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十大美丽化学实验 ─ 居礼夫妇发现钋与镭元素

  • V生活吧
  • 2020-06-20
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当今举世公认居礼夫人 (Marie Curie,1867-1934)为女性科学家的表率,而她与丈夫皮耶(Pierre Curie,1859-1906,图一)发现放射性元素的历程一直是学习科学必读的经典故事。

十大美丽化学实验 ─ 居礼夫妇发现钋与镭元素

图一:实验中的居礼夫妇

1896年贝克勒(Henri Becquerel)发现铀盐会放出「看不见的光」,这种光和磷光(phosphorescence)不一样,磷光需要由外在环境提供能量才会放光,但是铀盐似乎本身就会释放出光线。从现在的观点来看,贝克勒事实上是发现了放射性(radioactivity)。居礼夫人注意到了这个发现,于是她选择铀盐的放射性当作博士论文研究主题,并且使用了丈夫皮耶在十五年前发明的静电计(electrometer),这种仪器的精密度非常高,可侦测极微弱的电流。居礼夫人发现铀盐会使周围的空气导电度增加,可由此来鉴定放射线的强度。

居礼夫人测量了沥青铀矿(pitchblende)的放射性,沥青铀矿含有75%的氧化铀(UO2),放射强度却是氧化铀的四倍,因此她推测矿物中应该另外存在比纯铀更活泼的物质,后来便是由沥青铀矿中提炼出钋(polonium,Po,以居礼夫人的故乡波兰命名)与镭(radium,Ra)两种新元素。沥青铀矿是种组成複杂的矿物,虽然钋在其中的含量比镭还低,但是钋的化学性质与其他矿物中的化合物均不同,比较容易鉴定(儘管元素态钋因半衰期过短而未能取得)。镭就麻烦多了,因为镭的性质与钡相似,而镭和钡在沥青铀矿都存在着。

居礼夫妇先假设放射性来自于元素本身的性质,而创造出一种新的分离方法,就是每做一次分离就测量分离物质的放射性,若是方法正确,所得物质的放射性应该会越来越高。他们首先先从一吨的沥青铀矿中分离出10~20公斤含有微量硫酸镭的硫酸钡,再将硫酸盐转化成氯盐。在氯盐中镭的比例仅佔有十万分之三,透过氯化镭比氯化钡的溶解度还差的性质,经过好几年、数千次的再结晶,终于从数十吨的矿石中得到零点一克的盐类残渣。居礼夫妇原以为他们的实验失败,所以相当灰心地出外走走,不过居礼夫人不论怎幺想都觉得实验方向应该是正确的,没理由失败啊。等到夜晚再度回到实验室外,居礼夫妇看到窗户内的残渣正发出闪亮的光芒,多幺感动的一刻呀!发光的残渣正是纯的氯化镭(radium chloride,RaCl2),时年1898年。

整个过程都是在非常简陋的小屋进行,漏水、夏天炙热、冬天酷寒,恶劣环境并未浇熄他们的热情,每天除了皮耶授课、居礼整理家务外,夫妇剩下的时间都投入实验,日复一日的重覆工作。坚毅的居礼夫人说:「就算要我花一辈子的时间来分离钡和镭,我也不会后悔。」

氯化镭透过光谱分析侦测到新的元素特徵谱线,因而证明新元素的发现(不过元素态的镭,直到皮耶过世后四年,居礼夫人才在氢气下电解氯化镭而得)。氯化镭放射性是铀的五百万倍,所以放射性才会强到足以直接用肉眼观察。虽然这是居礼夫妇多年辛勤工作的结晶,但是居礼夫人认为科学发现不应该占为己有,因而没有申请专利。后来镭广泛应用在放射治疗上,居礼夫人均未分到一杯羹,她还热心地在一次世界大战时供给镭以供医疗。

居礼夫妇的相知相惜是科学界上的一段佳话,皮耶帮助居礼夫人完成博士学业,也尊重她的贡献。居礼夫人除了辛勤研究外,同时努力扮演好持家的角色。除了居礼夫妇于1903年共获诺贝尔物理奖,1911年居礼夫人独获诺贝尔化学奖外,居礼夫人的大女儿与女婿于1935年因放射性研究共获诺贝尔化学奖,小女儿的丈夫作为联合国儿童基金会执行长则在1965年代表领取诺贝尔和平奖。总计居礼一家共获六座诺贝尔奖,至今未有其他世家能望其项背。居礼夫人不求浮名虚利的风範流传千古,实难以用一篇千字文便能形容,就用底下这段小故事作为结尾吧:

有一天居礼夫人的朋友到她家作客,忽然看见她的小女儿正在玩英国皇家学会刚颁给她的一枚金质奖章,不禁大吃一惊,忙问:「居礼夫人,英国皇家学会的奖章是极高的荣誉,妳怎幺能给孩子玩呢?」居礼夫人笑了笑说:「我是想让孩子们从小就知道,荣誉就像玩具,只能玩玩而已,绝不能永远守着它,否则就将一事无成。」


参考资料
1. Marie Curie. http://en.wikipedia.org/wiki/Marie_Curie
2. Marie Curie “Radium and the New Concepts in Chemistry” Nobel lecture
http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1911/marie-curie-lecture.html
3. http://nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1911/marie-curie-bio.html
4. 王道还 “科学史上的这个月──1903年6月居礼夫人获得博士学位” 科学发展2002年6月,354期,72 ~ 74页