2010年2月9日

諾達克夫婦的故事

作者/劉廣定(台灣大學化學系名譽教授)

一般談到二十世紀初的著名夫妻檔科學家,總會提法國的居里夫婦,或再提他們的女兒女婿約里奧夫婦。恐怕很少人知道德國的諾達克夫婦,更少人知道諾達克夫人曾有可能影響費米在1938 年得到諾貝爾獎。本文將簡述科學史中相關的故事。

俄國科學家門得列夫(Mendeleyev)在1869年提出著名的門氏週期表,預期空缺處將有尚未發現的化學元素存在。果然在1875年,法國化學家博伊斯鮑德蘭(Boisbaudran)發現了門得列夫預測元素中的「類鋁」(eka-aluminium)──即鎵(Ga)。之後各方化學家陸續在1879 年發現了「類硼」(eka-boron)──即鈧(Sc),1886年發現了「類矽」(eka-silicon)──即鍺(Ge)。門得列夫還預期錳(Mn)之下有「類錳」(eka-manganese, EM),「類錳」之下還有一個再類錳(dvi-manganese,DM),但自他提出預測後逾半世紀,無人能達成此任務。

自從1914年摩斯萊(Moseley)發現自元素發射的X光頻率之平方根與元素「原子序」有線性關係,每個元素都有其特定的X光頻率後,新金屬元素之存在都可以靠X光方法來確定。1925年,德國柏林「國家物理技術試驗所」(Physikalische Technische Reichsanstalt)的化學實驗室中有一對情侶,伊妲塔開(Ida Eva Tacke)和瓦爾特諾達克(Walter Noddack)得到了西門子公司X光專家貝格(Otto Carlvon Berg)的協助,宣稱從鈮鐵礦(columbite)中找到原子序為43的EM 和原子序為75的DM 。1926年,伊妲嫁給瓦爾特,成為伊妲諾達克(Ida Noddack),此後她的著作也都以此名發表。

伊妲諾達克是二十世紀初德國的第一位女化學博士, 出生於萊因河流域臘克豪森(Lackhausen)地方。她就學於柏林高等技術專校(Technische Hochschule,現改名柏林技術大學),1919年獲得化學證書,1921年得到博士學位。曾在西門子公司等處工作,1925年起進入國家物理技術試驗所的化學實驗室。那時,她的學長瓦爾特諾達克是該實驗室的主持人,正在進行礦石成分分離,並試圖尋找門氏週期表中尚缺的元素。他比較鄰近已知元素的性質,認為EM跟DM這兩個當時假設的元素在週期表裡雖在錳之下(附表),但EM的性質與鉬(Mo)、釕(Ru)相似,DM的性質與鎢(W)、鋨(Os)相似,都與錳不同,因此瓦爾特諾達克不打算從錳礦尋找,反而用含鉬、釕、鎢、鋨的礦石為搜尋對象。

自從伊妲參加研究之後,工作進度加快。經過反覆分離,1925年他們分析從鈮鐵礦(columbite)產品得到的X光波長數據(波長=光速∕頻率),認為其中含有兩種新的元素,於是將原子序為43的稱為「鎷」(masurium,Ma),源自瓦爾特的家鄉馬蘇瑞亞地區(Masurenland );原子序為75的元素則據萊因河畔伊妲故鄉,命名為「錸」(rhenium, Re)。

此後他們花費了三年,才從660噸挪威鈮鐵礦中分離出1克金屬錸,因此,「錸」的存在為化學界接受。錸是自然界存在穩定(非放射性)的元素中最後被發現的,也是地殼中含量極稀少的一種元素,平均只約1ppb,在八十多年前要分離出這種元素是件極高難度的工作。

註一:實際上,自然界之錸含37.4%安定的Re-185與62.6%具放射性的Re-187。唯Re-187的β衰變半衰期為1010年,幾可視如安定不變。【更詳細的內容,請參閱第482期科學月刊】

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