2011年1月24日

2011國際化學年‧傳奇—居禮夫人與鐳

作者/程長遠(任教鹿港高中化學科)

2011年是國際化學年,也是居禮夫人(Marie Curie)因發現鐳元素榮獲諾貝爾化學獎的100 週年。

人類的恩人

祖籍波蘭的居禮夫人,一生榮獲兩次諾貝爾獎,她的傑出不僅來自於科學成就,還因為她是身處於一百多年前封閉歐洲社會的女性;她的偉大更源於她的平凡,一樣是尋常人家的乖女兒,一樣為人妻母,卻同時身為當時頗負盛名的優秀科學家。在第一次世界大戰戰火瀰漫的歐洲,由居禮夫人所設計,俗稱「小居禮」的放射線治療車,以及利用鐳的放射來治療惡性腫瘤的「居禮療法」,在大戰期間總共救活了超過100萬人,為人類帶來莫大的福祉, 而被譽為「人類的恩人」。
居禮夫人肖像,她是第一位榮獲兩次諾貝爾獎的科學家,
而她在放射性元素的研究造福廣大人群。

攻讀博士學位

居禮夫人和鐳之間到底是怎樣的一個因緣際會,成就了近代科學史上最重要的發現,得從1897 年居禮夫人決定攻讀法國巴黎索邦大學(University of Paris-Sorbonne)的博士學位說起。由於法國當時的背景尚未有女性取得科學博士學位,所以居禮夫人必定要選擇一個能提供豐碩收穫和具有創造性的主題作為博士論文,才能從當時以男性為主的法國科學界順利取得博士學位。

為此,居禮夫人查閱了當時的各種實驗研究報告, 對法國科學家貝克勒爾(Antoine Henri Becquerel)一篇有關鈾鹽也能像X 射線一樣放出不知名的射線,能使空氣和其他氣體產生導電性的相關研究沉迷不已,這是繼德國侖琴(Wilhelm Rontgen)於1895 年發現X 射線後,另一個讓科學界驚奇的大發現。居禮夫人與生俱來的人格特質包括記憶力特佳、專心學習、渴求知識、鍥而不捨和叛逆;所以放射的本質是什麼?是一個令居禮夫人眼睛發亮的研究主題,更是正中她脾胃的博士論文題目。居禮夫人估計這將是一個大冒險和科學領域的大躍進。

對放射性物質深深著迷

1896 年起,居禮夫人把自己的全部身心都投入鈾鹽研究中,她廣為蒐羅並研究了各種鈾鹽礦石,她被鈾鹽礦石神奇的射線所吸引,她將特別的愛奉獻給了這種特別的礦石。在研究鈾鹽礦石時,她自問:沒有任何理由可以證明鈾是能放出射線的唯一化學元素。她猜想一定還會有別的元素也具有同樣的能量,只不過人們目前還不知道罷了。

居禮夫人很快地從學校的其他教授和工程師處蒐集各種金屬和礦物樣品,依據門得列夫(Dmitri Mendeleev)的元素週期律排列的元素,逐一進行測定,結果很快發現另外一種元素釷(thorium)的化合物,也能自動發出與鈾一樣的射線,強度也很接近。居禮夫人認識到,這種令人驚異的現象絕不是鈾獨具的特性,這奇妙的東西必須有一個新的名字,因此居禮夫人就把這個現象命名為「放射性」(radioactivity),而諸如鈾、釷等具有此種特殊「輻射」特性的物質,叫做「放射性元素」(radioelement)。

居禮夫人後來在測量同校物理學家狄馬凱(M. Demarcay)提供給她的瀝青鈾礦和輝銅礦的放射性時,發現相對於礦物中鈾和釷的含量,放射性強度出奇地強。她大膽地假設,在這些礦物中含有比鈾和釷放射性還強的別種物質,而她已經測試過當時發現的元素中,沒有比鈾和釷放射性還強的元素存在,也就是說這礦物中存在一種當時化學元素表沒有的未知新元素,而這新元素的放射性強度很大。

發現全新的化學元素

還有什麼比發現一種新元素更能讓科學家興奮的?1898年居禮夫人的科學家丈夫皮耶(Pierre Curie)為了這個新元素,也中斷自己的研究工作,來助妻子一臂之力。他原以為這只是暫時性的協助妻子,哪知居禮夫婦攜手合作並駕齊驅,向科學的未知領域大步邁進的時間長達8年之久,直至1906年居禮先生車禍過世為止。在條件極其簡陋的實驗室裡,經過居禮夫婦鍥而不捨地長期努力, 18987月,他們宣布發現了一種新元素,它比純鈾放射性要高出400倍。為了紀念她飽經磨難的祖國波蘭(Poland),新元素被命名為釙(polonium)。
釙在瀝青鈾礦中的含量極低,但是釙的化學性質與其他礦物中的化合物均不同,比較容易鑑定,但是元素態釙因半衰期過短,大概只有138天,所以居禮夫婦認為在瀝青鈾礦中還存在一種含量比釙還多,而且放射性也比釙還強的新元素存在著。1898 12月,居禮夫婦根據大量的實驗結果宣布,他們又發現了第二種放射性元素,這種新元素的放射性比鈾還強900倍,他們把這種新元素命名為「鐳」(radium),意思是指射線(radiation)的賦予者。【更詳細的內容,請參閱第493期科學月刊】

沒有留言: