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莫斯利英年早逝│ 科學史上的今天:8/10

張瑞棋_96
・2015/08/10 ・1079字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

拉塞福悲慟不已。他的得意門生莫斯利竟然如此死得不得其所,才 27 歲啊,一顆科學界的閃耀新星就此殞落!而這一切本可避免的,如果當初……。

1910 年,剛自牛津大學拿到碩士學位的莫斯利來到拉塞福執教的曼徹斯特大學擔任助教,但很快地拉塞福就發現他的天賦,第二年讓他轉任自己實驗室的研究助理,全心做研究。就這麼湊巧地,另一位天才型的年輕小夥子──波耳也在這時來到實驗室。拉塞福深信在波耳短暫停留一年的這段期間,這兩顆聰明的腦袋一定激盪出一些火花,否則怎麼會兩人在不久之後,不約而同地對原子模型做出決定性的貢獻?

1913 年,波耳引進量子理論的觀念,將電子的軌域限定在特定能階,挽救了拉塞福原子模型的致命缺陷。但這畢竟還只是假說,約莫在同時,莫斯利從實驗中發現不同元素產生不同頻率的 X 光繞射,其頻率大小恰與原子核電荷數的平方成正比,稱為「莫斯利公式」。此一結果完全吻合波耳的原子模型,才使得拉塞福/波耳的原子模型獲得普遍認同。

不只如此,莫斯利還挽救了門得列夫的週期表。門得列夫原本是根據原子量的大小排列,不過有些元素的順序卻必須先後對調才能符合其化學性質,但憑主觀認定來調整週期表的位置總是不科學啊!莫斯利從他的實驗洞察出決定元素性質的並不是原子量,而是原子核的電荷數目。因此元素的原子序經過莫斯利重新定義後,才終於有了客觀精確的週期表;而且他還正確預測出鎝、鉕、鉿、錸四個當時尚未發現的元素。

大放異彩的莫斯利馬上在 1914 年得到母校牛津大學提供的教職與實驗室,拉塞福沒能將他留在身邊。但是莫斯利離開後尚未回母校任職,就因第一次世界大戰爆發而放棄教職,志願從軍報國。拉塞福聞訊大驚,特地寫信給英國政府請求將他從前線調回,無奈沒有成功。1915 年 8 月 10 日在土耳其戰場上,擔任通訊官的莫斯利被一顆子彈擊中頭部,當場死亡。這場戰役英軍最後以撤退作收,根本無關大局。

拉塞福心如刀割,反覆設想:如果當初他能說服莫斯利留在曼徹斯特大學;如果當初他繼續鍥而不捨地聯合其他賢達向英國政府陳情;如果當初……。然而一切都太晚,作出如此重大貢獻的莫斯利就這麼死得輕如鴻毛,人類損失了一位前途無量的青年科學家。英國政府從此禁止傑出的科學家上戰場,只是這代價也太高了!

艾西莫夫就感嘆道:「對人類整體而言,這是死於戰爭中代價最昂貴的一條人命。」

不是嗎?莫斯利作研究不到三年就有此成就,如果他能安然無恙存活下來呢?

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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索迪誕辰 │ 科學史上的今天:09/02
張瑞棋_96
・2015/09/02 ・1071字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 571 ・九年級

「看在上帝的份上,不要叫它『蛻變』(transmutation)吧!他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」1901 年,當拉塞福(Ernest Rutherford)聽見索迪興奮地前來報告:具放射性的釷會自發「蛻變」為鐳時,趕忙叮嚀他注意用詞。

當時距貝克勒(Henri Becquerel)無意發現放射性才不過五年,放射性仍是一種相當新奇且神秘的現象;拉塞福本人雖然在 1899 年發現 α 與 β 兩種放射線,卻也不知其性質。索迪(Frederick Soddy, 1877-1956)於 1900 年從英國來到加拿大跟著拉塞福做研究後,有了擅長化學的索迪幫忙,兩人才很快發現釷、鐳、錒等放射性元素都會產生類似惰性氣體的氣體,而且之後檢查這些元素,竟會發現另一種元素。

拉塞福與索迪因此發現放射線是元素的原子裂解,蛻變成另一種元素的過程中的產物。然而當時普遍認為既是基本元素,就不可能再分裂,尤其元素蛻變更是煉金術才有的想法,所以拉塞福才要索迪用詞謹慎。果然他們發表論文後,招來不小質疑,所幸經過其他化學家的實驗證實,他們的發現才獲得認可,拉塞福也因此獲得 1908 年的諾貝爾化學獎;可惜貢獻卓著的索迪被當成只是執行的助手,無緣獲獎。

索迪於 1903 年即回到英國,與倫敦大學的拉姆西(William Ramsay)一起研究。他們先用光譜分析確認鐳產生的惰性氣體就是氦氣,拉塞福再於 1907 年進一步確認這氦氣是由鐳放射出來的 α 粒子形成,證明 α 粒子就是氦原子核。

1910 年,索迪宣稱放射性會造成元素有不同變種,雖然仍是化學與物理性質都沒變的同一元素,但原子量卻不一樣。這個主張再次引來質疑與批評,因為問世已四十年的門得列夫週期表就是以原子量來排列,除了一些元素略有不符需作調整,基本上大家已認定原子量決定一切,怎麼可能同一個元素會有不同原子量還有相同化學性質?!

1913 年成為關鍵的一年。這一年,拉塞福的年輕門生莫斯利(Henry Moseley)發現化學性質取決於原子核的電荷數,而不是原子量,修正了門得列夫的週期表。索迪因此得以發表「位移法則」──元素釋出一個 α 粒子,會在週期表上向左平移兩個位置;釋出一個 β 粒子則會向右移一個位置。他並發明「同位素」(isotope)一詞來稱呼不同原子量的同一元素。更重要的,這一年亞斯頓(Francis Aston)在氣體放電管發現了氖的同位素蹤跡,才會進而在 1919 年用質譜儀證明同位素的存在。

索迪終於在 1921 年獲頒諾貝爾化學獎;亞斯頓也緊接著得到 1922 年的諾貝爾化學獎。巧的是,兩人同年出生,生日只差一天,在月曆上就像週期表上緊鄰的元素。

 

本文同時收錄於《科學史上的今天:歷史的瞬間,改變世界的起點》,由究竟出版社出版。

 

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1987年清華大學工業工程系畢業,1992年取得美國西北大學工業工程碩士。浮沉科技業近二十載後,退休賦閒在家,當了中年大叔才開始寫作,成為泛科學專欄作者。著有《科學史上的今天》一書;個人臉書粉絲頁《科學棋談》。

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元素週期表的蛻變—《科學月刊》
科學月刊_96
・2015/11/01 ・4856字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

作者:張 澔(義守大學通識教育中心副教授)

十九世紀的週期表,就像一張天空星座圖,充滿了神祕的美感,如此迷人的圖案似乎暗藏了構成萬物的傳奇密碼。元素的性質與原子量之間是否存在某一種關係?這不是一個突然的想法,而是西方自然哲學對於自然奧祕的一種猜測與預測,而門得列夫並不是唯一有這種想法的人,然而為何大家卻只推崇他的成就?在20世紀初,隨著量子化學的發展,再加上新發現的元素,週期表如何逐漸蛻變成我們今天所看到的面貌?

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門得列夫。Source: Wikipedia

元素週期表的創生

元素及原子是兩個構成近代化學發展的基石。從古希臘時代,不論是元素或者原子,便定義為構成自然萬物的最小物質。既然是構成萬物的最小單位,自然成為化學家夢想征服的聖地,如此才能真正瞭解萬物構成的奧祕。

十八世紀末拉瓦節的化學革命,讓我們逐漸開始知道哪些才是真正的元素,而十九世紀初道耳吞所提的原子理論,又讓原子量成為化學化合時必備的數據。在1815~1816年之間,英國化學家普勞特(William Prout, 1785~1850)觀察到,當時所知各種元素的原子重量都是氫原子重量的整數倍。1829年德國化學家德貝萊納(Johann Wolfgang Döbereiner, 1780~1849)提出了「三元群」(Triaden)規則,把當時已知的53個元素中的30個元素分成三大組。

在1862年法國化學家尚古多(Alexandre-Émile Béguyer de Chancourtois, 1820~1886),以義大利化學家坎尼扎羅(Stanislao Cannizzaro, 1826~1910)在1858 年於法國科學院宣讀元素週期表的論文中,將原子量數值作為基礎,闡述元素會按原子量大小來排列,呈現「碲螺旋」狀(telluric helix),因「碲」元素排列在此螺旋圖案的中間。

從1863年開始,英國化學家紐蘭德(John Alexander Reina Newland, 1837~1898)開始研究化學元素性質的週期性。1865年他受德貝萊納「三元群」的啟發,把當時已知的61 種元素按照原子量的大小順序排列,發現每隔7種元素便出現性質相似週期性,就如同音樂中的音階一樣,他稱之為八音律法(Law of Octaves)。

1864 年德國化學家邁爾(Julius Lothar Meyer, 1830~1895) 完成《近代化學理論》(Die Modernen Theorien der Chemie),在書中,他按照元素的化學鍵,將28個元素分為6族。但是在1870年的時候,他卻按元素及原子量的關係來排列它們的週期性。

門得列夫的崛起

1869年3月6日,在聖彼得市的蘇俄化學學會上,有一篇關於元素性質與原子重量有關的論文發表,署名門得列夫(Dmitri Ivanovich Mendeleev, 1834~1907),因為那天他正好生病,所以是由他的同事來宣讀。在同年,門得列夫將這篇論文節錄整理成二頁的德文,以〈有關元素的性質與其原子量的關係〉為標題,發表在《化學期刊》(Zeitschrift für Chemie)。在兩頁的內容中,包含一張元素週期表。

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門得列夫發表在《化學期刊》的週期表。(Meyer, L., Mendelejeff, D., Das Naturliche System der Chemischen Elemente – Ostwald’s Klassiker der Exakten Wissenschaften Nr. 68, Zeitschrift für Chemie, 1895.)

除此之外,尚有數個註解如:元素,按原子量的大小,性質會呈現逐步的變化; 化學相似的元素,它們的原子量如非出現一致(鉑、銥、鋨),便會是等量的增加(鉀、銣、銫);按原子量排列的元素與其價鍵相對應,從某一些程度而言,也與它們化學行為的差異相對應,如鋰、鈹、硼;氫是最輕的元素,理應被當作重量的標準;有些元素的原子量需要被訂正,如碲的原子量不是128,而是在123和126之間。

在這張週期表中,門得列夫共列有67個元素,他預測將會有原子量為45、68、70及180的元素存在,後來,除了原子量180沒有被發現外,其餘的三個元素,鈧(45)、鎵(68)、鍺(70),陸續被發現。在表中,門得列夫還對鉺、釔、銦、釷、碲與金的原子量表示質疑。

門得列夫將週期表論文發表在德國期刊上,這不僅帶動週期表觀念的流傳,也有助於他名聲的傳播。1859年門得列夫到海德堡大學,在本生(Robert Bunsen, 1811~ 1899)門下進修學習。隔年,他恰巧有機會參加卡斯魯爾化學會議。在會上,他學到亞佛加厥定律:在相同的溫度和壓力下,等體積的任何氣體都含有相同數目的分子。這點對於門得列夫在探討元素週期表有很大的啟發。

莫斯利的貢獻

在莫斯利(Henry Moseley, 1887~1915)的實驗前,元素在週期表上的排列是以原子量作為依據,有時候會產生一些混淆,或者無法解釋的地方,如原子量比較輕的鎳(58.693),應該排在鈷(58.933)之前,然而按照它們的化學性質來分析,鈷卻排於鎳之前。在1913 年的時候,莫斯利對照週期表進行實驗,他以陰極射線撞擊不同金屬的靶面,發現到金屬原子所放射出來的X射線頻率平方根與週期表的原子序成比例,此實驗稱之為莫斯利定律。

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陰極射線管。 Source:Science Museum London

透過此實驗方法,莫斯利重新檢驗了週期表的元素排列,他實驗證明,鈷和鎳的原子序分別為27和28。另外,莫斯利也按此方法,指出原子序在43、61、72和75的元素是空白的。後來這些被莫斯利所預測的元素,在他去世之後,陸續被發現,前兩者是在大自然中極少量的放射性元素鎝(43)和鉕(61),後兩者則是自然穩定存在的過渡金屬元素鉿(72)和錸(75)。莫斯利的實驗正好證實了波耳原子模型,原子序就是原子中的正電荷數目。後來實驗發現,原子序便是原子核中的質子數。最重要的是,在莫斯利之前,原子序只是元素在週期表中一個位置,莫斯利不僅賦予原子序一個物理意義,並且是可以實驗測量的一項數值。

週期表所隱藏的祕密

為何元素化學性質會與原子重量產生關係,當然門得列夫無法正確來回答這個問題。然而隨著更多的元素被發現,再加上量子力學的發展,週期表的謎題逐漸柳暗花明。

在1897年英國化學家湯姆生(Joseph John Thomson, 1856~1940)透過陰極射線, 第一次發現到電子,打破了科學家長期以來對於原子不可分割的觀念,隨後,美國物理學家密立根(Robert Millikan, 1868~1953)利用精確的油滴實驗,測得原子中負電荷粒子的重量和電荷。1903年拉塞福(Ernest Rutherford, 1871~1937)發現,放射性的產生乃是由於原子的崩壞。隨後,在1911年拉塞福和德國物理學家蓋革(Hans Geiger, 1882~1945)發現,其實電子是圍繞原子核來運動。

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拉塞福的實驗室。 Source:Science Museum London

在1913年波耳(Niels Bohr, 1885~1962)更發現,電子以不連續能量方式圍繞原子運動,其被稱之為軌道。當電子從一個軌道移動到另外一個軌道的時候,就會釋放出輻射。一年之後,拉塞福證實,在原子中存在一個帶有正電荷的粒子,稱之為質子。1932 年查兌克(James Chadwick, 1891~1970)實驗發現,在原子核中,除了帶正電荷的質子外,還有一個不帶電荷的中子,這讓科學家對於原子的結構知識更完整,也讓週期表的建立有更完整的基礎。

1923年波耳是第一位提出,元素週期表可以用原子的結構來解釋。隔年,英國理論物理學家斯通納(Edmund Clifton Stoner, 1899~1968)使用了德國理論物理學家索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868~1951)的第三個量子數來解釋電子殼層。在1914~1915年期間,索末菲開始使用第二量子數(l:角量子數)及第三量子數(m:磁量子數),然而不論是波耳或者是斯通納都無法正確的來描述原子光譜在磁場中的變化,即所謂塞曼效應(Zeeman effect)。波耳很清楚這個缺點,所以寫信給他的好朋友包立(Wolfgang Pauli, 1900~1958),請求協助如何讓這個量子理論更完善。包立意識到,塞曼效應能夠影響的,應該只是原子最外殼層的電子而已,所以只需要修訂斯通納的原子殼中的次殼層結構便可,因此在1925年,他提出了第四個量子數,即所謂的自旋量子數,及包立不相容原理來描述。

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最左方為波耳,右二為愛因斯坦。 Source: Smithsonian Institution
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包立(中)。 Source: Science Museum London
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查兌克。Source: wikipedia

除了包立不相容原理外,有關電子在殼層的排列,在1927年由德國物理學家罕德(Friedrich Hund, 1896~1997)所提出的罕德定則:當有多重軌道時,電子必須先以相同的自旋方式完成半填滿之後,才能以成對的方式填入軌域。除此之外,尚有1936年被提出的構築理論,不論是一個或者更多原子的軌道電子是以最少的能量來填入,在這情況下,原子、分子或者離子都會處於最穩定的電子組態。

所以原子的結構中,除了原子核外,每一個元素所擁有的電子,則是按照以上的方法而構成,而不同軌域所能夠填滿的電子數目則不同(s軌域可填2個電子;p軌域為6個;d 軌域為10個;f 軌域為14個)。因此,電子組態是解釋元素週期表最好的依據,換句話說,按電子組態所形成的週期表才最值得採信。

被時代所淘汰的週期表

除了發表在《化學期刊》的週期表外,門得列夫在1868~1872年之間至少還發表了7張以上的週期表。而1940年開始,4f電子軌域的鑭系元素(原子序57的鑭到71的鎦),及在5f電子軌域的錒系元素(原子序89的錒到103的鐒)陸續被發現,所以我們現今所使用的週期表,大約也是在1950年前後逐漸開始形成,當時有無數的週期表被提出。

在形狀為長方形的週期表,可以被分類成不同長度的週期表,除了氫與氦外,有含有8個元素的短週期,含有18個元素的中週期,含有32個元素的長週期。所以,週期表按它們的長度,可分類為短表、中表及長表。除了按表的長度來分類外,有些週期像同心圓,有些週期表圖看來像螺絲,有些像蝸牛,有些像雙鈕線。雙鈕形及橢圓柱螺旋形是按原子量所排列之週期表;盤繞螺旋形及八平面空間同心圓則是按電子組態來排列。

a
雙鈕形,1898年由克魯克斯(William Crookes)所提出。(Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements)
b
橢圓柱螺旋形,1911年由史塔克柏格(E. von Stackelberg)所提出。(Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements)
c
盤繞螺旋形,1929 年由賈內(Charles Jane)所提出。(Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements)
d
八平面空間同心圓,1943 年由韓佐(G. Haenzel)所提出。(Mazurs, Types of Graphic Representation of the Periodic System of Chemical Elements)

最終的成果

元素的性質與原子重量會出現週期關係,這聽來很神奇。在十九世紀時,化學家無法正確來解釋這個現象,一個是質量的東西,而另外一個卻是數量的東西。然而化學家實驗發現,這兩者之間出現週期性的變化,而且可以製作成一張表格。在那個時候,他們不知道為何會出現如此的關係,但是他們相信,可以在表格上,找到元素性質及原子量更多例子,也許最終有一天,當更多或者完整的週期表出現後,化學家便可以找到的答案。在建立更精確的週期表的過程中,它神奇的預測過新的元素,也幫忙校正一些原子的重量。

也許,門得列夫在1869年提出元素週期表,並非是一個「科學成就」,而是另外一個嶄新的問題:為何元素的性質與原子量出現週期關係?是的,電子組態便是答案。當我們知道,電子組態可以來解釋元素的各項性質時,我們似乎對元素性質的瞭解豁然開朗。然而另外一方面,過去週期表給我們那種神祕的美感,頓時消失,因為電子組態看來也是一個數量而已,它們是分布在不同軌域的電子數,而原子量就是原子核的中子和質子所組成,在原子中,有多少電子,就有多少質子,最後,我們看到就是數量和數量的關係,而不再是我們所認為的質量和數量所產生的關係,不再令人有一種神祕傳奇的魅力。

參考文獻:

  1. Mazurs, E. G., Graphic Representations of the Periodic System during One Hundred Years, University of Alabama Press, 1974.
  2. Meyer, L., Mendelejeff, D., Das Naturliche System der Chemischen Elemente – Ostwald’s Klassiker der Exakten Wissenschaften Nr. 68, Leipzig: Verlag von Wilhelm Engelmann, 1895.
  3. Van Spronsen, J. W., The Periodic System of Chemical Elements: A History of the First Hundred Years, Amsterdam: Elsevier, 1969.

201510本文選自《科學月刊》2015年10月號

延伸閱讀:
時代下的悲劇天才—莫斯利與原子序
人類所創造的物質—超鈾元素

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拉塞福誕辰 │ 科學史上的今天:08/30
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「這簡直就像是朝著一張紙巾發射十五吋砲彈,結果砲彈卻彈回來打到你自己!」

1909 年,拉塞福聽到研究助理蓋格 (Hans Geiger) (多年後他將發明偵測輻射的蓋格計數器)向他報告奇特的實驗結果:一些  α 粒子被薄薄的金箔反彈回來,當下不禁浮現這個畫面。

這真是太奇怪了!根據他的業師湯姆森 (Sir Joseph John Thomson,1856-1940) 的原子模型,原子組成應該是電子平均散佈在帶正電的均勻物質中,就像是梅子鑲嵌在布丁中那樣。但既然射向金箔的絕大部分 α 粒子都毫無阻礙地穿過去,表示布丁本身阻擋不了 α 粒子;而電子的質量又是如此微小,根本不可能將重它三千倍以上的 α 粒子彈開,那麼那些反彈回來的 α 粒子到底撞到了什麼

當時他百思不解,最後他終於想到一個與湯姆森截然不同的模型:原子內部帶正電的物質全部集中在小小一處,稱為原子核;電子則像行星繞著太陽一樣繞著原子核轉。那些極少數被金箔彈回來的 α 粒子就是撞上了金原子的原子核。

漂亮!實驗所顯示各種角度的散射也都符合這個模型的計算結果。只是他遲疑著該如何發表這個理論。倒不是畏於湯姆森在粒子物理界的位高權重,而是對拉塞福而言,這樣公然打擊湯姆森多少帶有弒父的意味!

是的,1895 年他從邊陲地帶的紐西蘭來到英國劍橋跟著湯姆森做研究,被多少人視為土包子,等著看笑話。幸而在湯姆森的無私指導下,他區分出兩種放射線並分別命名為 α 與 β,才得以應聘前往加拿大一所大學當系主任。後來進一步發現 α 射線就是氦原子核,並確認了半衰期的現象(1905 年,他利用半衰期算出一塊岩石樣本已有五億年歷史,打破原本普遍認為地球年紀只有數千萬年的迷思),因而於 1908 年得到諾貝爾化學獎(不過他也不懂為何不是物理獎?)。湯姆森可說是他的恩師啊!

兩年後終於有個絕佳的機會──湯姆森的一位學生再度發表一個支持正電均勻分布於原子內的實驗結果,如此一來,拉塞福可藉由駁斥這個實驗結論來帶出他自己的實驗與模型,避免直接攻擊湯姆森。於是 1911 年 5 月,他正式發表論文,公布其劃時代的發現。

然而這篇論文卻未激起太大的漣漪,一方面是因為違反直覺經驗(如果原子內部絕大部分空空如也,怎麼我們不會穿越地板陷下去?),一方面則是這個模型有個致命的問題:繞著原子核轉的電子應該很快就會失去能量,而墜毀到原子核,但這顯然沒發生。幸而沒多久他的學生波耳(Aage Bohr)用量子力學對這模型做了修正;「拉塞福─波耳模型」在往後數十年成為公認的原子模型,直到後來軌道的概念才被「電子雲」取代。

除了波耳,拉塞福還帶出很多優秀的學生,有多達十位成為諾貝爾獎得主。在作育英才方面有如此傲人成就,自身的研究又有極具開創性,拉塞福對科學的貢獻真是無與倫比!

 

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