因誤會而頒發的諾貝爾獎,和元素週期表裡的地獄...一段歷史


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遙想 2016 年 6 月 9 日,-端午節-主流新聞無限迴圈不斷在播報洪素珠事件;網路同溫層這方則在舉行一年一度的南部粽北部粽中部粽大賽。

然而,身為誤入歧途已久的科學宅一枚,對我來說當天只有一件事,一件事是重要的:

國際純化學暨應用化學聯合會(IUPAC)宣布,週期表第七列終於被填滿。

暫名元素 UutUupUusUuo,也就是 113、115、117、118 號元素,由發現團隊獲得命名權,分別被命名為 Nihonium, Moscovium, Tennessine, Oganesson.

有個我非常喜歡的網站也推出了重磅 ‧ 資訊視覺化 作品,即下表

EleEty

一圖道盡,週期表元素命名的由來(大圖按我

這張圖表以顏色編碼包含了 1 到 118 號元素的四種訊息:縮寫符號名字由來英語通用名稱、英語的通用名稱來自什麼語言的借字

IUPAC 曾公布,今後化學元素的 命名規範 限於六大類

1.出自的礦物名稱: (boron)→ 硼砂 (borax)
2.以天體命名:鈰 (Cerium) → 穀神星 (Ceres)
3.以神話人地物命名: (Promethium) → 普羅米修斯(Prometheus)
4.以發現地命名: (Germanium) → 日耳曼 (German)
5.形容性質或外觀: (Astatine) → 不安定 (字首 a- 不,詞幹 static 安穩,後綴 -ine 鹵素)
6.紀念(不見得是發現者)有重大貢獻的科學家:金喜 (𨭎, Seaborgium) → 喜博格 (Glenn Seaborg)

今天就來發掘促成這張表成為今天面貌的一些人,一些事。

 

【化學,值得你更多愛】

故事 #1:在諾貝爾獎章裡尋找新元素是否搞錯了什麼

 

很多歷史被掩蓋的真相啊,不說你不知道,知道了一定頓覺世界充滿謊言XDDD

1911 年,居禮夫人輝煌地獨自獲得了她的【第二面】諾貝爾獎章,理由是表彰她發現了鐳與釙,以及對鐳元素的放射性應用進行推廣。

fermi_postcard

費米

反觀之,義大利物理學家 恩里科.費米 (Enrico Fermi, 1901-1954)所獲得的諾貝爾物理獎,有一部分是在表彰他「發現了兩種他其實沒有發現的元素」。也就是說,烏龍一場,甚至是有多種層次的深度烏龍,烏龍中的精品。

我們先來看官方網站,費米獲得的是 1938 年的諾貝爾物理學獎,理由是「闡明了由中子射線照射後產生新的放射性元素,以及慢中子引發的原子核核反應」(for his demonstrations of the existence of new radioactive elements produced by neutron irradiation, and for his related discovery of nuclear reactions brought about by slow neutrons)。

這裡指的,是費米與他羅馬大學的同事,誤以為他們發現了 93 和 94 號元素。一群人還立刻興沖沖的、一口氣就替這兩個「幻之元素」冠上了 AusoniumHesperium 之名,兩者字源都是「義大利」的古名。

邪?他們為什麼如此的嗨?

因為這代表他們(自以為)找到了頭兩個「超鈾元素」。

超超超超鈾元素,參上!

時光倒轉到 1936 年,當時地球人所知道的元素就如上表所示。

不僅排在 92 號元素鈾之後的所有成員,也就是「超鈾元素」transuranium elements)通通缺席。 43 號61 號、85號、87號 一共四個空洞也尚未找到房客。

後來我們知道,這些缺席的元素的共通點是不存在「穩定同位素」(不會放射衰變的原子)。在漫長的宇宙與地球的歷史中,不穩定同位素早就透過「放射衰變」變成其他東西了,不以這些身分留存,所以房間才會空蕩蕩的。

早在 1938 年,科學家才沒這麼清楚這些東西。算起來,距離 1896 年 貝克勒(Henri Becquerel)發現放射性的存在,只有短短 42 年,對於核反應的一切都未明朗。1911 年 拉塞福 才藉由金箔散射實驗知道原子核的存在。1932 年 查兌克 才知道原子核的組成除了質子,還有中子。

讓故事主人翁費米一戰成名的實驗,就是 用中子去撞擊含有鈾原子的靶子 看看會產生什麼。然而費米並不是唯一在作類似實驗的團隊,另外還有法國的約里奧-居禮夫婦(居里夫人的長女和女婿)、英國的拉塞福等人、和德國的哈恩等人。

中子這種剛發現不久的粒子,很適合用來窺探原子核內部,主要是因為中子不帶電,因而不會被帶正電的原子核排斥。當時使用的中子是以鐳發射的 α 射線 撞擊鈹原子而產生。發現原子能經由核反應互相轉變,堪稱是一場新世紀的煉金狂熱。

某次實驗後,費米喜出望外的發現,經中子轟擊的鈾靶子上的 放射性較原來顯著增加了,表現為「蓋格計數器」(Geiger counter)更熱切的喀嚓喀嚓響:顯然中子與鈾反應產生了某種新的物質。

費米等人(物理學家)依照常識判斷,偌大的一顆鈾原子核,放一顆不帶電荷、質量只有約莫它的 1/235 到 1/238 的中子溜進去,結果大概是兩種:中子被困住而與鈾原子核混而為一,或者敲到邊緣而撞出氦原子核大小的碎片。

腦中用來類推的圖像,大概是一團磁鐵──而且是前所未見強大的磁鐵──兩百多顆吸成一團,然後拿一顆和單一顆磁鐵一樣大一樣重的彈珠,快快的、或者慢慢的(動能多寡不同)丟過去。又因為中子不能瞄準,有些正中紅心,但有些卻只擦撞邊緣。假設你是 1937 年的物理學家,當時作一個「思想實驗」,你覺得會發生什麼事呢?

丟過去

依照推測,因為鈾是地球上能找到的原子序最大的穩定元素,這表示原子序超過鈾的「超鈾」未知元素,理應全都有較短的半衰期、較強的放射性。恰好可以解釋前面放射性增強的結果。也就是前述第一種情形,中子不只被困在鈾原子核裡面,還進一步衰變成了質子,原子核中的質子數量就是原子序的定義,每撞一次原子序就 +1 叮叮叮一直往上升,超鈾元素就一個個手到擒來啦。

因此,羅馬大學的費米在內的諸位物理學家,經由簡單的推理和初步的計算--完全省略進一步的「化學」分析,就將成果向世界發表了。整篇報告的最大賣點,當然是在:

「超鈾元素被我們發現啦,哈哈」 😆 

費米的成果的嚴謹性不足和太早公布,一部分是當時墨索里尼的法西斯政府視其為難得的政治宣傳材料而大為吹捧張揚,一些好事的馬屁者甚至建議新元素取名為 Mussolinium。

幸好這一切都是假的!暫時的!

 

打臉來了,站好別動

 

不出多久,德國化學家 伊達.諾達克(Ida Noddack),75 號元素 (Rhenium,名字來自德法兩國的分界大河:萊茵河) 的發現者之一,馬上跳出來爆氣開噴:

「你們義大利人/物理學家太誇張了。怎麼可以連一點化學分析都不做,就說發現了新元素。啊?難道沒有可能是中子 造成鈾原子核分裂成幾塊,變成別的更輕的已知元素的放射性同位素嗎?」(設計台詞)

只能說諾達克的洞察,準得要命!後世尊她為第一個預見核分裂的人。(諾達克雖然三次被提名諾貝爾獎,但並未獲得青睞。)

 

身著白袍,威風凜凜的伊達   [Courtesy: Royal Society]

同樣是 1938 年,就在費米的諾貝爾獎章頒獎後不久,更強的打臉來了。德國威廉大帝研究所(今自由柏林大學)的 奧托.哈恩(Otto Hahn)、莉澤.邁特納(Lise Meitner)、弗里茲.史特拉斯曼這組人重複了費米的實驗。樣本經過哈恩的化學之手翻來覆去的分析,總算確定了──加強放射性的,不是什麼全新的 93, 94 號超鈾元素,而是至少含有鋇元素在內的,若干已知元素的放射性同位素的混合。進一步的分析顯示,除了鈾之外可能還含有九種元素之多。

因此,當年(根本同一年)費米的實驗的正確詮釋應該改成:「中子撞進鈾原子核,然後他就 死掉 碎成兩半了」。

代誌大條,這下碎的不只是原子核,還有物理學家的眼鏡與玻璃心。因為不只是費米,當時 所有頂尖物理學家 都覺得原子核分裂是種不可能的物理過程(伊達.諾達克則是實事求是的化學家,不受物理成見限制,就是讚)。

尤其是質量約是鈾原子核的 1/235 = 0.4% 的中子,怎麼可能具有足以把前者撞碎的能量呢?

但是不好意思,眼看鐵一般的實驗結果出來在理論專家面前跳芭蕾舞:「你看,我是黑天鵝唷」。最後永遠是樸質的實驗,叫高高在上的理論一方不得不改答案以自圓其說。

 

*注1:根據質子數守恆,92 號鈾分裂,如果一半產物是 56 號鋇,那另一半應該是 36 號氪。但是鑑定微量的惰性氣體氪存在所需的實驗比鑑定鋇困難太多。有趣的是,哈恩對他的鑑定十分有信心還是因為當年居禮夫人絞盡腦汁、堅苦卓絕的嘗試將鐳從鋇裡面分離出來──兩者性質異常接近,因而是非常困難、折磨人的過程──因此對鋇的鑑定打下了基礎。(原理是利用弱酸性環境下的鉻酸鋇沉澱)

liquid drop model

(CC BY-SA 3.0)

*注2:後來理論比較令人滿意的「自圓其說」結果,包括原子核的液滴模型(半經驗質量公式, SEMF)。就是說原子核雖然擁有超級高的物質密度,然而核子與核子之間只有緊鄰者能感受的到彼此的吸引,這情況非常類似水滴,因而居然也有「表面張力」。這樣一來,中子不需要有極大的能量,只要能夠克服右圖中到第三步驟啞鈴形的「表面張力能量差距」,剩下的事就會自己完成──由兩半間巨大的 電荷同性相斥 接手,把原子核撕裂開。

*注3:補充說明,如前所述,費米沒做化學實驗。那他們怎麼能知道「新造出的元素」是一種還是兩種?哈恩又怎麼知道實際上更多,在他的樣本來說是至少九種。

答案是【測量放射性的半衰期】。也就是把樣本放上輻射計(蓋格計數器),把訊號衰減的速率作成圖表,計算出該曲線是幾條指數衰減曲線的疊加,那就是含有幾種物質了。果然是物理學家手筆。

 

震撼世界的成果發表:「號外!德國人分裂原子」

這時希特勒已經掌權,奧托.哈恩小組之中,身為奧地利裔猶太人的莉澤.邁特納(物理學智囊、軍師的角色)已經因為納粹迫害而逃到中立國瑞典,雖然一生在德國的研究心血、職位和榮譽都被納粹剝奪一空,她還是有情有義的從瑞典透過通訊協助哈恩的研究。

邁特納與同樣逃到瑞典的物理學家表弟奧托.弗里施,在 1939 年 1月 16 日聯名去信倫敦的《自然》期刊(Nature Journal),以「中子致鈾元素裂解:一種新的核反應」('Disintegration of Uranium by Neutrons: a New Type of Nuclear Reaction')為題,向世界昭告了此一發現。邁特納在這篇短文 [←朝聖一下] 中探討了中子怎麼可能將鈾擊碎的物理過程,見上文注 2。

但讓大西洋兩岸的科學家全都炸了鍋的點,在於幾年前匈牙利物理學家 利奧.西拉德(Leó Szilárd)才提出的前衛主張:「由指數增殖的某種 鏈鎖反應 製造大量能量」,忽然變成觸手可及的真實。

邁特納根據筆算給出,鈾分裂反應前後質量總共減少了「五分之一個質子」,而根據愛因斯坦的
E = mc2 得出,每一個鈾原子 分裂釋放的能量為 兩億電子伏特,等於 3.2 x 10-11 焦耳。乍看以為這個能量不大,但考慮到一莫耳的數量級是 6 x 1023,相乘即接近「萬噸 TNT 當量」的數量級(4 x 1013 焦耳)。

一旦意會過來,大家都僵住了:

「噢天,這是顆有史以來最大的炸彈。」

舉例來說,人類第一顆試爆的核彈是新墨西哥州 Trinity 核試,裂變元素是鈽-239,當量是兩萬噸 TNT,計算可知整顆核彈裡大約發生了 4 莫耳次核分裂。質量總共減少 0.8 克。

這一大震撼直接促成了(在鏈鎖反應提出人西拉德本人的催促之下)愛因斯坦寫信給小羅斯福總統 表示美國率先開發核武器的必要,最終促成了曼哈頓計畫。

奧托.哈恩在 1944 年獨得了諾貝爾化學獎。這可能是因為他的學術報告通通沒有掛上「物理影舞者」邁特納的名字,這可能是迫於納粹德國高漲到瘋狂的反猶之火,但我們並不能確知。幸虧邁特納的傑出貢獻並沒有被諾貝爾獎委員會以外的科學界忽視。研究不輟又樂於與同僚合作的她,還曾被愛因斯坦暱稱為「我們的居禮夫人」(這裡的「我們」是指德國或猶太人留有模糊空間。居里夫人是波蘭裔法國人,有趣的是當年邁特納就是因為當年被居禮研究所拒絕才開始與哈恩合作)」 。邁特納曾經被詢問過參與曼哈頓計畫的意願,身為和平主義的她當然一口回絕。

109 號元素䥑(Meitnerium)就是為了紀念她。

莉澤‧邁特納。(我只是想放這個超有個性的截圖)

正牌的超鈾元素問世

錯過發現核分裂的機會,又搞了個發現幻之超鈾元素又落空的大烏龍,費米本人表示大囧,但他當下可沒時間顧慮這些,因為墨索里尼的法西斯政權跟希特勒互通聲氣,也開始壓迫猶太人了。費米雖然不是猶太人,但他的太太是,於是一家人便也借道瑞典(當時的中立國)遠走美國。

讓我們把視角跟著費米切換到美國,1939 年,也就是烏龍諾貝爾獎隔年,加州大學柏克萊分校的物理學家 艾德溫.麥米倫(Edwin McMillan)使用剛造好不久的放射性科學研究利器:迴旋加速器(cyclotron),不厭其煩的再一次重複費米和哈恩等人的實驗。中子轟炸鈾。確認。半衰期。確認。化學試驗。確認。還是核分裂產物。失敗。

這時他的同事 菲利浦.阿貝爾森(Philip Abelson)不死心又動手重做了一次實驗,這次居然發現樣本裡含有一種異於鈾、或任何已知元素同位素的半衰期訊號。

這次兩人學乖了,翻出了化學課本,開始一個個測試週期表上元素的性質和樣本中的謎樣X物質是否相同,例如能被那些氧化劑氧化呀,氧化後會與那些離子產生沉澱啊,沉澱後能否被還原劑還原啊。

種種細密與繁瑣──但是值得!他們終於證實 這玩意與任何已知元素性質都不同。勝利來到了,現在只剩下詔告全世界,他們真正找到了去年費米和羅馬大學 那些笨蛋 以為自己找到的 93 號元素──麥米倫等人心想,既然鈾是依照天王星(Uranus)命名的,93 號元素用海王 滿 星(Neptune)命名不是最自然嘛,因此命名為 錼 Neptunium。

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左:喜伯格。右:麥米倫。 (Courtesy: Atomic Heritage Foundation)

越明年,1940 的同一個地點,格蘭.喜伯格(Glenn Seaborg)借鑒了麥米倫的經驗,也藉由迴旋加速器,以及「鑑定出未知半衰期」「以化學方法,排除掉整個週期表」兩步驟,成功在 1941 年發現了 94 號元素,也依照規律,以冥王星命名。就是鈽(Plutonium)。

嘛,趕快發布吧!不行,你給我等一下!

此時事情已不只是科學研究般單純了。二次世界大戰鏖戰方酣,希特勒的第三帝國不只掌控整個歐陸。更因為前年鈾-235 核分裂的發現,希特勒也已命令科學家替他造原子彈。

世界的科學家都知道,原子彈造不造得出來關鍵只在誰先研發出將只占天然鈾 1%的 鈾-235 從不會分裂的 鈾-238 中分離出來的技術。不過咫尺之遙。愛因斯坦因此提筆給美國總統寫了那封著名的促成曼哈頓計畫的信。

在這個節骨眼,喜伯格和麥米倫發現,鈽,居然也能由中子誘發分裂,更是能形成鏈鎖反應──也能造原子彈!而這種 鈽-239 是可以透過占普通鈾 99%,根本俯拾即是的 鈾-238 大量(透過所謂慢中子增殖反應堆)製造出來的,可能是美國逆轉勝德國的重大秘密武器!從此曼哈頓計畫秘密的分為兩支進行:鈾和鈽。

誰也沒想到費米當年命名為 Hesperium,反映一派義大利田園風情的夢幻元素,實際上是將來會叫全世界吃不完苦頭的鈽:死亡之元素,冥王的元素。

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芝加哥一號堆 (Public Domain)

1942 年,一個由 費米 和 西拉德 領導的團隊,在芝加哥大學廢棄不用的壁球場,用數百噸的石墨和木材橫豎疊架,一個半圓頂型的大棺廓就這樣逐漸成形。在一切都是機密、沉默、與守口如瓶之下,一個由一顆鈾金屬與氧化鈾組成的巨大圓球被安置在這個名字叫「芝加哥一號堆」的構造中央。最後在 1942 年 12 月 2 日下午 15 點 25 分,躺在棺廓中心的鈾元素不斷用閃藍色螢光的伽瑪射線和不可見的中子無聲的尖叫著──人類第一個造出來的 受控核反應堆 成功以臨界狀態(自持續的鏈鎖反應)運行,然後旋即被成功關閉了。

 

*注4:伽瑪射線其實還是肉眼不可見,核分裂原料到達臨界狀態時發出的惡魔之藍色光芒 Blue Glow 是因為空氣中的氮與氧被射線電離,類似極光的原理。如果哪天你不幸目睹一顆渾黑的金屬球周圍發著藍光,請立刻試著把它拆解開(使體積降到臨界質量以下)制止鏈鎖反應繼續下去以拯救更多人。被伽瑪射線灼傷可能會痛一下下,可是沒關係,神經細胞死掉之後很快就不痛了。況且,在沒有防護的近距離目睹這種藍光的人 沒有一個活下來,算是已經死掉了,就不怕再多為世人犧牲一點,萬古流芳嘛。[ 臨界意外與惡魔核心 (demon core) ])

 

幸好中的幸好,這次費米和西拉德的計算與執行成功收場,即使造核子彈緊要,當初選址建造核反應堆時,軍方屬意的地點還仍然是荒郊野外,以免不測,後來考量到在太偏僻地點建造的人力物力財力都無法應付,才依照費米的提議選了離市區不遠的芝加哥大學──芝加哥幸運的沒有多出一片被輻射無染的無人煙森林。

我想這裡很適合替費米和他發現(和不曾發現)的那些偉大事蹟的故事畫上句點。然而,雖然在科學上,超鈾元素與原子能的發現讓人類對物質根本的性質的理解更上一層,但同時也投下了一個深遠的陰影、不安的伏筆。核能,究竟人類用不用得起、是人類有沒有資格使用的能量呢?

 


文章INDEX,主要人物列表:費米、諾達克、哈恩、邁特納、西拉德、麥米倫、喜伯格

 

延伸閱讀:#冷知識990【週期表的新大陸】
http://www.dailycold.tw/6235/periodic-table/


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八月 9th, 2016 by