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不只有瑪麗·居禮:元素週期表背後的女性科學家

活躍星系核_96
・2019/12/07 ・5806字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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  • 原文作者:Brigitte Van Tiggelen 和 Annette Lykknes ,他們蒐集整理了在發現元素和探索元素特性過程中那些重要卻常常被忽視的女性研究人員的故事。原文以 Celebrate the women behind the periodic table 為標題,發佈在 2019 年 1 月 28 日《自然》評論上。由 施普林格·自然上海辦公室翻譯。

將幾十種化學元素集中到元素週期表上的功勞並無法歸結到一個人或是一個時間點上。無論是在門德列夫於 1869 年提出元素週期表雛形之前還是之後,科學家們都在不斷對化學元素進行分類和預測,還有更多科研人員努力尋找和解釋這些新的物質。惰性氣體、放射性、同位素、次原子粒子1和量子力學這些概念在十九世紀中葉都還未問世。

德國化學家伊達.諾達克(Ida Noddack)放棄了化工行業的工作,而投入進尋找新元素的研究,最終與他人共同發現了錸。圖/魯汶大學檔案館

在這裡,我們將介紹那些徹底改變我們對元素理解的女性科學家們。瑪麗.居禮(Marie Curie,亦常稱為居禮夫人)是最著名的,她因為研究放射性以及發現了釙和鐳而兩次獲得諾貝爾獎,而其他女性則悄無聲息地隱入了幕後。同樣被忽略的還有她們的研究與人格特質 ,譬如不斷開展實驗、仔細篩選數據、重新評估理論的那種堅韌和勤奮。

要證明一種新元素的發現非常困難。首先,要發現不同尋常的特性——不能歸因於已知元素的化學行為或物理性質,例如無法解釋的放射性輻射或光譜線。其次,必須分離出足夠量的該種元素或其化合物,以便對其進行稱重、測試並說服他人。

找尋與梳理元素的科學家們

1897 年,瑪麗.居禮開始攻讀博士學位,她對「鈾射線」進行研究的時候並沒有要尋找新的元素。她想探索的是 1896 年亨利.貝可勒爾(Henri Becquerel)剛剛發現的放射性這一概念。她發現瀝青鈾礦的放射性之大無法單單用鈾來解釋,於是推測是否存在其他元素,並找來了她的丈夫皮埃爾幫忙。

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1898年,他們確定了兩種新元素——鐳和釙的光譜線。然後他們花了三年多的時間研磨、溶解、煮沸、過濾、結晶數噸礦石,才提取了 0.1 克鐳化合物。(他們也試圖分離釙,但實在過於困難,因為它的半衰期太短了。)1903 年,居禮夫婦和貝可勒爾因為發現放射性而共同獲得了諾貝爾獎;1911 年,瑪麗.居禮因為發現鐳和釙,並成功對鐳進行分離和研究而再次獲得諾貝爾獎。

要確定一種元素在元素週期表中的位置,主要依據的是其原子量和化學性質。像是鐳的化學行為與鋇很接近,並且原子質量比鋇更重,因此在元素週期表中剛好排在鋇後面。但確定原子量非常困難,因為必須要通過純物質進行測定。

具有相似原子量和特性的元素很難被區分。就在門德列夫製作好元素週期表之後,俄羅斯化學家朱莉婭.勒蒙託娃(Julia Lermontov)接受了這一挑戰——也可能是在門德列夫的要求下——對鉑族金屬(釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑)的分離過程進行改良。這是幫它們排列順序的先決條件。(據我們所知)關於勒蒙託娃工作唯一的記載只有在門德列夫的檔案以及他們聯繫來往的信件當中。勒蒙託娃在德國海德堡學習化學,師從羅伯特.本生(Robert Bunsen,1860年與古斯塔夫.基爾霍夫(Gustav Kirchhoff)使用他們新發明的光譜儀發現了銫和銣)。1874 年,勒蒙託娃成為了德國歷史上第一位獲得化學博士學位的女性。

精確測量原子量的值對於計算放射性衰變系*,以及區分現有的新元素和已知元素的未知變體——同位素也是至關重要的。同位素的概念解決了一個重大問題:似乎有許多新元素突然湧現出來,但元素週期表中並沒有那麼多位置。雖然同位素這個概念是由英國化學家弗雷德裏克.索迪(Frederick Soddy)在 1913 年提出來的,但是這一術語(在希臘文中意為「同一個地方」)最早是瑪格麗特.託德(Margaret Todd)醫生在一次晚宴上提出的。

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波蘭猶太化學家斯蒂芬妮.霍洛維茨(Stefanie Horovitz)很快就提供了同位素的實驗證據。她在維也納的鐳研究所工作,她證明即使像鉛這樣常見的元素也可能具有不同的原子量,具體取決於它是由鈾還是釷的放射性衰變而來。

1914 年,波蘭猶太化學家斯蒂芬妮.霍洛維茨在維也納鐳研究所工作期間用實驗證明了同位素的存在。圖/奧地利中央物理圖書館

另一個問題便是鐳的「放射物」的本質是什麼,是顆粒還是氣體?加拿大物理學研究生哈麗特.布魯克斯(Harriet Brooks)在加拿大麥吉爾大學與她的老師歐內斯特.盧瑟福(Ernest Rutherford)一起解決了這個問題。布魯克斯和盧瑟福在 1901 年提出放射物的擴散就如同厚重的氣體,這是證明放射性衰變過程可能產生新元素的第一個證據。1907 年,威廉.拉姆齊(William Ramsay)認為這種後來被命名為氡的氣體屬於「氦元素族」——現在被稱為惰性氣體。

1902 年,盧瑟福和索迪宣佈了他們的放射性衰變理論:原子在發出放射線的同時自發地衰變成新的原子。盧瑟福因其研究成果獲得了 1908 年的諾貝爾化學獎。布魯克斯發現氡是第一步,也是至關重要的一步,但人們卻很少記得她。雖然第一篇論文是由布魯克斯和盧瑟福共同寫作的,但後來發表在《自然》上的另一篇論文就只有盧瑟福的名字了——僅僅註明布魯克斯為盧瑟福提供了協助。布魯克斯發現她作為一名女性很難獲得長期職位(特別是結婚後),和進行穩定深入的研究。

進一步探索和歸納元素的科學家們

有關原子核物理特性的新見解持續不斷地湧現出來。1917-1918 年,物理學家莉澤.邁特納(Lise Meitner)和化學家奧托.哈恩(Otto Hahn)在柏林發現了第 91 號元素——鏷。邁特納是奧地利人,在獲得博士學位後前往德國尋找更好的職業發展機會。1907 年,她被柏林大學化學系的哈恩錄用,成為其無償合作者。她不得不在地下室工作——因為女性不應該被看到。1913 年,在哈恩調任至柏林-達勒姆的威廉大帝化學研究所(Kaiser-Wilhelm Institute for Chemistry)後,她成為該研究所的「合夥人」。

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哈恩和邁特納在放射性衰變系中尋找錒的「母物質」(mother substance)時,發現了鏷。當時尋找新元素的競爭十分激烈,因此有關孰先孰後的糾紛不可避免地隨之而來。哈恩和邁特納最終被認定為是第一個發現鏷的團體,因為他們收集的物質量更多且對該物質特性的研究比其競爭對手更為完整。

另一個元素,第 75 號元素錸,於 1925 年由德國化學家伊達.諾達克(Ida Noddack)和她的丈夫沃爾特.諾達克(Walter Noddack)在柏林發現,與他們合作的還有電氣工程公司 Siemens-Halske(後來併入Siemens 子公司)的奧托.伯格(Otto Berg)。伊達.諾達克原本是一名化學工程師,但是她放棄了化工行業的工作而去尋找新元素。1925 年,她開始在柏林的帝國物理和技術研究所擔任無償客座研究員,當時沃爾特在那裡擔任化學實驗室的負責人。諾達克夫婦努力製備了可稱量的錸——以萊茵河命名;錸是地球上最稀有的元素之一,不具有放射性。

諾達克夫婦還宣稱找到了第 43 號元素,他們稱之為鎷(以波蘭馬蘇里亞命名)。但他們從未成功地再現其光譜線或分離出這種物質。事實上,使用「濕化學2」方法研究這種元素是沒有用的。1937 年,第 43 號元素成為第一個人工製備而成的元素,被命名為鍀。

瑪麗.居禮因為其自己的研究成果而得到認可,並在皮埃爾去世後接替了他在巴黎大學的職位。但伊達.諾達克不同,她在她丈夫的實驗室以客座研究員的身份工作了大半輩子。這也是 1934 年她提出原子核可分裂理論時沒有得到重視的原因之一,現在這個原子核分裂的過程被稱為核裂變。

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1932 年中子的發現和與之引領出的 1934 年放射性的發現開闢了一個全新的研究領域——在實驗室中通過用粒子轟擊原子來製造新的元素。1934 年,物理學家恩里科.費米(Enrico Fermi)及其羅馬大學的同事宣佈,他們通過用中子撞擊鈾製造出了第 93 號和第 94 號元素。伊達.諾達克在《應用化學》(Angewandte Chemie)上發文指出,費米未能證明撞擊沒有產生其他化學元素,包括一些原子質量較輕的元素。「可以想象,」她説,「原子核會分裂成幾個大的碎片。」但物理學家們忽略了她的聲音。

1938 年,邁特納和哈恩意識到費米制造的其中一種元素是鋇,並且鈾原子核的確已經分裂了。那時正處於第二次世界大戰前夕,身為猶太人的邁特納已逃往瑞典。雖然是她的計算讓哈恩相信鈾原子核的確分裂了,但哈恩在 1939 年發表研究結果時並未提到邁特納的名字,也沒有在 1945 年接受 1944 年的諾貝爾化學獎時將這件事澄清。

1930 年,鈁的發現者瑪格麗特.佩裏(Marcerite Perey,左)和她的同事索尼婭.科特爾(Sonia Cotelle)在巴黎鐳研究所。圖/居禮博物館/ACJC

這些女性先驅大多與男性研究人員合作,因此很難區分他們的貢獻。瑪格麗特.佩裏(Marcerite Perey)是一個例外:這位法國物理學家被認為在 1939 年獨立發現了第 87 號元素——鈁。佩裏在 19 歲時加入瑪麗.居禮的巴黎研究所,擔任實驗室技術員,由伊雷娜.約里奧-居里(Irène Joliot-Curie)和安德烈.德比埃爾內(André Debierne)提供指導。兩人分別要求她計算同位素錒-227 的精確半衰期,這是一個精細的技術過程,就在這期間佩裏發現了新元素鈁。因為當時伊雷娜.約里奧-居里和安德烈.德比埃爾內無法就佩裏究竟為誰工作達成共識,所以他們都無法説明自己在這一發現中所發揮的作用。後來佩裏成為了斯特拉斯堡大學核化學系的負責人,並於 1962 年成為第一位當選法國科學院院士的女性——擔任通訊院士(corresponding member)。(雖然沒有反對女性獲選的規定,但直到 1979 年才有第一位女性當選為正式院士 (full member)。)

鈁是在自然界中最後發現的元素。放在今天,這樣的發現需要有大型研究團隊、粒子加速器和龐大的預算才行。化學元素的含義已經發生了改變,從門德列夫認為的穩定而不可轉換的物質變成了到僅能存在幾毫秒的同位素。

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20 世紀 70 年代初,美國化學家達蓮娜.霍夫曼(Darleane Hoffman)利用相關技術實現了跨越性的突破。她證明同位素鐨-257 可以自發裂變——不僅僅是在被中子轟擊之後。霍夫曼是第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性,她還在自然界中發現了鈽-244。她培養了幾代女科學家。其中一位是道恩.沙內西(Dawn Shaughnessy),她現在是勞倫斯利佛摩國家實驗室的重元素項目(以及其他幾個項目)的首席研究員,該項目幫助發現了六個新元素(113-118)。

1979年,霍夫曼成為了第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性。圖/Roy Kaltschmidt / 勞倫斯柏克萊國家實驗室

將元素物盡其用的科學家們

在探索元素的道路上還有很多其他女性的身影。1886 年,法國化學家亨利.莫瓦桑(Henri Moissan)分離出了氟。之後在 20 世紀 20 年代到 30 年代初期,一支女性團隊(特別是卡門.布魯格.羅曼(Carmen Brugger Romaní)和特立尼達.薩利納斯.費雷爾(Trinidad Salinas Ferrer))與馬德里大學的何塞.卡薩雷斯.吉爾(José Casares Gil)展開合作,共同研究氟對健康的影響及礦泉水中的氟含量。1936 年 – 1939 年西班牙內戰後,她們不得不退出研究,她們的工作成果便歸入了卡薩雷斯的名下。

化學家裏塔.克拉克.金(Reatha Clark King)是第一位在華盛頓特區國家標準局工作的非洲裔美國女科學家。20 世紀 60 年代,她研究了氟氧氫氣體混合物的燃燒:氟的高反應性意味著其可用於火箭推進劑。有的混合物爆炸性過強,因此需要特殊的設備和技術。NASA 採用的正是金的設計。

20 世紀 10 年代,美國醫生和研究員艾麗斯.漢密爾頓(Alice Hamilton)證明了鉛的毒性及其對公眾和金屬行業從業人員的危害。她迫使保險公司和製造商採取安全措施並對受影響的人進行賠償。她還組織了社會運動,讓大家認識到汞等其他重金屬可能給從業人員造成的疾病傷害。1919 年,她成為了哈佛大學的第一位女性教師。早在 1925 年,她就明確反對在汽油中添加鉛。

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日裔美籍技術人員 Toshiko ‘Tosh’ Mayeda 在 20 世紀 50 年代就掌握了氧的放射性同位素的測量方法。起初她在芝加哥大學哈羅德.尤里(Harold C. Urey)實驗室裡清洗玻璃器皿,不久便成為了質譜儀的負責人。她協助測定了貝殼化石中氧同位素的含量,用以推斷史前海洋的溫度,並將這種方法推廣到了隕石中。

像所有日裔美國人一樣,1941 年 12 月 7 日珍珠港事件發生後,Mayeda 被送往拘留營並遭到歧視。Mayeda 只擁有化學學士學位,本來或許會成為那些做出重大貢獻卻不為世人所知的眾多女性技術人員之一。但是,好在 Mayeda 得到了上司的支持,她的名字與那些博士和教授一併出現在了期刊論文中。

元素週期表的背後

與研究發現一樣,蒐集整理這些女性科學家的故事也需要團隊的合作,非常感謝以下各位所做的努力和貢獻,他們是:Gisela Boeck, John Hudson, Claire Murray, Jessica Wade, Mary Mark Ockerbloom, Marelene Rayner-Canham, Geoffrey Rayner-Canham, XavierRoqué, Matt Shindell 和 Ignacio Suay-Matallana。

追蹤瞭解化學研究史上的女性角色,從無償的助手和技術人員到傑出實驗室的負責人,我們更全面地瞭解了這群在科學發現道路上不懈努力的人。今年(2019年)是元素週期表誕生150週年,我們必須認識到在它的建立和發展背後是許許多多科研人的個人努力和合作。

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備註:

  1. 次原子粒子是指比原子還小的粒子。資料來源:維基百科
  2. 濕化學為在液態環境下進行化學分析的傳統方法。資料來源:維基百科

References:

  • 1.Quinn, S. Marie Curie: A Life (Perseus, 1995).
  • 2.Rayner-Canham, M. F. & Rayner-Canham, G. W. Women in Chemistry: Their Changing Roles from Alchemical Times to the Mid-Twentieth Century 61–63 (American Chemical Society & Chemical Heritage Foundation, 2001).
  • 3.Rentetzi, M. Trafficking Materials and Gendered Experimental Practices: Radium Research in Early Twentieth Century Vienna (Columbia Univ. Press, 2009)
  • 4.Rayner-Canham, M. F. & Rayner-Canham, G. W. Harriet Brooks: Pioneer Nuclear Scientist (McGill–Queen’s Univ. Press, 1992).
  • 5.Ramsay, W. Nature 76, 269 (1907).
  • 6.Rutherford, E. & Brooks, H. T. Trans. R. Soc. Can. (Ser. 2, Sec. III) 7, 21–25 (1901).
  • 7.Rutherford, E. Nature 64, 157–158 (1901).
  • 8.Sime, R. L. Lise Meitner. A Life in Physics (Univ. California Press, 1996).
  • 9.Van Tiggelen, B. in Chemical Sciences in the 20th Century: Bridging Boundaries (ed. Reinhardt, C.) 131–145 (Wiley, 2001).
  • 10.Noddack, I. Angew. Chem. 47, 653–656 (1934).
  • 11.Lykknes, A., Opitz, D. & Van Tiggelen, B. (eds) For Better or For Worse? Collaborative Couples in the Sciences (Springer, 2012).
  • 12.Adloff, J.-P. & Kauffman, G. B. Chem. Educ. 10, 378–386 (2005).
  • 13.Hoffman, D. C., Ghiorso, A. & Seaborg, G. T. The Transuranium People (Imperial Coll. Press, 2000).
  • 14.Brown, J. E. African American Women Chemists 115–123 (Oxford Univ. Press, 2012).
  • 15.Hamilton, A. Exploring the Dangerous Trades: The Autobiography of Alice Hamilton, M.D. (Northeastern Univ. Press, 1943).
  • 16.Shindell, M. The Life and Science of Harold C. Urey (Univ. Chicago Press, in the press).
  • 版權聲明:
    本文由施普林格.自然上海辦公室負責翻譯。中文內容僅供參考,一切內容以英文原版為準。歡迎轉發,如需轉載,請email至China@nature.com。未經授權的翻譯是侵權行為,版權方將保留追究法律責任的權利。
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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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最理想的元素週期表?其實元素週期表有很多種!——《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表》
日出出版
・2023/06/10 ・2017字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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前面幾章都在談元素週期表,但還有一個重要面向沒有提到。為什麼有這麼多元素週期表出版,而且為什麼現在的教科書、文章、網路,提供這麼多種元素週期表?有沒有「最理想的」元素週期表?追求最理想的元素週期表有意義嗎?如果有,我們在找出一份最佳週期表的過程中取得那些進展?

種類數量可觀的元素週期表

愛德華.馬蘇爾斯(Edward Mazurs)關於週期表歷史的經典著作中,收錄自一八六○年代首張元素週期表繪出以來,大約七百張的元素週期表。

馬蘇爾斯的書本出版已過了四十五年左右;之後,期間至少又有三百張週期表問世,如果再加上網路上發表的就更多了。為什麼會有這麼多元素週期表,這件事情需要好好解釋。當然,這些元素週期表中,許多並沒有新的資訊,有些從科學的觀點來看甚至前後矛盾。但即使刪除這些具有誤導性的表,留下的數量還是非常可觀。

元素週期表的變體:有圓形的還有立體的?

我們在第一章看過元素週期表的三個基本形式:短元素週期表中長元素週期表長元素週期表。這三類基本上都傳達差不多的訊息,但相同原子價(編按:原子的價數,金屬為正價、非金屬為負價)的元素,在這些表中有不同的分族。

此外,有些週期表不像我們一般認識的表格那樣四四方方。這種變體包括圓形橢圓的週期系統,比起長方形的元素週期表,更能強調元素的連續性。不像在長方形的表上,在圓形或橢圓形的系統中,週期的結尾不會中斷,例如氖和鈉、氬和鉀。

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但是,不像時鐘上的週期,元素週期表的週期長度不同,因此圓形元素週期表的設計者需要想辦法容納過渡元素的週期。例如本菲(Benfey)的元素週期表(圖 37),過渡金屬排列的地方從主要的圓形突出來。也有三維的元素週期表,例如來自加拿大蒙特簍的費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)所設計的(圖 38)。

圖 37/本菲(Benfey)的圓形元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表
圖 38/費爾南多.杜福爾(Fernando Dufour)的三維元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

但我認為,這些變體都只是改變週期系統的描繪形式,它們之間並無根本上的差異。稱得上重要變體的,是將一個或多個元素放在和傳統元素週期表中不同的族。討論這點之前,我先談談元素週期表一般的設計。

元素週期表的概念好像很簡單,至少表面上是,因此吸引業餘的科學家大展身手,發展新的版本,也常宣稱新的版本某些地方比過去發表的更好。

當然,過去有過幾次,化學或物理學的業餘愛好者或外行人做出重大貢獻。例如第六章提過的安東.范登.布魯克,他是經濟學家,也是首先想到原子序的人,他在《自然》等期刊發展這個想法。另一個人是法國工程師夏爾.雅內(Charles Janet),他在一九二九年發表「左階式元素週期表」(Left-step periodic table),後來持續受到週期表的專家和業餘愛好者的關注(圖 39)。

圖 39/夏爾.雅內(Charles Janet)的左階式元素週期表。圖/《元素週期表:複雜宇宙的簡潔圖表

「理想」的追求

那麼,追求最理想的元素週期表真的有意義嗎?我認為,這個問題的答案取決於個人對週期系統的哲學態度。一方面,如果一個人相信,元素性質近似重複的現象是自然世界的客觀事實,那麼他採取的態度是實在論。對這樣的人而言,追求最理想的元素週期表非常合理。最能代表化學週期性事實的就是最理想的元素週期表,即便這樣的表還沒制訂出來。

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另一方面,工具論者或反實在論者看待元素週期表,可能會認為元素的週期性是人類強加給自然的性質。若是如此,就不必熱切尋找最理想的元素週期表,畢竟這種東西根本不存在。對約定俗成論者或反實在論者來說,元素究竟如何呈現並不重要,因為他們相信我們處理的,不是元素之間的自然關係,而是人造關係。

——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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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》
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・2023/06/09 ・1127字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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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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