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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。

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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。

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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。

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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。

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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)
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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:

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  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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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

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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末日般的「鑀」情:科學家終於解開了氫彈試爆裡的週期表謎團
linjunJR_96
・2021/03/12 ・1708字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

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氫彈試爆遠圖。圖/Pixabay

1952 年 11 月 1 日,美軍在太平洋中央的一座小島上,進行第一次大規模氫彈試爆,猛烈的核融合反應留下了許多難得一見的超重元素。加州的柏克萊實驗室就是在這次的爆炸殘骸中發現了第 99 號元素「鑀」(Einsteinium)。70 年後的今天,同樣來自柏克萊的實驗室團隊首次成功量測到鑀元素,發表在 Nature 期刊。

鑀元素位於元素週期表的邊疆,儘管科學家曾確實觀測到它,直至今日人們對鑀的理解仍然只有一絲絲(連屑屑都沒有),這是因為鑀原子超不穩定,沒多久就會衰變成原子序較小的其他元素,於是鑀元素不能像鈾礦那般由自然物質裡萃取,鑀的人工合成製程也十分困難。標準的合成作法是使用大量中子轟炸鋦原子,再雙手合十,耐心等待一連串核融合反應發生。

1960 年代的首次合成嘗試中,只成功產出 10-8 克(10 奈克)的鑀原子。儘管往後產量有緩慢進步,但在這種亂槍打鳥的過程中,許多不同的核反應都會參一腳,所以收集到的原子產物往往參雜許多其他元素,加上鑀易輻射衰變的特性,以至於一直沒有實驗團隊能得到足夠量的鑀元素以進行其化學性質的測量。

寫黑板的愛因斯坦。圖/Pixabay

鑀元素聽來也許陌生,然而它的英文名字「Einsteinium」可是來自家喻戶曉的愛因斯坦本人(Albert Einstein),字源揭露了鑀的重要地位。鑀元素屬於週期表最後一列的錒系元素,這列沒人會背的元素其實一點兒也不無關緊要,在駕馭了它們的放射性質後,錒系元素有能耐成為左右文明的重大角色。除了最常聽到的鈾之外,釷(Thorium)和鉲(Californium)等元素都有廣泛的工業及醫學應用;鈽(Plutonium)是核武器和核能源的必須要素,因此成為冷戰時期眾人爭奪的資源,也曾在電影「天能」裡面客串出場。

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週期表中每一直行(稱為族)及每一橫列(稱為週期)的元素的化學性質都存在特定規律;例如第一行的鹼金屬族,越往下脾氣就越暴躁;第二列越往右原子就越小顆等等。每一個新元素的發現,對鄰近的元素親戚而言,都是再重要不過的資訊。研究鑀元素能使我們理解整排錒系元素的模式規律,對各種放射性元素和同位素的個性特質也能有更完整的圖像。

所以囉,打從元素週期表的概念被建立以來,往週期表的邊疆探索,就是核子物理和化學的重大目標,這目標也不停為科學帶來技術和觀念上的突破。今年 2 月,柏克萊實驗室的 Rebecca Abergel 所帶領的團隊發表了最新的實驗結果,為鑀元素的化學性質探測寫下里程碑。

因為蒐集足量的純鑀金屬太困難了,實驗團隊乾脆丟棄傳統的 X 光晶體學方法,反而選用有機分子夾住鑀元素,再透過吸收光譜等方法探測鑀原子的鍵結長度和其物理化學性質。Rebecca Abergel 表示:「鍵結的長度也許聽起來沒多有趣,但它其實是重要的初步資訊,它能使我們了解這個元素和其他原子連結的型態,並預測它可能和其他原子產生何種反應。」

要完成這項測量並不容易,除了要合成夠多的鑀原子,打造出合適的測量樣本,還得趕在鑀元素衰變前進行所有實驗。儘管團隊選用的鑀-254 有兩百多天的半衰期,先前的研究計畫卻被疫情無情打斷。隔離期間不能進行實驗,製備好的鑀樣本也就慢慢地在實驗室中衰變死掉。當實驗重啟時,絕大部分的樣本都已無法使用。所幸隔離前完成的結果夠完整,團隊才能整理並發表階段性的研究結果。

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「鑀」是通往週期表未知區域的重大關鍵。圖/Pixabay

先前提到可以用中子束轟炸較輕的元素來合成鑀原子;同樣的,若能聚集到足量的純鑀,就能以中子束轟炸純鑀,合成出更重的原子。巨大的鑀原子握有通往週期表未知邊緣的秘密,若能將其完全馴服,就能往週期表的更遠處推進,解開更多超重元素的謎團。現在我們的科學家有了「鑀」,科學於焉展開。

參考資料

  1. Lawrence Berkeley National Laboratory. (2021, February 6). Discoveries at the edge of the periodic table: First ever measurements of einsteinium: Experiments scientists on this highly radioactive element reveal some unexpected properties. ScienceDaily.
  2. Mysterious Element ‘Einsteinium’ Measured by Scientists For The First Time
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linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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兩百年前的原子量是怎麼誕生的?
姚荏富_96
・2021/03/08 ・2248字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

說到原子量大家可能想到的就是什麼氧是 16、碳是 12……之類的元素與數字的關係,但你知道為什麼氧是 16 碳應該是 12 嗎?又或者原子量到底要用來幹嘛的呢?我想大部分的人在課堂中並不會得到比較具體的答案,所以筆者想在這裡和大家聊聊原子量到底是什麼。

原子量其實就是「一顆原子的質量」,今天如果想要測量一個物質的質量,通常是把物質放到天秤上來測量,但若要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,並不是不可能啦,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到(當然,還有要用什麼砝碼來跟「一顆原子」平衡,什麼樣的天秤才足夠靈敏之類的問題)。

要把「一顆原子」放到天秤上測量質量,其實並不是不可能,但這就要用到 2018 年的諾貝爾物理學獎的「光聶」技術,才有可能做到。圖/Wikipedia

有趣的是,早在 18 世紀末期,原子量就出現了!還有具體的數字以及對照表(雖然說跟現在比起來有不少的誤差),兩百多年前可沒什麼「光聶」可以用,想必當時的科學家肯定不是用天秤量出「一顆原子」的質量,那這些原子量是怎麼出現的呢?

當年「元素」是物質的「最純形態」

在 18 世紀後期,科學家們將組成物質的「最純型態」叫做「元素」,而組成物質的「最小單位」叫做「原子」。

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在十八世紀以前雖然有「原子」這種講法,但當時「原子」與我們現在所學的概念並不相同;在更早以前的人認為所有的物質拆到最小都會是同樣的原子小球,會有不同元素的差異是因為原子排列方式的不同所造成。但其實「每種元素都有屬於自己的原子」,像是氫就有氫原子、氧就有氧原子,你是什麼元素就會決定你是什麼原子。

而這些概念的確立就要討論到 18 世紀末期科學家陸續發現的「定比定律」以及「倍比定律」兩大定律。

定比定律是同一種化合物他裡面的成分質量比都會是固定的,以水為例,水中含有氫與氧,但不管是你的合成水或是野外裝到的水,他的質量比都會是 1:8,這就好像上帝的食譜一樣,每個化合物都會有自己的元素配方和指定的質量比例。

而倍比定律呢?則是成份元素如果種類相同的話,每種物質他們的相同的元素也會出現簡單的整數比關係。舉例來說,甲烷和乙烯兩個都是由碳與氫組成的化合物,這時候分析裡面碳與氫的質量組成比例,就會發現當我碳固定質量時,甲烷和乙烯的的氫質量比就會呈現 2:1。

瞭解這兩個原理之後,科學家發現了相同化合物裡面的元素質量,和不同化合物的元素質量之間,都有著微妙的比例關係;但他們有一個問題遲遲無法解決,那就是不同元素的「一份」應該分別是多重。

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這時英國科學家道爾吞在 1803 年開了第一槍,他將化合物分為最簡單的二元(AB)、三元(A2B or AB2)以及四元(AB3 or A3B),並簡單粗暴的認定如果 A、B 兩種元素組合後只能有一種化合物的話,那這種化合物就會是一比一組成的二元化合物。現在看來這個判斷稍嫌武斷,但如果道爾吞沒有這樣定義的話原子量的概念就不會這麼早出來。

如果道爾吞沒有將化合物定義為最簡單的二元(AB)、三元(A2B or AB2)以及四元(AB3 or A3B),原子量的概念就不會這麼早出來。圖/Wikipedia

道爾吞依據前面的兩個定律與他提出的組成原則,將化合物中通常質量比數字都是最小的氫定為原子量 1(雖然現在我們的氫也是 1,但與這時的氫原子量概念並不完全相同),並以此為基準做了大量的原子量計算。

像是根據氨的重量分析,其中氫和氮的重量組成 20:80,那依照上面氫原子量是一的情況下,氮的原子量就是 4(現在看是錯的喇,因為當時他認為氨是 NH 但事實上氨是 NH3);又或者是根據水的重量分析,其中氫與氧的重量組成是 15:85,所以氧的原子量是 5.66,又再用氧的原子量去分析碳酸氣(二氧化碳),得出碳的原子量就是 4.5。

以上述的原子量推定方式來看就可以知道原子量並不是一個絕對的數字,而是一個相對質量的概念,所以原子量又可以稱之為相對原子質量。

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不過你可能會覺得 18、19 世紀的原子量跟我們現在學的數字根本就不一樣,但這又是另一個故事了,我們暫且打住。

原子量的測定邏輯,基本上還是從道爾吞製作的第一張原子量表延續到現在,其概念就是「既然我們無法抓一顆原子來測定他的質量,我們還可以找出物質化合的質量比例,來找出不同元素的原子之間他們的相對質量」而這就是原子量的基本概念。

相關科學史事件

  •  1789 年:愛爾蘭化學家希金斯發表《燃素與反燃素理論的比較》,除了支持拉瓦節的觀點外,他也推測原子只能按一定比例進行化合
  • 1792~1802 年:李希特(J.B Richter)提出定比定律
  • 1799 年:法國藥劑師普羅斯用人工與天然的鹽基碳酸銅去做測定,確定定比定律
  • 1800 年:戴維在《化學和哲學研究》分析了 N2O、NO、NO2 的重量組成(倍比定律的起始)
  • 1801 年:貝托萊在《親和力之定律的研究》中反對定比定律
  • 1803 年:道爾吞在論文中假定原子按簡單比例化合
  • 1804 年:道爾吞分析甲烷和乙烯之比例,提出倍比定律
  • 1808 年:道爾吞出版《化學哲學新體系》

參考資料

  1. 化學通史—凡異出版
  2. 化學史傳—商務印書館
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姚荏富_96
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成大化學畢,文字/影像工作者,LIS初代科學史圖書館,著有《科學史上最有梗的20堂化學課》。興趣廣泛,涉足科普寫作、影像製作、投資理財、社會觀察、社群經營......技能樹持續擴張中,目標是將學會的知識或技能用有趣簡單的方式分享給大家。