【探索21-7】元素中的「忍者」—惰性氣體的故事
講師｜臺灣大學化學系名譽教授 蔡蘊明
彙整撰文｜呂方雯
鈍氣的存在可說是每個學過國中理化的人都知道的事，甚至許多人能朗朗上口地背出這群位於週期表第十八族的元素「氦氖氬氪氙氡」。然而，科學的進展並不如課本呈現出的簡單直白，而是一部曲折的解謎電影，如果將時光倒轉到150年前、門得列夫最早提出週期表的時代，會發現當時人們雖已照週期表的預測試圖找出剩餘的元素，惰性氣體們卻完全不在上面。而本次的演講，便是由臺灣大學化學系的蔡蘊明教授，帶著聽眾回溯時光、從早期對空氣的研究開始，認識在這段尋找元素拼圖的旅程中，鈍氣是如何在幾位科學家鍥而不捨的努力下登上科學舞台，並仍不斷影響人們今日的生活。
●發現「忍者」的存在
鈍氣像是自然界的「忍者」，難和其他元素反應、也難被當時的科學家以科學方法觀測。然而，這群忍者卻默默在世界上扮演著重要的角色──氦佔了宇宙元素含量的四分之一；而鈍氣家族中第一個被發現的氬，則約佔地球空氣組成的百分之零點九。
正因氬在空氣中扮演的重要角色，1888年物理學家瑞立爵士(Lord Rayleigh)一系列對空氣組成的研究出現原有理論無法解釋的實驗結果。當時已經知道空氣主要由氧氣和氮氣組成，而瑞立受卜勞特假說中其他元素的原子量為氫的整數倍的概念啟發，想更加精確地量測氧氣和氮氣的分子量。測量氮氣的分子量時，為確認結果的可信度，瑞立選擇從兩種不同方法製備氮氣，卻發現無論他怎麼小心控制實驗程序，從空氣中取得的氮氣和從氨（NH3）中取得的氮氣分子量計算結果一直有無法解釋的差距，因此，困惑的瑞立將他的發現對外公布，向其他科學家尋求可能的解釋。
1893年化學家拉姆賽（Ramsay）回應瑞立的研究結果，兩人猜想空氣中可能有一種不易反應的氣體存在，拉姆賽並成功在隔年取得該未知氣體，分工研究該氣體的物性與化性。藉由元素光譜和難以與其他物質反應的獨特性質等證據，氬的存在初步登上科學舞台。然而，在當時瑞立與拉姆賽進一步基於氣體動力論、預測氬氣可能為單原子氣體時，卻因直接挑戰當時元素週期表分類的完整性，受到門得列夫等知名化學家的強烈抨擊，使瑞立決心專注在物理學研究，留拉姆賽繼續其尋找忍者家族成員的旅程。
●逐漸現形的忍者
當科學家們開始把「鈍氣」看成一組遺失的拼圖，而不只是一個「氬」的特例時，後面幾個成員的尋覓過程似乎也因有了方向而更加順利。1895年拉姆賽將他用三先令六便士購買的稀土鈾礦放在硫酸溶液中加熱，發現氦氣的存在。1898 年仰賴液化空氣技術的進展和助手Morris W. Travers 的協助，氪、氙、氖等單原子氣體一個個在長達一星期的蒸餾過程現身。現在講來輕鬆，但其實氙在空氣中僅占87ppb，拉姆賽的團隊就像是要去找出隱身在十億人中的八十七名嫌犯的存在的偵探。而原子量最大的氡的發現，則是另一位化學家索迪(Soddy)與拉姆賽合作，收集鐳放射出的氣體而得。瑞立和拉姆賽在鈍氣研究的貢獻，擴充了人們過去對世界的想像，1904年門德烈夫終於在新修正的週期表加入這個隱身已久的忍者家族，瑞立和拉姆賽兩人也分別在該年榮獲諾貝爾物理獎與化學獎。
雖然早在鈍氣被發現後，莫桑（Moissan）、拉姆賽等科學家便繼續探問：「這群『忍者』的功力究竟有多強？這些氣體真的無法與其他物質反應嗎？」然而，當時仍無法找到擊敗這群忍者的機會，直到鮑林(Pauling)指出較重的惰性氣體，因為核電荷被屏蔽，價電子受到的束縛較低，可能有機會形成穩定的分子，才又讓一切露出新的曙光。1962是大有斬獲的一年，巴勒（Barlett）率先於5月發表能在室溫下穩定存在的含氙的化合物XePtF6，緊接著於8月和10月，不同的研究團隊也發表他們用高溫、放電火花等技術分別製出的XeF4與XeF2。
而到了今日，鈍氣早就不只是那群躲在角落、等待科學家探索的忍者，而是融入生活之中、使現今社會更加便利安全的幕後功臣之一。舉例來說，氦常用在需要低溫的技術，醫院的磁共振造影(MRI)也需要液態氦的參與，而由於其不易反應的特性，除了被填充升空氣球外，因為完全不溶於水，有時也會被拿來稀釋潛水的氧氣瓶，可以避免潛水夫症的發生。
●尋找真理的泥濘小徑
蔡蘊明教授在演講尾聲時說：「尋找真理的科學並不是一條平坦的大道，但是請相信我，裡面充滿了樂趣。」課本上的知識直接告訴我們單原子雙原子的區別，可是回顧發現鈍氣的歷史，中間其實有著一長段的掙扎、研究過程。科教中心主任、台灣大學物理系高涌泉教授也在演講問答時回應：「我們有時候去認識那些錯誤的東西，會增加你對正確東西的理解。」為了能迅速傳遞「知識」，課本大多省略了中間曲折的發現過程，直接告訴我們科學家們找到的答案，但也許有時也該把光打在曾經的泥濘小徑上，去關注過去科學家們面對、處理問題的方式，從那些錯誤與正確不斷交錯的腳步中，學著如何不把眼前的世界視為理所當然，不斷去探問、質疑、提出更詳盡的理論與證據。
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本文整理自：108/5/18由蔡蘊明老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「隱身的忍者—貴族和它們的產處」演講內容。
