超鈾元素與原子時代


1990年3月243期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1990、3 ＃期號：0243 ＃專欄：＃標題：超鈾元素與原子時代＃作者：劉康克．圖一：漫畫家筆下的伊痕‧居禮．圖二：1930年代科學家所假設的第六列和第七列的週期表（a）；目前正確的週期表和電子組態（b）。		超鈾元素與原子時代 1940年麥克米倫（E. McMillan）在柏克萊研究核分裂產物時，發現了原子序93的錼，這是第一個被發現的「超鈾元素」。西博格（G. T. Seaborg）稱之為一個古老夢想的實現──將一種元素變為另一種元素，有如「點石成金」術，這個發現至今恰好五十年。對超鈾元素的尋找，早在1930年代就開始了。在這尋找過程中，哈恩（O. Hahn）卻出奇不意的發現了「核分裂」，使人類開啟了核能之門。人類因而得以掌握超乎想像的大能量，卻也製成了最有毀滅性的武器。至今我們仍無法決定，這巨大的能量是普羅米修士盜得的天火，抑或是托奇恩（J.R.R. Tolkien）筆下的魔指環（註），一旦戴上就成了甩不掉的黑暗之源。這一段尋找超鈾元素而導入原子時代的過程，是近代科學史中，最戲劇化，也最發人深思的一段歷史（參見本期〈核分裂發現的曲折歷史〉及〈被遺忘的麥特納〉）。隨著近代化學的發展，自古流傳以來的煉丹術早已被人遺忘，「放射性」卻代之而起，成為一種新的神祕「巫術」。十九世紀末期，倫琴（W. C.Roentgen）發現Ｘ光，隨後貝克瑞（H. Becquerel）又發現鈾的放射線能隔著黑紙使底片感光，使得人類知道了有一種眼睛看不見，卻能穿透物質的射線，立時使「放射性」披上一層神祕的面紗。許多科幻小說把放射線當作惡魔的煉丹爐，放射線一照可以使科學家瘋狂，或者讓常人變為超人，甚至將螞蟻變為巨獸。居禮夫人的女兒伊痕‧居禮（Irène Curie），就曾被漫畫家比做用放射線害人的女巫（見圖一）。 1932年查德維克（J. Chadwick）發現了中子，現代的「煉丹師」有了新的工具來嘗試他們的「點石成金術」。費米（E. Fermi）首先利用中子照射鈾而造出放射性物質。他們的目的是在找超鈾元素，也就是合成的新元素。不久之後，各國的頂尖好手都加入了這個競賽，其中包括伊痕和她的先生焦立（F. Joliot）還有麥特納（L. Meitner）和哈恩等等。只要找到超鈾元素，就包管得諾貝爾獎。當時競爭之激烈，不亞於近年來在基本粒子或高溫超導上的競賽。沒想到造化作弄人，用中子照射鈾之後的主要放射性產物不是超鈾元素，卻是核分裂的產物。【瀏覽原件】 (1) 【瀏覽原件】 (2) 式（1）是超鈾元素錼-239和鈽-239的生成過程，式（2）是核分裂的一個例子，核分裂的產物大多有很強的放射性。因為原子核的中子過多，鈾-235分裂所釋放的能量平均是177 MeV,所以超鈾元素的放射性較後者低得多。因此，當時的歐洲科學家們都沒有找到超鈾元素，而也完全沒有想到核分裂的存在。事後來想，其實發現超鈾元素或發現核分裂並不難，問題是出在那裡呢？第一個錯誤是，當時的科學家對錒系元素的化學性質假設錯誤。圖二a是當時所做假設的第六列和第七列週期表的樣子。因為鈾（U）的性質有些像鎢（W），所以他們就把鈾對上了鎢，因此，元素93就被假設為「似錸」（Eka-Re），94為「似鋨」（Eka-Os），以此類推。所以當他們設法去找似錸的元素時，始終找不到。事實上，元素93（錼）的性質像鈾（見圖二b所示正確的週期表和電子組態）。要了解元素的化學性質就牽涉到電子結構的問題。吳大猷先生早在1933年，就計算了超鈾元素的電子軌域的能量（見本期〈超鈾元素的電子能階〉），顯示在鈾之後的錒系元素，其電子填到內層的5f軌域，因此性質應當像鈾。可惜當時科學家們之間的溝通並不太好，也有別的科學家討論了超鈾元素的化性，但沒有讓做中子照射實驗的科學家注意到（見本期〈核分裂發現的曲折歷史〉）。一直到 1940年，麥克米倫用中子照射鈾箔時，發現有些放射性物質無法跳出鈾箔，顯然不是核分裂產物，而證實是質量較大的錼-239，次年西博格發現了鈽-238（Pu-238）。當時科學家的另一項錯誤是，認為中子撞擊鈾之後，所產生的元素必然在鈾附近，所以一直無法辨別所產生的元素是什麼，直到1938年十二月，哈恩和史特拉斯曼才發現鈾經過中子撞擊後，所產生的一種元素，其性質像鐳（原子序88），但實際上更像鋇（原子序56）。這才奠定了核分裂的實驗證據。從超鈾元素與核分裂的研究歷史，我們看到科學家像小孩子一樣，懷著無限的好奇心，不斷的挖掘，但也犯著愚蠢的錯誤。然而，科學的真相終被發現，超鈾元素至今已有17種之多，週期表也到了元素第109（見圖二b），而科學家還在找尋原子序更大的超重元素。雖然，對科學家而言，放射性和超鈾元素早已不再神祕，但由於核能所具有的極大能量，人類擁有了毀滅自己的力量，而且這後果是不可逆的。面對這一段歷史，我們不得不謙卑，因為大自然的奧祕往往是難以想像的；就另一方面來說，我們既揭開了這奧祕，如何來管束它就成為我們的責任了，這也是科學與道德兩條「平行線」的交點吧！劉康克任職於中央研究院地球科學研究所；本刊總編輯註：J.R.R. Tolkien, The Lord of the Rings, Allen & Unwin, 1968.
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