海韦西(George de Hevesy,1885-1966,1943年诺贝尔化学奖得主),一位具有传奇人生的放射化学家。



躲避纳粹——他用王水溶解了诺贝尔奖章

一战结束后,奥匈帝国解体,排犹主义再次沉渣泛起,原本在布达佩斯任职的德海韦西辗转来到位于哥本哈根的玻尔实验室工作。二战期间,战火蔓延到了丹麦,哥本哈根沦入纳粹的魔爪。德国士兵在街道上集合,而党卫军正在挨家挨户搜查可疑分子。

在这之前,两位德国科学家詹姆斯·弗兰克(James Franck,1882-1964,1925年诺贝尔物理学奖得主之一)和马克斯·劳厄(Max von Laue,1879-1960,1914年诺贝尔物理学奖获得者)不顾纳粹禁止黄金流出德国的禁令(黄金作为战略物资,可以帮助德国换取重要物资),偷偷把诺贝尔奖章寄到了玻尔实验室,以示他们反对纳粹的态度。所以在这生死攸关的时刻,大家为怎么处理奖章而犯难。

最初,德海韦西提议将奖章埋起来。但埋在地下的奖章并不会消失,一旦被发现,后果不堪设想。但黄金的性质如此稳定,实验室中绝大部分的酸碱也不能将其溶解,到底该怎么办呢?最后德海韦西使用王水顺利将奖章溶解,帮助弗兰克和劳厄逃过一劫。战后他再次回到实验室,那两瓶茶红色的溶液安静的摆放在架子上,就像彼时的天空,曾被战火染红却又归于平静。

德海韦西的人生颇具传奇色彩,上面的故事只是其中的一例。1885年德海韦西出生于匈牙利的一个贵族家庭,他的英文名George de Hevesy译自匈牙利语Gy?rgy von Hevesy,其中的von即代表了其贵族血统。先后经历两次世界大战,辗转于欧洲多家研究机构,在“颠沛流离”中他完成了诸多具有重要科学意义的发现,并获得了1943年的诺贝尔化学奖。



(年轻时的德海韦西[1])

大战女房东——一种只属于学霸的胜利

1911年的1月,德海韦西迎着风浪远渡英国,准备去曼彻斯特大学的物理实验室学习电导率测量的相关技术。尽管他在英国的导师是大名鼎鼎的卢瑟福(Ernest Rutherford,1871-1937,就是那个曾获得诺贝尔化学奖的原子核物理之父),然而德海韦西在科研上几乎一无所获。当时卢瑟福收到了奥地利政府赠送的一批沥青矿渣,其中含有的一种镭的衰变产物RadiumD引起了他的兴趣。然而由于矿渣中存在的大量铅会屏蔽RadiumD的放射性,所以卢瑟福希望德海韦西能把RadiumD和铅分开,以便进一步研究其性质。他对德海韦西说道,“小伙子,把RadiumD和铅分开吧,你能胜任你的工作。”像所有的年轻人一样,初到英国的德海韦西乐观向上,充满斗志,他认为自己能够完成这个任务,更何况卢瑟福经常说他从来不会给自己的学生一个毫无希望的课题。


然而事与愿违,在暗无天日的地下室尝试了两年之后,分离RadiumD和铅的任务似乎要以失败告终。科研上屡屡受挫的德海韦西心情欠佳,而他所在的公寓糟糕的伙食又让他大为恼火(毕竟在大英帝国)。尽管房东太太宣称她提供的肉食都是新鲜的,但德海韦西坚信他吃剩的饭菜被她回收再加工之后又提供给了他。这两个问题始终困扰着他,直到有一天,他突然意识到该怎么解决后一个问题。某天吃完饭之后,德海韦西向自己的剩饭中加入了一点放射性的RadiumD,然后静静等待时机的到来。几天后,等到房东太太将饭菜端上饭桌后,德海韦西拿出准备已久的验电器。当他把探头移动到这盘“新鲜”的饭菜上方时,验电器开始吱吱乱响。在这确凿的证据面前,房东太太惊奇而又无奈地承认了这些肉是上次吃剩的。


(P.S.试验危险,请勿模仿。)

这件事并没有出现在正式发表的论文中,但这可能是同位素示踪法的首次实践,在前方有一片广阔的领域正等待德海韦西去开拓。

失败是成功之母——同位素示踪法的发明

在卢瑟福的实验室“碌碌无为”工作了两年之后,为了进一步研究RadiumD的性质,1913年,德海韦西决定去维也纳镭实验室工作(这里有高纯度的镭)。在那里,德海韦西发现弗里德里希·阿道夫·帕内特(Friedrich Adolf Paneth,1887-1958)和他研究了相同的课题,也一样毫无进展。于是两个人联合发表了他们的研究结果,RadiumD和铅无法通过化学方法分离。现在科学家现在对RadiumD的性质已经有了足够的了解,其实RadiumD就是放射性铅210,它和稳定铅有着几乎完全相同的化学性质,因此也就不可能使用化学方法将两者分离。尽管德海韦西当时尚未得知RadiumD的真实面貌,但由于RadiumD和稳定铅极为相似的化学性质和不可分离特性,他认为可以将RadiumD当作铅的指示剂。后来他们利用RadiumD的这个特性合作完成了硫化铅和铬酸铅的溶解度测定。


(Friedrich Fritz Paneth(图中文字大意为,稀有气体的不可反应性源于对实验结果的确认。))

放射分析技术是一类灵敏度极高的分析方法,它的检测限可以达到飞摩尔(10-15)水平。因次,化学家、生物学家和药学家等可以利用它完成很多以前难以想象的实验。在难溶盐的溶解度测定问题中,铬酸铅的溶解度极小,一吨水能溶解的量也仅有0.000058g,常规方法(二十世纪初的分析方法极为简陋,电化学分析等诸多分析手段尚未发明)对此无能为力。

使用放射化学分析方法时,向稳定铅中加入一定放射性强度的RadiumD后,溶液的放射性强度就和铅的浓度关联了起来。当铅溶液不断被稀释时,溶液的放射性强度也在下降。即便铅浓度已不可测,但其放射性仍然能够检测,铅的浓度就可以通过与稀释前放射性强度的比值进行计算而得知。

我知道你就在那里——同位素示踪法的生物应用

在完成了一系列的无机化学、胶体化学和电化学等方面的试验后,德海韦西对于RadiumD在有机体中的应用越来越感兴趣。既然RadiumD可以标记铅的浓度,那么它同样也可以用来指示铅的位置。


(两种核药的PET显像结果)

1923年,德海韦西使用ThoriumB(铅212,另一种铅的放射性同位素)作为标记物,研究了蚕豆对铅的吸收利用情况。ThoriumB和稳定铅随着营养液被蚕豆吸收,分散到植株的各个部位。后来,德海韦西又使用放射性磷作为示踪剂研究了老鼠体内磷的代谢情况。


(注射后血液中磷32的浓度变化情况[4])

长久以来,哲学家们一直被忒修斯之船(Ship of Theseus)问题所困扰。物体的构成要素被置换之后,它还是原来的它吗?德海韦西的试验至少从科学的角度给出了一种解答。我们的每一刻都不相同,唯一不变的只有变化本身。当然这些试验的意义不仅于此,它像一盏灯,照亮了科学家揭露生化原理的道路。借助同位素示踪法,我们可以了解DNA复制的过程,明白糖代谢的反应机理,追踪激素的合成利用,判断癌细胞的扩散情况。另外在同位素示踪法的基础上,科学家们还发展出了有特殊治疗效果的放射性药物,德海韦西也因此被成为“核药之父”。

不疯狂何以追求真理

德海韦西具有极强的天赋和旺盛的好奇心,他四处出击,在诸多领域颇有建树。他自己也很清楚这一点,在很多试验尚未得到数据之前,他就已经把论文的草稿写完。然而,要想成为一名优秀的科学家,尤其是从事放射化学研究的科学家,很多困难和危险是难以避免的。

在粒子回旋加速器发明之前,实验室中使用的放射性核素要么从矿物中分离提纯,要么使用复杂而危险的方法人工制备。在磷同位素示踪试验中,德海韦西就是通过一个危险的实验自己合成了磷32。


利用氡气衰变产生的α粒子轰击铍得到一个简单的中子源,再利用中子轰击硫32得到了磷32。

之所以说这个反应非常危险,是因为反应物都是危险物质。铍具有极强的致癌性,但为了它能被α粒子轰击,德海韦西不得不在研钵中将其磨碎后烧制成玻璃瓶。反应中用到的α放射源——氡气不仅具有很强的放射性(500mCi的活度,每秒钟约有1.9×1010个原子发生衰变),而且极易泄露(氡气是一种1类致癌物质,吸入氡气会导致危险的α粒子内照射)。为了防止氡气泄露,德海韦西将放射源置于安瓿瓶中,将瓶口烧熔密闭。通过这个危险的反应,德海韦西制得了约1μCi的磷32。

后来欧内斯特·劳伦斯(Ernest Orlando Lawrence,1901-1958,1939年诺贝尔物理学奖获得者)发明了粒子回旋加速器,放射性核素可以更为方便的在实验室中生产,德海韦西再也不用冒着生命危险去合成磷32了。


(1935年,德海韦西(右)和玻尔(左)、弗兰克(中)[3])

P.S.在德海韦西的一封感谢信中,我们得知当时劳伦斯是通过航空信件的形式将放射性的磷邮寄给德海韦西的。是的,就是在没有任何防护措施的情况下,将装有放射性磷的瓶子扔到信封里面寄了出去。他们这样做是因为缺少对放射性危害的认知,还是因为不得已为之,我们不得而知。不过从另外一件事情中,我们至少可以知道,德海韦西在探求真理时非常疯狂。

早在1911年的时候,德海韦西就很好奇我们喝下去的水在人体内是如何代谢循环的。但直到1933年,在哈罗德·尤里(Harold Urey,1893-1981,1934年诺贝尔化学奖获得者)向其提供了几升含氘(氢的同位素)的水后,他才真正有机会去验证自己的猜测。德海韦西将氘水(2H2O)稀释后作为水(1H2O)的示踪剂,然后将其喝了下去。(如今的实验伦理是不允许这样的试验进行的)在实验开始26分钟之后,他在尿液中检测到了氘水。根据最后的实验结果,德海韦西计算得到水在人体内的平均滞留时间为13.5天,一个成年人体内含有约1027个水分子(约30kg,这个数值低于人体内实际的水含量,因为人体的水分为结合水和自由水,只有自由水中含有氘水)。


(人体各器官水含量(图片来自网络))

历史不会被遗忘

德海韦西一生著作颇丰,他共发表了论文四百余篇,还有数本专著。如果说这其中有什么秘籍的话,那只能归结为他对科研的全身心投入。他的学生希尔德·利瓦伊(Hilde Levi,1909-2003,拥有德国和丹麦双重国籍的物理学家)在其文章中回忆说,尽管德海韦西的记忆力惊人,但他却经常丢三落四,常常会忘记自己约了牙医或者邀请了别人来做客。有时看到他慌慌张张跑出实验室,那一定是他突然想起来有什么事情给忘记了。例如有一次他一边跑下楼梯一边大声喊着,“哈恩先生,哈恩先生,兔子已经给你了,我先回趟家”。(此处哈恩先生应为奥托·哈恩,Otto Hahn,1879-1968,1944年诺贝尔化学奖获得者。作者注)作为一个彬彬有礼的学者,他不是不尊重自己的合作伙伴,只是他明白,他现在不回家肯定会被骂,但哈恩却一定会忙碌到深夜等他回来。

即便在出门远足的时候,他都会喊上同事或者学生在路上谈论问题。有次利瓦伊去他家参加聚会,到了九点半的时候他给他女儿打电话,告诉她去关掉自己卧室的暖气。他向客人们解释到,自己一般睡前一个半小时会把暖气关掉。好一道委婉的逐客令。

历史不会忘记他给世界带来的改变,就像那注入体内的放射性核素一样,肉眼不见,但却闪烁着耀眼的“光芒”。


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