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歡慶國際化學元素週期表年,你知道元素週期表幾歲了嗎?

行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
・2019/12/06 ・3978字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 556 ・八年級

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

  • 文/楊朝源

說起元素週期表,大概是每位學生們念書時,最怕遇到的惡夢之一吧。從氫鋰鈉鉀銣銫,一路背到氦氖氬氪氙氡,除了元素常常名字看不懂,整個元素週期表的形狀還非常奇怪,讓記憶難度提高。生吞活剝背完中文後,還有元素符號、原子序、等大魔王在後面摩拳擦掌,根本讓人背到懷疑人生。

國際化學元素週期表年。圖:SIF

雖然元素週期表很可怕,但你可知道今年,也就是西元 2019 年,正是元素週期表誕生的第 150 年,被聯合國設為國際化學元素週期表年!在這大喜之年,就讓我們放下以前的恩恩怨怨(?)了解一下元素週期表這 150 年來經歷的風風雨雨吧。

誕生於俄國科學家之手,北境永不遺忘

元素(elements),也就是組成物質的基本單位,自古以來每個文明都有各自的敘述與想像來說明,例如古代中國的五行說(金木水火土),古希臘的四大元素(水火氣土)等等。從這些學問中,不難想像古人對於物質的好奇。然而究竟是什麼東西構成了我們的世界?在近代科學中,法國科學家拉瓦節(Antoine-Laurent de Lavoisier)跨出了第一步。

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十八世紀末,被後世譽為「現代化學之父」的拉瓦節發起了一場革命,給予世人對於元素的新理解,而後十九世紀初有了英國科學家道爾吞(John Dalton)的原子說,原子量成為分辨元素時的一大利器。在這之後,各個元素開始陸陸續續地被發現,但是面對越來越多的元素種類,學者們試過各式各樣的排列方式,卻沒有一個令大家都信服的結果,來為這些元素分類與排序。

門德列夫。圖/ wikimedia commons

就在所有科學家都摸不著頭緒的時候,俄國科學家門德列夫 (Dmitri Ivanovich Mendeleev)於 1869 年提出了他的元素週期表。

他將化學相似的元素分為七個家族(當時尚未發現第八族元素),按照原子量的大小進行排列,並且預測了四個元素的存在。然而,門德列夫的元素週期表並沒有在發表時就一炮而紅,讓人們高喊元素週期表元年到來,而是成為眾多元素週期表中的其中一個,競爭正確答案的寶座。

之後過了六年,也就是 1875 年,法國科學家布瓦伯德朗(Paul Émile Lecoq de Boisbaudran)從鋅礦中提煉出了一種新的元素,被命名為鎵(Ga)。

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這個發現的驚人之處不僅僅是因為發現了新的元素,更因為鎵的原子量、化學性質以及比重等等特性,都與門德列夫的「類鋁」預測幾乎一致,這樣精準的預測結果讓世人開始注意到門德列夫的元素週期表。

接著科學家陸陸續續在 1879 年發現了鈧(Sc),1886 年發現了鍺(Ge),更是讓世人對門德列夫的想法更加信服。因為他的洞見,150 年後,我們仍然敬佩這位俄國的科學家,他的貢獻將不會被世界所遺忘。

鎵可以被人的體溫融化。圖/Newton desk

瞭解原子,揭開元素週期表的規則

剛剛說到,元素週期表是為了讓科學家將元素排序所產生的,因此元素週期表的背後必然有一定規則存在,才能使各式各樣的元素按照規律排列。而這些背後的祕密,卻是在門德列夫的元素週期表問世以後,才一點點的被揭開。

西元 1897 年,英國化學家湯姆森(Joseph Thomson)透過陰極射線發現電子,這個發現打破長期以來科學界認為原子不可分割的理論。在 1913 與 1932 年,拉塞福(Ernest Rutherford)和查兌克(James Chadwick)分別發現了質子與中子,對於原子構造的認識終於有了初步的進展。而帶有負電的電子、帶正電的質子與不帶電的中子,正是瞭解元素週期表規則的起點。

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元素週期表。圖: Life 生活化學,CC BY-NC-ND 3.0,禁止使用商業用途、修改

電子、質子和中子組成了原子,其中質子的數量代表了原子序,也就是上圖中元素左上的數字,因此從只有一個質子的氫為首,開始由左向右讀,元素的順序便是一氫二氦三鋰四鈹……,直到目前編號最後一個元素,也就是編號 118 的 Og,擁有 118 個質子。(編按:編號 117 的元素 Ts(石田)以及編號 118 的元素 Og(气奧)為新造字,多數電腦系統尚無法顯示這兩個字元,所以後面提到這兩個元素時一律以英文元素符號表示。)

為了保持原子的電中性,帶負電的電子必須要和帶正電的質子是相同的數量。電子在原子核週圍環繞,其運動的位置被稱為軌域。當目前的軌域被填滿後,電子就會排到下一層的軌域,也就是新的週期。目前的元素週期表有七個週期,由上而下每個週期的元素數量分別是 2, 8, 8, 18, 18, 32, 32。

在原子最外層的價電子,則大大決定了原子的化學性質。因為當電子的數量可以填滿軌域的時候,原子就會趨於穩定,也就是不容易產生化學反應,反之原子為了填滿軌域,會進行化學反應來得失電子,以達到安定的狀態。換句話說,具有相同價電子的元素,也就是在元素週期表上同一行(族)的元素,通常會具有類似的化學性質。

舉例來說,8A 族的氦、氖、氬、氪、氙等元素,因為電子的數量剛好可以填滿電子軌域,故都是不容易起反應的穩定氣體,又被稱為惰性氣體。而 1A 族的氫、鋰、鈉、鉀等元素,則是因為剛好多了這麼一顆價電子,所以容易失去價電子,反應後會成為少了一顆電子的帶正電離子,如鈉離子(Na+)。2A 族則有類似情形,只是會變成帶有正 2 價的離子,例如鈣離子(Ca2+)。7A 族的情形則反之,氟、氯、溴等元素需要獲得電子來滿足電子組態,因此常見帶一個負電的離子,如氯離子(Cl-)。(編按:前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。)

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前述元素相關化合物的化學屬性,可上化學知識地圖查找資訊,如氰化銅次氯酸鈉全氟辛酸等。

最後來說說中文的符號有什麼玄機吧,事實上你可以看到中文的元素就只有四個部首,分別是金、石、水、气。這四個部首就代表了該元素在常溫常壓下的狀態,若是固態金屬,就是金部,固態非金屬則用石部,液態的話就用水部,氣態當然就是气部。

說了這麼多,當你下次要記元素週期表的時候,想想這些背後的原因和規則,或許可以幫你省下不少功夫喔。

元素週期表的下一個 150 年,關於未知的新元素

雖然今年已經是元素週期表發表後的第 150 年,但事實上,科學家到今天為止,仍然在嘗試找出新的元素。2009 年,元素週期表上的元素只有到第 111 號的錀(Rg),到了 2010 年,112 號元素鎶(Cn)正式被命名,兩年後,編號 114 的鈇(Fl)和 116 的鉝(Lv)也加入。

最終在 2016 年,113 鉨(Nh)、115 鏌(Mc)、117(Ts)與 118(Og)正式加入元素週期表,也就是元素週期表誕生第 147 年後,科學家們終於成功填滿了一到七週期中所有的空格了!

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十年之前,元素週期表上只有111個元素。圖/修改自GDCH

但是第七週期是找到所有元素的最後一塊拼圖嗎?德國化學家杜爾曼(Christoph E Düllmann)就說過:

「我不知道任何懷疑元素 119 與 120 存在的人。(I know of nobody who doubts that elements 119 and 120 can exist.)」也就是說,科學家們都相信第八週期元素的存在,只是目前為止尚未發現而已。

事實上,與其說是「發現」新元素,這些年倒不如說科學家「製造」出新元素還貼切一些,因為目前為止在自然界發現的元素只有約 90 幾種,其他的元素都是在實驗室裡面製造出來的。尤其是那些原子量超過 104 的超重元素們(superheavy elements),幾乎都是使用加速器使輕元素相互碰撞後產生的。

說起來簡單,但做起來可是困難重重,先不說每次的碰撞實驗都需要花上幾個月的時間去準備,成功合成出想要的元素後,這些重元素又會很快就衰退消失成其他元素,壽命從千分之一秒至一兩秒都有,根本就是實驗室裡的煙火秀。

位於俄羅斯杜布納(Dubna)的超重元素研究室。圖:JINR

在這短暫的時間中,還要想辦法從各種粒子中找到並去確定新元素的性質,這就像是要幫閃電拍照一樣困難的任務!

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以元素 114 鈇(Fl)為例,當時部分的學者推測鈇是一個活性很低的元素,甚至與惰性氣態相近。但又因為鈇在元素週期表的位置在鉛之下,所以照元素週期表的規則來說,鈇的化學性質應該類似於重金屬。為了找出答案,科學家們設計了一場實驗:

他們讓鈇原子通過一個狹窄的黃金隧道,隧道一開始是熱的,但出口端的溫度會低至攝氏 -170 度。若鈇的性質與鉛相似,一開始就會被隧道所吸收,反之如果比較像惰性氣體,那就會移動到接近出口時才被吸收。然而等到實驗結果出爐後,兩組研究人員卻得到了相反的結果,也意味著學者們仍需要更多的實驗,來了解鈇這個元素。

這個故事向我們展現了研究超重元素的困難,即便如此,科學家們仍會努力地去找出下一個新的元素。

在 119 號元素以後的元素週期表,會有哪些神奇的元素?會在何時結束?又是否會一直保有週期性呢?回首元素週期表誕生 150 周年,讓我們預祝下一個 150 年一樣充滿發現與驚喜。

本文由行政院環境保護署毒物及化學物質局之推動化學物質綠色生活知識教育平臺計畫企劃,泛科學執行

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參考資料

  1. Düllmann, C. E. (2019). 118 and Counting… The Periodic Table on its 150th Anniversary. Angewandte Chemie International Edition, 58(13), 4070-4072.
  2. 環保署化學局「化學知識地圖網站」—列管毒化物簡表

延伸閱讀

 

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行政院環境保護署毒物及化學物質局_96
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行政院環境保護署毒物及化學物質局,落實毒物及化學物質之源頭管理及勾稽查核,從源頭預防管控食安風險,追蹤有害化學物質,維護國民健康。 網站:https://www.tcsb.gov.tw/

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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寫在起司工廠邀請函背面的曠世巨作:元素週期表出現的這一天——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/09 ・1127字 ・閱讀時間約 2 分鐘

雖然門得列夫一直思考著元素、原子量、分類,但是足足想了十年之久,才終於迎來「我發現了!」這個時刻,就是一八六九年二月十七日這一天,也許可以訂為「我發現了!」紀念日。這一天,他取消了以顧問身分視察起司工廠的行程,決定投入研究他日後最膾炙人口的代表作——元素週期表

真正的發現

首先,他在起司工廠邀請函的背後,把幾個元素的符號列成兩行:

接著,他列出一個稍微更大的陣列,包括十六個元素:

當天晚上,門得列夫就把整個元素週期表都畫了出來,包括六十三個已知元素。此外,這張表還留了幾個空格給當時未知的元素,甚至預測這些未知元素的原子量。

他將這張表複印兩百份,寄給整個歐洲的化學家。同年三月六日,門得列夫的同事在俄羅斯化學學會一場會議上宣布這項發現。一個月內,這個新成立的學會就在期刊上刊登了一篇文章,另一篇更長的則在德國發表。

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多數關於門得列夫的大眾讀物和紀錄片會說他在夢中想到他的元素週期表,或在玩紙牌接龍時把牌當成一個個元素。這兩個故事,尤其後者,現在已經被許多門得列夫的傳記作者視為是杜撰的,例如科學史家麥克.戈爾丁(Michael Gordin)。

原則的堅持

還是回來討論門得列夫的科學方法吧。他和對手洛塔爾.邁耶爾很大的不同是,他不相信所有物質的統一性,也不支持普洛特關於元素具有複合性質的假說。門得列夫也刻意與三元素組的想法保持距離。例如,他提出氟應該和氯、溴、碘放在一起,形成一個至少四個元素的族。

洛塔爾.邁耶爾專注於物理原則,主要關注元素的物理性質,而門得列夫則非常熟悉元素的化學性質。然而,說到分類元素最重要的標準時,門得列夫堅持以原子量排序,不容許有任何例外。當然,許多在門得列夫之前的人,例如尚古多、紐蘭茲、奧德林,以及洛塔爾.邁耶爾都承認原子量的重要性,儘管程度不一。但是門得列夫對原子量與元素的本質有更深層的哲學理解,得以一探尚未被人發現的元素,進入這個未知領域

——本文摘自《【牛津通識課10】元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》,2023 年 4 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(上)——《科學大師的失誤》
時報出版_96
・2021/05/01 ・2417字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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  • 作者 / 楊建鄴

一個人在科學探索的道路上,走過彎路,犯過錯誤,並不是壞事,更不是什麼恥辱,要在實踐中勇於承認錯誤和改正錯誤。──愛因斯坦(Albert Einstein,1879−1955)

1914 年,第一次世界大戰爆發,哈恩被徵入伍,改換了身分,於是所有的研究工作都被迫中斷了。哈恩被派到哈伯那兒服役。1905 年,哈伯發明了將空氣中的氮合成氨的方法。我們知道,氨可以用來合成高效化肥,這一發明有極其重大的價值,為德國氮肥工業的興起作出了決定性貢獻。

1915 年年初,哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。哈伯是「毒氣計畫」的負責人。哈伯對哈恩說:「我們的任務是建立一支毒氣戰鬥特別部隊,我們要研製新的、殺傷力更大的毒氣。」

哈伯、哈恩與其他一些科學家被政府指令研究毒氣。圖/Pexels

哈恩聽了,嚇了一跳,不由倒抽一口涼氣。

接著,哈伯說了一堆大「道理」,這些「道理」在第二次世界大戰發明原子彈時,又被一些科學家再次利用。哈伯在第一次世界大戰期間對德國可說是建立了卓偉功勛,但在第二次世界大戰時,這位無比忠於德國政府的人,因為是猶太人,受到希特勒的迫害,不得不逃離德國,最後暴病身亡。

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第一次世界大戰結束後,哈恩和邁特納又在凱薩.威廉物理化學及電化學研究所,繼續已經中斷了四年多的合作研究。很快,他們發現了一種新元素,其原子序數是 91。他們給新元素取名為「鏷」(Pa)。接著,哈恩又做出了許多有價值的工作,因此他被認為是歐洲最權威的分析化學家,尤其在放射化學方面,更有著不同凡響的聲譽。

正在他學術上日見輝煌時,卻捲入了一場學術爭論之中。與他爭論的對手是很有威望的科學家,法國居禮夫人的大女兒伊雷娜–約里奧–居禮 (Irene Joliot-Curie,1897−1956)

伊雷娜–約里奧–居禮。圖/Wikipedia

事情的起因和過程,這兒只簡單地介紹一下。義大利物理學家費米用慢中子轟擊 92 號元素鈾時,以為得到了 93 號元素。由於科學家在自然界只見過 92 號元素,從來沒有人見過 92 號之後的元素,所以,如果費米真的得到了 93 號元素,那真是一個非常了不起的發現。

費米開始還比較小心,不敢說自己真的發現了 93 號元素,只是說「有可能發現」新元素。但後來由於沒有人懷疑他的結果,於是費米也開始相信自己是真的發現了 93 號元素。

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當時有一位叫伊達.諾達克 (Ida Norddack,1896−1978) 的德國女科學家曾經提出過批評。她在德國《應用化學》雜誌上發表了一封信,對費米提出了批評。在信中她寫道:現在費米還沒有把握說,中子撞擊了鈾以後反應的生成物是什麼,在這種情形下談論什麼「超鈾元素」是不合適的。

諾達克大膽假設,像原子量為 238 的鈾這樣的重原子核,當中子撞擊它時,它有可能分裂成幾大塊碎片,成為幾種比較輕的原子核。

諾達克的批評沒有受到費米和大家的重視,這有三個原因。一是諾達克不是很出名的科學家,刊登她的信的刊物也不是一流刊物。二是她的大膽假設,沒有任何人相信,因為中子的能量很小,「根本不可能」把堅固的原子核撞得分裂開來。舉個例子,一顆手槍子彈最多只能在牆上敲下幾塊碎片;如果說這顆子彈能把這座牆打倒,分裂成兩三大塊,恐怕你也不會相信的。三是哈恩同意了費米的意見,認為費米真的製出了超鈾元素;哈恩是公認的化學權威,這當然使費米相信自己對了。因此,費米拒絕了諾達克的意見。

諾達克與哈恩相識,哈恩也曾經關心過諾達克的研究。因此,在 1936 年一次見面時,諾達克向哈恩建議說:

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「哈恩教授,您是否可以在您講課中,或者在著作中,提到我對費米的批評?」

哈恩嚴肅地拒絕了,並且說:

「我不想使您成為人們的笑柄!您認為鈾核會分成幾塊大碎片,依我看,純粹是謬論!」

哈恩認為諾達克對於鈾核會分裂成幾塊大碎片的研究是謬論。圖/GIPHY

但過了兩年之後,哈恩自己卻證明了這個「謬論」是真理;而且在 8 年之後,哈恩還因為這個發現得了諾貝爾化學獎!世界上有一些事情就這麼奇怪!

正當哈恩否定了諾達克意見之後,法國著名的化學家伊雷娜卻指出,諾達克的意見很可能是對的。伊雷娜在實驗中發現,用中子撞擊鈾以後,在反應產物中找到了比鈾輕得多的產物,其原子量只有鈾的一半。如果伊雷娜的實驗是真的,那鈾原子核就真的被中子撞成兩大塊了!

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哈恩實驗室的工作人員都不相信伊雷娜的實驗結果,一些人嘲笑伊雷娜:

「伊雷娜還指望利用從她光榮的母親那兒學到一點化學知識,其實這早已經過時了。」

哈恩訓斥了說諷刺話的人,但他也不同意伊雷娜的意見。因此他以私人名義寫了一封信給伊雷娜,建議她更細緻地重做一次實驗。哈恩認為自己夠客氣的了,否則他會在刊物上提出批評,那伊雷娜就會出大醜了!

但是伊雷娜一點也不領哈恩的情,她在前一篇文章的基礎上,又發表了第二篇文章,進一步肯定了第一篇文章的結果。哈恩生氣了,覺得伊雷娜太不自量,竟然完全不聽一下他的善意勸告,一意孤行。他氣惱地對助手斯特拉斯曼(Fritz Strassman,1902−1980)說:

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「我不會再讀這位法國太太的文章!」

繼續閱讀:原子彈的發明原理,從一個被說荒謬的假設開始(下)

——本文摘自《科學大師的失誤》,2021年4月,時報出版。

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