《【牛津通識課10】元素週期表》：原子研究與「物理學入侵元素週期表」-江淹梦笔网

文：艾瑞克・希瑞（Eric R. Scerri）

物理學入侵元素週期表

雖然約翰．道耳頓已經重新引入原子的牛津概念，化學家之間還是通識充滿爭論，大多數人拒絕接受原子的課元存在，門得列夫就是素週素週持懷疑態度的其中一位。但如同我們在上一章所見，期表侵元期表這並不妨礙他發表出當時最成功的原研週期系統。進入二十世紀後，究與經過愛因斯坦等物理學家的物理研究後，原子確實存在的學入想法越來越穩固。愛因斯坦在一九○五年發表一篇關於布朗運動的牛津論文，利用統計方法提出原子存在的通識決定性理論證明，實驗層面的課元證據則很快由法國實驗物理學家讓．佩蘭（Jean Perrin）提出。

伴隨這項變化的素週素週還有各式各樣探索原子結構的研究，這些發展對從理論上理解週期系統帶來重大影響。期表侵元期表在本章中，原研我們會探討這些原子研究以及二十世紀物理學幾項重大發現，這些發現促成了我所謂的「物理學入侵元素週期表」。

一八九七年，傳奇人物湯姆森（J. J. Thomson）在劍橋大學卡文迪許實驗室發現電子，這是首次發現次原子粒子，也是首次透露原子具有次結構。一八九五年，威廉．倫琴（Wilhelm Konrad Röntgen）在德國符茲堡發現X射線。這些新的射線很快就會被亨利．莫斯利善加利用，這位年輕的物理學家先是在曼徹斯特工作，其餘的短暫科學生涯則在牛津度過。

倫琴發現X射線後僅一年，在巴黎的亨利．貝克勒（Henri Becquerel）就發現了一個非常重要的現象，稱為放射性—某些原子在自發性分裂時，會發射出多種新的射線。「放射性」這個詞是由波蘭出生的瑪麗．斯克沃多夫斯卡（Marie Sklodowska，後來的居禮夫人）創造的，她和丈夫皮耶．居禮開始研究這個危險的新現象，並很快發現兩個新元素，分別稱之為釙和鐳。

藉由研究原子在進行放射性衰變時如何分裂，就可以更有效地探測原子的組成，探討支配原子轉化為其他原子的法則。因此，儘管元素週期表處理的是不同的元素個體或其原子，但似乎也有個特徵，允許某些原子在對的情況下轉換成其他原子。例如，失去一個α粒子（由兩個質子和兩個中子組成的氦核），就會得到原子序下降兩個單位的元素。

同時期另一個深具影響力的物理學家是歐內斯特．拉塞福（Ernest Rutherford）。他是紐西蘭人，曾在劍橋大學從事研究，之後又待過麥吉爾大學（McGill University）和曼徹斯特大學，接著回到劍橋，接續湯姆森在卡文迪許實驗室擔任主任。拉塞福在原子物理學的貢獻眾多且各異其趣，包括發現放射性衰變的定律，也是第一個「分裂原子」的人。

他還是第一個將元素「蛻變」（transmutation）為其他新元素的人。拉塞福實現了人工模擬放射性過程，同樣產生了完全不同元素的原子，並再次強調所有物質本質上都是同一的。這剛好是門得列夫畢生強烈反對的想法。

拉塞福的另一個發現是原子的核模型，這個概念現在已被人們所接受，就是原子中心有一個原子核，周圍環繞著帶負電的電子。他在劍橋大學的前輩湯姆森，曾認為原子是由一個帶正電的球體構成，裡頭的電子以環狀圍繞著它運行。

然而，第一個提出類似迷你太陽系的核子模型的人不是拉塞福。這個榮譽屬於法國物理學家讓．佩蘭（Jean Perrin），他在一九○○年提出負電子環繞著正核運動，像是行星環繞太陽。一九○三年，日本學者長岡半太郎賦予這個天文類比新的轉折。他提出土星模型，其中電子取代著名的土星環。但是佩林和長岡都無法提供任何實驗證據支持他們的原子模型，而拉塞福可以。

拉塞福和年輕的同事蓋格（Geiger）與馬斯登（Marsden）對著一張金箔發射一束α粒子，得到非常驚人的結果。雖然大部分的α粒子都還算順利地通過金箔，卻也有相當數量的粒子以非常傾斜的角度反彈回來。拉塞福的結論是，金原子或其他任何物質的原子，內部絕大部分空空如也，但中央有一個高密度的核，所以某些α粒子才會往後散射回來。

因此，大自然比人們先前所想的還要靈活多變。例如，門得列夫曾認為元素是絕對獨立的，他不接受元素可以轉換成不同元素這種想法。當居禮夫婦公布他們的實驗結果，提出原子分裂時，門得列夫便動身前往巴黎親自察看證據，但他不久後就去世了，所以我們也不清楚他參觀實驗室後是否接受了這個激進的新概念。

X射線

一八九五年，德國物理學家倫琴有了一項重大發現。在這之前，他的研究成果都不怎麼特別。如同原子物理學家埃米利奧．塞格雷（Emilio Segrè）後來寫的：「一八九五年之前，倫琴寫了四十八篇論文，現在根本沒人記得。他的第四十九篇為他帶來巨大的收穫。」

倫琴當時是在研究電流在一種名為克魯克斯管（Crookes tube）的真空玻璃管中如何表現。過程中，倫琴注意到與他實驗無關的某個物體，在實驗室的另一邊發出微光。那是一個塗上鉑氰化鋇的屏幕。他很快就確定那道微光不是來自電流，並推論在這個克魯克斯管裡可能產生某種新型射線。沒多久，倫琴就發現X射線最為人熟知的特性，那就是可以用來產生手的影像，清楚顯示手骨輪廓。帶來許多強大醫學應用的新技術於是誕生。祕密研究七週後，倫琴準備好向符茲堡物理醫學學會（Würzburg Physical-Medical Society）發表他的結果。而他的新射線也將對當時毫無交集的兩個領域帶來巨大的衝擊。

人在巴黎的亨利．貝克勒拿到幾張倫琴最初的X射線影像，他對研究X射線和磷光的性質，即一些物質在陽光底下會發光的性質，兩者之間的關係很感興趣。為了驗證他的想法，貝克勒用厚紙包了一些鈾鹽，但因為天氣不好，沒有陽光，於是他暫時將這些材料收進抽屜裡。幸運的是，貝克勒碰巧將包好的鈾鹽放在未顯影的相片底片上。

幾天後打開抽屜時，他驚訝地發現明明沒有陽光照射，底片竟然出現鈾鹽的影像。這顯然說明，鈾鹽不受磷光過程的影響，會發出自己的射線。貝克勒發現的正是放射性，是一種自然過程，在某些材料中，原子核自發的衰變會產生強烈且在某些情況下是危險的放射物質。幾年後，瑪麗．居禮將這個現象稱為「放射性」。

貝克勒未能找到X射線和磷光之間任何關係。事實上，這些實驗裡頭根本沒有X射線，但他發現的現象在多個方面都具有重大意義。首先，放射性是探索物質與輻射重要的起步；第二，放射性間接帶動核子武器發展。

書籍介紹

本文摘錄自《【牛津通識課10】元素週期表：複雜宇宙的簡潔圖表》，日出出版

作者：艾瑞克・希瑞（Eric R. Scerri）
譯者：胡訢諄

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