Curie 100

「 Be less curious about people and more curious about ideas.」

-- 居禮夫人

居禮夫婦發現了鐳 (Radium)

(1898 年 12 月 )

 

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1898 年 12 月：居禮夫婦發現了鐳 (Radium)

國立臺灣大學化學系 陳竹亭 教授 責任編輯

十九世紀的女性物理學家少之又少，夫妻研究團隊更是少見。皮耶合和瑪麗亞•居禮（ Pierreand MarieCurie ）不僅因此流芳歷史，他們還更因在科學上的合作，發現了放射線和元素週期表上的二個新元素，而共享諾貝爾物理獎。

居禮 夫人是波蘭人，原名瑪麗亞•斯克羅多夫斯卡（ Maria Sklodowska ），父親是教師，但當波蘭被奧地利、普魯士與沙皇俄國瓜分佔領時，他熱愛波蘭的情操導致他喪失了崇高的工作。

她們雖家境貧窮，但她的父親讓瑪麗亞與她的兄弟姊妹都能學習古典文學和科學。

瑪麗亞因當時的大學禁收女學生，無法進入華沙大學，所以她和姊姊 Broya ，以及其他幾位朋友一起上「流動大學」，這是間非法的夜間學校，常常更換上課地點，以逃避專制政權的追查。後來她還當了好幾年的家庭教師，以幫助在巴黎上醫學院的姊姊 Broya 繳交學費。

終於輪到她了。瑪麗亞於 1891 年秋天起程前往巴黎，到著名的巴黎大學 Sorboe 校區展開求學生涯。雖然她的數學和科學基礎嚴重不足，但她很認真地從後追趕，終於以第一名得到物理學位，隔年再以第二名獲得數學學位。
1894 年春天，瑪麗亞尋找實驗室時，命中注定認識皮耶合•居禮，他比瑪麗亞年長約 10 歲，是研究磁學的先驅科學家。

皮耶合的父親是位受人尊敬的醫生，所以他小時候即擁有私人家教，他也很快地展現出數學方面的天賦與興趣。皮耶合於 18 歲獲得碩士學位，三年後就和他哥哥 Jacques 發現了壓電效應。

居禮兄弟發現，對某些晶體施加壓力時，它們會產生電壓；又若將這些晶體置於電場中，它們會被壓縮而變形。他們利用此效應建造了一個石英壓電電流計來測量微弱的電流，以利瑪麗亞在研究中使用。皮耶合後來發現了磁性和溫度間的基本關係，現在稱磁性物質加溫至特定溫度時，磁性會消失的溫度點為「居里點」。多虧瑪麗亞的鼓勵，皮耶合將此研究寫 成 博士論文，於 1895 年 3 月獲得博士學位，還在市立大學獲升為教授，三個月後，他們兩人結婚。

至於瑪麗亞自己的博士學位，她選擇研究神秘的鈾射線，這是在倫琴（ Wilhelm Roetge ）發現 X 光的幾個月後， Heri Becquerel 於 1896 年初所發現的。瑪麗亞做了無數個實驗，證實了 Becquerel 的觀測—鈾射線無論是固體或粉末狀、在純鈾或鈾的化合物中、濕的或乾的、是否暴露於光或熱中所造成的電效應都是相同的。她還證明 Becquerel 的結論—鈾濃度越高的礦石所放出的射線也越強，確實無誤。

瑪麗亞從這些發現做了更進一步的假設：鈾化合物所放射出的射線是鈾元素的原子性質，源自於鈾原子的基本結構。她創造了一個詞「放射線」來描述這種奇特效應，同時發現釷化合物也有此特性。

皮耶合對於瑪麗亞的發現深感興趣，所以加入她的研究行列。瑪麗亞發現兩種鈾礦，瀝青鈾礦和磷酸銅鈾，都比純鈾礦的放射線要強很多，所以下結論說，這些高度放射性的本質是由尚未發現的元素所造成。做為合作伙伴，居禮夫婦努力將這兩種礦石裡面的物質分離，然後使用電流計測量其放射線，以「追蹤」在一小塊礦石中極微量的未知放射性元素。

他們發現有一小塊的放射線很強烈，因此，雖然它的化學行為很像「鉍」（bismuth ），但應該是新元素。他們將此新元素取名為「釙」（ polonium ）。

1898 年 12 月，他們在鋇化合物中發現了第二個新元素，取名為「鐳」（radium ）。為了取信於存疑的科學界，證明這些確實是新元素，居禮夫婦必須將新元素分離出來。瑪麗亞花了三年多的時間才分離出 0.1 克 的純氯化鐳，但她從未能成功地分離出釙，因為釙的半衰期太短了，只有 138 天。甚至當她正在做實驗時，原料中的釙仍在快速地衰變。

由於居禮夫婦的合作研究，使得人們幾乎能立刻應用放射性物質於醫學上，因為在治療癌症或其他疾病時，同位素比手術或化學藥劑更安全、有效。直至今日，人們仍使用放射性同位素做為「顯影素」，以追蹤化學變化和生物過程。

皮耶合很快地瞭解到利用放射線衰變做為鑑定物質年代的潛力，地球的年齡被認為是幾十億年，就是研究鈾衰變而得知的。 1903 年，法國科學院提名 Becquerel 和皮耶合為諾貝爾物理獎的候選人，獨漏瑪麗亞。一名叫 MagnusGoesta Mittag-Leffler 的瑞典數學家是提名委員會的委員，也是女性科學家的鼓吹者，對此提出了異議，因此瑪麗亞也列入了提名。三位科學家於是在 1903 年 12 月同享諾貝爾獎。

取材自美國物理學院網上資料： http://www.aip.org/history/curie/contents

 

( 陳碧霜老師整理提供 )

 

十大美麗化學實驗

居禮（ Curie ）夫婦發現釙（ Polonium ）與鐳（ Radium ）元素

 

文章由 hp1 發表於

十大美麗化學實驗－－居禮（ Curie ）夫婦發現釙（ Polonium ）與鐳（ Radium ）元素

國立臺灣大學化學系李俊毅 / 國立臺灣大學化學系 林雅凡 博士責任編輯

當今舉世公認 居禮 夫人（ Marie Curie ， 1867-1934 ）為女性科學家的表率，而她與丈夫皮耶（ Pierre Curie ， 1859-1906 ，圖一）發現放射性元素的歷程一直是學習科學必讀的經典故事。

1896 年貝克勒（ Henri Becquerel ）發現鈾鹽會放出「看不見的光」，這種光和磷光（ phosphorescence ）不一樣，磷光需要由外在環境提供能量才會放光，但是鈾鹽似乎本身就會釋放出光線。從現在的觀點來看，貝克勒事實上是發現了放射性（ radioactivity ）。居禮夫人注意到了這個發現，於是她選擇鈾鹽的放射性當作博士論文研究主題，並且使用了丈夫皮耶在十五年前發明的靜電計（ electrometer ），這種儀器的精密度非常高，可偵測極微弱的電流。居禮夫人發現鈾鹽會使周圍的空氣導電度增加，可由此來鑑定放射線的強度。

居禮 夫人測量了瀝青鈾礦（ pitchblende ）的放射性，瀝青鈾礦含有 75% 的氧化鈾（ UO 2 ），放射強度卻是氧化鈾的四倍，因此她推測礦物中應該另外存在比純鈾更活潑的物質，後來便是由瀝青鈾礦中提煉出釙（ polonium ， Po ，以 居禮 夫人的故鄉波蘭命名）與鐳（ radium ， Ra ）兩種新元素。瀝青鈾礦是種組成複雜的礦物，雖然釙在其中的含量比鐳還低，但是釙的化學性質與其他礦物中的化合物均不同，比較容易鑑定（儘管元素態釙因半衰期過短而未能取得）。鐳就麻煩多了，因為鐳的性質與鋇相似，而鐳和鋇在瀝青鈾礦都存在著。

居禮夫婦先假設放射性來自於元素本身的性質，而創造出一種新的分離方法，就是每做一次分離就測量分離物質的放射性，若是方法正確，所得物質的放射性應該會越來越高。他們首先先從一噸的瀝青鈾礦中分離出 10~ 20 公斤 含有微量硫酸鐳的硫酸鋇，再將硫酸鹽轉化成氯鹽。在氯鹽中鐳的比例僅佔有十萬分之三，透過氯化鐳比氯化鋇的溶解度還差的性質，經過好幾年、數千次的再結晶，終於從數十噸的礦石中得到 零點一克 的鹽類殘渣。居禮夫婦原以為他們的實驗失敗，所以相當灰心地出外走走，不過 居禮 夫人不論怎麼想都覺得實驗方向應該是正確的，沒理由失敗啊。等到夜晚再度回到實驗室外，居禮夫婦看到窗戶 內的殘渣正發出閃亮的光芒，多麼感動的一刻呀！發光的殘渣正是純的氯化鐳（radium chloride ， RaCl 2 ），時年 1898 年。

整個過程都是在非常簡陋的小屋進行，漏水、夏天炙熱、冬天酷寒，惡劣環境並未澆熄他們的熱情，每天除了皮耶授課、居禮整理家務外，夫婦剩下的時間都投入實驗，日復一日的重覆工作。堅毅的 居禮 夫人說：「就算要我花一輩子的時間來分離鋇和鐳，我也不會後悔。」

氯化鐳透過光譜分析偵測到新的元素特徵譜線，因而證明新元素的發現（不過元素態的鐳，直到皮耶過世後四年， 居禮 夫人才在氫氣下電解氯化鐳而得）。氯化鐳放射性是鈾的五百萬倍，所以放射性才會強到足以直接用肉眼觀察。雖然這是居禮夫婦多年辛勤工作的結晶，但是 居禮 夫人認為科學發現不應該占為己有，因而沒有申請專利。後來鐳廣泛應用在放射治療上， 居禮 夫人均未分到一杯羹，她還熱心地在一次世界大戰時供給鐳以供醫療。

居禮夫婦的相知相惜是科學界上的一段佳話，皮耶幫助 居禮 夫人完 成 博士學業，也尊重她的貢獻。 居禮 夫人除了辛勤研究外，同時努力扮演好持家的角色。除了居禮夫婦於 1903 年共獲諾貝爾物理獎， 1911 年 居禮 夫人獨獲諾貝爾化學獎外， 居禮 夫人的大女兒與女婿於 1935 年因放射性研究共獲諾貝爾化學獎，小女兒的丈夫作為聯合國兒童基金會執行長則在 1965 年代表領取諾貝爾和平獎。總計居禮一家共獲六座諾貝爾獎，至今未有其他世家能望其項背。

居禮 夫人不求浮名虛利的風範流傳千古，實難以用一篇千字文便能形容，就用底下這段小故事作為結尾吧：

有一天 居禮 夫人的朋友到她家作客，忽然看見她的小女兒正在玩英國皇家學會剛頒給她的一枚金質獎章，不禁大吃一驚，忙問：「 居禮 夫人，英國皇家學會的獎章是極高的榮譽，妳怎麼能給孩子玩呢？」 居禮 夫人笑了笑說：「我是想讓孩子們從小就知道，榮譽就像玩具，只能玩玩而已，絕不能永遠守著它，否則就將一事無成。」

參考資料：
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. 王道還 『科學史上的這個月── 1903 年 6 月 居禮 夫人獲得博士學位』 科學發展 2002 年　 6 月， 354 期， 72 ~ 74 頁

( 陳碧霜老師整理提供 )