【探索21-5】放射線元素與其推手——瑪里‧居禮

講師|臺灣大學化學系教授 牟中原
彙整撰文|魏妤亘

核子科學雖從小而又小的原子出發,帶來之影響卻至全世界。歷史上改變了世紀的原子彈,近年熱烈討論的核能發電等,皆與核子科學密不可分。究竟一切從何而來?歷史又是如何走到今天?一切都要從120年前,放射線元素的發現開始探尋。

●核子科學的首要發現者──瑪里‧居禮與其一家

1895年底,陰極射線管已在科學家中廣泛發展,侖琴偶然透過這個技術發現了X光的存在。短短一年間,不論醫學或材料界,相關的論文與書本都突破驚人的數字。即便科學界一片沉迷於新穎的X光研究,剛生完孩子的瑪里‧居禮並未跟隨潮流,反而選擇相對冷門的「鈾」作為她的博士論文主題。

然而,當時並非只有瑪里‧居禮與其先生皮耶‧居禮將研究聚焦在鈾,來自法國的貝克勒也從鈾身上發現了其擁有相似於X光的天然放射性。透過皮耶‧居禮與其兄弟擁有之壓電設備,瑪里‧居禮將鈾化合物放置其中,即產生能夠量測之電流。他們三人共同作為1903年的物理諾貝爾獎得主。從此,放射性(Radioactivity)這個名詞被創造出來,「放射性元素」的時代由此開展。

●不同於常人的思維,讓她從殘渣中發現鐳與釙

研究鈾的同時,瑪里‧居禮也向奧地利鈾礦公司取得提煉鈾之後的殘渣,並測量這些殘渣的放射性。一個無心的舉動,卻出現令人驚訝的發現,也成為讓瑪里‧居禮獲得第二次諾貝爾獎的契機。她發現這些殘渣中的放射性遠比鈾還要強。瑪里‧居禮在研究鈾時發現,不論何種鈾的化合物,放射性強度皆不因化合物改變而改變,其放射性應該僅與原子有關。從不同放射性強度她猜想,殘渣中極可能有別種放射性元素的存在。經過多年努力的化學分離,瑪里‧居禮成功在1907年成功分離出鐳(Ra)和釙(Po),獨獲1911年的化學諾貝爾獎。除了不追逐潮流的特質,瑪里‧居禮堅持到底的個性更是讓她成功的原因。

●同位素與超鈾元素

在核子科學的建立中,瑪里‧居禮作為首先奠定基礎的貢獻者。同一個時期,α射線、β射線與γ射線陸續被發明出來,醫療上各式放射線治療也慢慢建立。放射線元素的研究很快地進展到透過放射性來尋找新的元素,卻遇到了困難。過去,是週期表上的空位太多需要填補,現在,卻發生空位太少,如同一輛巴士有三個位置卻有四個人堅持上車一般。一直到索迪(Frederick Soddy)提出同位素的概念,一切才逐漸撥雲見日。

1930年代,中子終於被發現,也開啟了人工放射線研究嶄新的一頁。第一個人工放射線研究,就是由瑪里‧居禮的大女兒和女婿發現的。「超鈾元素」的發現從此展開,義大利羅馬人費米(Enrico Fermi)使用中子轟擊鈾238,得到了原子序93的超鈾元素錼(Np)。除了超鈾元素的開展,核子科學中的影響人類歷史的重大研究──核蛻變(Nuclear transmutation)也在此時被提出。

●核子科學跨足軍事的歷史鉅變──曼哈頓計畫

在核蛻變的概念發展下,核分裂很快就在1938年被發現。當鈾235以中子撞擊,核分裂會發生,同時產生三個中子。中子數量的增加,顯示「連鎖反應」的潛在可能與巨大能量產生的可能。同一個時期,科學發展最先進的歐洲在政治上進入了戰爭時期,希特勒上台,許多在德國的猶太裔科學家紛紛尋找出路逃出德國前往其他歐洲國家或是美國。

原先僅在科學界引起關注的核分裂連鎖反應,因著軍事戰爭的氛圍密布,也因著的一封信件,人類開始開發史上最衝擊的原子彈。雖然整個核子科學的發展,愛因斯坦並沒有參與,但提到原子彈的發明卻不得不提到一封簽有愛因斯坦簽名,為了制止德國納粹發展原子彈之可能,而寫給羅斯福總統的信件。愛因斯坦因著提出相對論,在當時已是相當有聲望的科學家。西拉德(Leó Szilard)說服愛因斯坦寫的這一封信當中,提及了核子科學連鎖反應研製原子彈之可能。

人類史上數一數二龐大的研究計畫──曼哈頓計畫就此展開,其中參與的科學家超過上萬人。短短6年的時間,原子彈被發明出來,成為經歷過二次世界大戰中人們絕對無法抹列的記憶。直至今日,不論是軍事上的核能武器,或是與生活息息相關的核能發電,都足足可見核子科學的重要性。

●真實且倔強的瑪里‧居禮

瑪里‧居禮對於世界的貢獻,不僅限於為核子科學開拓新領域。一次大戰期間,她帶著她的女兒駕著一台X光車,在戰地間四處奔走,幫助了許多軍人。她的小女兒伊芙(Eve Curie),雖未如大女兒伊雷娜(Irene Joliot-Curie)涉足科學領域,但因著提筆寫下其一生傳奇故事,讓瑪里‧居禮成為家喻戶曉的科學家。如同她的科學發現持續地影響我們的生活,描寫她一生的書本、電影甚至舞台劇至今依然廣傳於世。

瑪里‧居禮曾說:「我們必須有恆心,尤其要有自信。我們必須相信我們的天賦是要用來做某種事情的,無論代價多麼大,這種事情必須做到。」從她的話當中,其堅毅與倔強的性格表露無遺。

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本文整理自:108/4/27由牟中原老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「瑪里居禮與放射性元素」演講內容。

 

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