元素发现之旅︱周期表背后那些默默无闻的女科学家

元素周期表的完善并非一人就能独立完成,透过众多科学家的研究,才一砖一瓦地将元素周期表建立起来。而在这段找寻元素的过程中,女科学家也占有一席之地,尽管当年隐身在实验室背后,但仍无损她们为科学带来的重要贡献。

在寻找新物质或探索元素特性的时光中,有一群不在乎是否留名青史,只为求得科学真相的她们,期望能够填上周期表上的空白、完整其理论模型……

元素发现之旅︱周期表背后那些默默无闻的女科学家

20世纪初,科学家将元素定义为不能被分解成更简单的物质。而这些单一物质早在1869年,因俄罗斯科学家门捷列夫发现其化学周期性,将当年已知、有限的元素进行排列,也就是今日元素周期表的离雏形。而周期表上的留白与预测,自此之后,也成为科学家们试图找寻的未知元素。

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不过,证明新元素的存在实际上并不容易,首先,必须发现自然界中不寻常的现象,而且此现象无法就已知元素进行解释的化学行为或物理特性,像是不明原因的放射线或光谱线。再或者,为证明其存在,需从化合物中将元素大量分离,以便进行测量、研究,进而说服他人这是一种全新元素。

首位获诺贝尔奖殊荣的女性——居里夫人

在情性气体、放射线、同位素和量子力学等名词尚未问世的19世纪中,有一群女科学家的研究,彻底改变人们对元素的了解。居里夫人因为放射性研究与发现钚和镭,两度获得诺贝尔奖(1903年诺贝尔物理学奖、1911年诺贝尔化学奖)的科学家,是当年少数因学术贡献而在科学史上留下不朽篇章的女性。

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其实,当初居里夫人的研究起点并非寻找新元素,而在于铀射线的探索。1896年,贝克勒发现铀的放射性,隔年,居里夫人决定以此为博士论文为题目,开始研究起沥青铀矿中的放射性,从她的测量结果发现矿石中的活性太过强大以致无法以单铀的放射做唯一解释,怀疑有其他物质的存在。

通过与丈夫皮耶的共同合作,1898年,居里夫人发表论文表示找到两新元素——钚和镭。为了验证这项发现,两人更是花了超过3年的时间,透过研磨、溶解、煮沸、过滤和结晶等步骤,从1吨的矿石中间萃取出0.1克的氯化镭(RaCl2)。纵使有生之年未曾分离出半衰期较短的钚,但在1910年,她成功分离出纯镭金属。

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大多数的女性不像居里夫人一样幸运,能在一流大学担任教授职位、建立实验室进行研究。莱蒙托娃为德国历史第一位获得化学博士学位的女性,1869年,她从俄罗斯远赴德国海德堡大学,并师从本生研究铂的化合物。

此时同样曾为本生门下的门捷列夫为整理元素周期表上的排序,便向她提出分离铂族金属的研究。然而,却无人知晓她改良周期表上铂族金属排列的贡献,唯一的证明仅埋藏在与门捷列夫往来的信件中。

同位素的发现

现在,人们已知同位素是某种特定化学元素的不同种类,质子数目相同,但中子数目却不同,在化学元素周期表中占据同一位置。虽然同位素最早是由1913年英国化学家索迪所证实,但鲜为人知的是,此概念是由苏格兰医师托德在一个晚宴上所提出。这项发现,也解决了当年同位素尚未为人所知时,面临许多元素涌现、但周期表中却没有这么多空位的窘境。

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而同位素的存在,很快便由在维也纳镭研究机构工作的波兰化学家霍洛维兹透过实验证明,她发现即使像是常见的铅也可能具有不同的原子量,取决于它是由铀或钍的放射性衰变而来。

然而,镭所放射出的物质是颗粒还是气体?1901年,就读于加拿大麦吉尔大学物理系的布鲁克斯,也是后来加拿大第一个女性核物理学家,与指导教授拉瑟福德发现此物质像一种重气,提出放射性衰变时可能产生新元素的第一个证据。1907年,拉姆齐发现此气体-氡,属于氦族元素,现在称作情性气体。

尽管第一篇与拉塞福共同完成论文的布鲁克斯踏出这项发现重要的第一步,然而却很少有人记得她,因为后来所发表的论文作者只有拉塞福一人,仅在论文中附注布鲁克斯的协助。顺带一提,拉塞福则因「对元素蜕变以及放射化学的研究」,在1908年获得诺贝尔化学奖。

更多新元素的探索

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迈特纳与学生

随后,越来越多的原子核物理研究被发表,1917年,物理学家迈特纳与德国化学家哈恩在柏林发现第91号元素—镤。出生在奥地利的迈特纳在攻读完博士后离开家乡赴德国,期望谋求更好的职业发展。1907年,她被任职于柏林大学的哈恩录取。不过,这称不上是个好职位,因为不仅不提供薪水,甚至只能从实验室后门进出并在地下室做实验,只因为女性不应该被看见。直到1913年,哈恩任职威廉皇帝化学研究所后,才与哈恩从「合作者」变成「同事」。

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伊达

第75号元素—铼,是在1925年由德国化学家伊达和她的丈夫瓦尔特于柏林所发现。伊达原本是化学工程师,后来放弃化学工业转而找寻新元素。1925年,她开始以无偿客座研究员的身份在柏林联邦物理技术研究所、以瓦尔特为首的实验室做研究,2人尝试制备可被测量的新元素,并以莱茵河命名为铼,是地球地壳中上最稀有的元素之一,且不具放射性。

虽然诺达克夫妇宣称也找到第43号元素,并以家乡波兰东北部马祖里命名为鎷(masurium),但她们未能再现其光谱线也无法分离出此物质。其实,鎷后来被发现无法利用湿化学(wetchemistry)方法取得,最终,此元素成为第一个由人工合成的元素,命名为锝。

用粒子撞击原子

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1932、1934年中子与诱发放射性的发现,让元素的研究又迈向一个全新的领域,科学家开始尝试在实验室利用透过粒子轰击原子来制造新元素。同年,罗马大学物理学家费米便利用中子轰击铀,制造出第93、94号元素。在这篇论文发表之后,伊达随即在《应用化学》期刊上发表一篇论文,表示费米无法证明轰击过程中是否有其他元素被制造出,像是一些原子量较轻的元素,并提出原子核会破碎成许多碎片的假说。

然而,不像居里夫人以自身的学术研究获得承认并在大学身兼教职工作,伊达大半辈子的时间都以客座身份在丈夫的实验室工作,这也是为什么在1934年,当她提出核可以分裂,也就是现今所知的核分裂一词时,未受到重视的原因之一。

1938年,迈特纳和哈恩发现当年费米所做的轰击实验中被制造出来的元素为钡,而且她透过计算,证实原子核的确会产生分裂。然而,当时正处第二次世界大战前夕,身为犹太人的迈特纳逃往瑞典,加上1939年哈恩发表成果时并未提及她的名字,也因此1944年哈恩因「发现重核的裂变」获得诺贝尔化学奖时,迈特纳没有共同获得这项殊荣。

大多数的女性因与男性研究人员共同合作,所以无法区分其对科学的贡献,不过,于1939年发现第87元素的法国物理学家佩里(MargueritePerey)则是一个例外。她在19岁时进入巴黎大学居里夫人实验室担任实验技术员,受约里奥一居里(Irene Joliot-Curie)和德比埃尔内(AndreDebierne)的指导,尝试计算出同位素锕-227(Ac-227)的半衰期,并在实验的过程中,因而找到新元素钫(francium,Fr)。后来,她任职斯特拉斯堡大学核化学系,并且截至目前为止,钫是自然界中最后一个被发现的元素。直至今日,元素的发现需要仰赖粒子加速器、预算加上各领域研究人员的组成,而其定义也已被改写,从门捷列夫提出稳定且不可转换的物质概念扩展至只能存在毫秒的同位素。

各种元素的应用

元素发现之旅︱周期表背后那些默默无闻的女科学家

汉密尔顿

在探索元素的道路上还有许多女性的身影,1910年代,美国医师汉密尔顿(Alice Hamilton)证明铅的毒性且会危害大众与从事金属行业的人员。她要求保险公司与制造商必须采取安全措施保障人们的安全并对健康已受影响的人进行赔偿;更组织社会运动,告诉民众认识如铅、汞等重金属可能带给从事相关行业人员的伤害。1919年,她成为哈佛大学第一位女性教师,并早在1925年明确表达反对在汽油中添加铅的理念。

在法国科学家莫瓦桑于1886年分离出氟之后,1920年代,有一群以罗曼尼和费雷尔为首的女性科学家与马德里大学的吉尔合作,探讨水中的氟含量与对健康的影响。然而,在1936~1939年西班牙内战时,她们不得不退出研究,最终,这些研究成果全归于吉尔。

1950年代,日裔美国人前田敏子发现测量氧放射性同位素的方法。起初的她,只是在芝加哥大学,尤里的实验室清洗血清瓶,不过,不久后她便开始负责质谱仪,帮助测量化石中的氧同位素比例,用以推测史前海洋温度,甚至扩展至陨石。然而,如同所有日裔美国人,在1941年12月7日爆发珍珠港事件后,前田遭到歧视且被拘留。庆幸的是,她得到指导教授的认可与支持,在相关研究发表的期刊论文中皆能看到她的名字。

金(Reatha Clark King),是第一位任职于国家标准暨技术研究院(National Institute of Standards and Technology,NIST)的非裔美国女性。1960年代,她研究氟、氧和氢混合物的燃烧,发现其高反应可应用于火箭的推进。另外,为防止一些具爆炸性的混合物带来的危害,她所设计的特殊设备与技术,也被NASA采用至今。

总结

女性对于元素的贡献并不止步于此,1970年代,霍夫曼(Darleane Hoffman)发现的同位素镄- 257能自行分裂、不需要中子的轰击,并发现在自然界存在的钚。令人敬佩的不仅如此,她更是第一位担任新墨西哥洛斯阿拉莫斯国家实验室的女性负责人,且提拔许多女性后辈。肖格内西,现今任职于劳伦斯利佛摩国家实验室首席研究员便是其中之一,所参与的重元素项目成功发现6个新元素(113~118)。

这就是元素研究史上女性角色,从无偿助手、技术人员到优秀的实验室主持人,进一步认识这群在科学道路上努力不懈的女科学家。综观历史上对于元素发现或应用的同时,即使因为当年时空背景让这群女科学家未能及时获得肯定,但不可否认的是,这无法抹灭她们为元素的奋斗。


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