元素帝國女功臣

◆本刊綜合

化學元素周期表已經(jīng)150歲高齡，為了給它“慶生”，聯(lián)合國教科文組織將今年定為“國際化學元素周期表年”。

何為化學元素周期表？化學元素周期表是根據(jù)原子序數(shù)從小到大排序的化學元素列表，特性相近的元素被歸于同一族中。看完這個解釋，沒有學過化學的同學或許還是不懂，但對化學元素周期表中的某些成員應(yīng)該比較熟悉，比如氧、氟、鋁、鈣 、鐵、銅、鋅等。

告訴你們，化學元素周期表這個“元素帝國”隊伍還在不斷壯大，成員越來越多。如今，“元素帝國”中有118個元素，每個元素都有自己的故事，而演繹這些故事的功臣們用其義無反顧的精神書寫了一部迂回曲折、蕩氣回腸的元素發(fā)現(xiàn)史。這些功臣中不乏女科學家，她們是閃耀化學領(lǐng)域的“玫瑰花”！

瑪麗·居里

瑪麗·居里通常被人們稱為居里夫人，是波蘭裔法國籍女物理學家、放射化學家。1898年，她和丈夫皮埃爾一起發(fā)現(xiàn)了84號元素釙(Po)和88號元素鐳(Ra)。

物理學家貝克勒爾發(fā)現(xiàn)貝克勒爾射線后，居里夫人決定對鈾射線進行深入研究。她覺得鈾不是唯一能發(fā)出射線的化學元素，于是對元素周期表中的元素逐一進行測定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)一種釷元素的化合物也能發(fā)出射線，這種射線與鈾射線相似。居里夫人認識到，能發(fā)出射線不只是鈾的特性，必須給它取一個新名稱，她提議叫“放射性”，而鈾、釷等具有特殊“放射”功能的物質(zhì)就叫做“放射性元素”。

礦物是否有放射性？在皮埃爾的幫助下，居里夫人測定了收集到的所有礦物，發(fā)現(xiàn)一種瀝青鈾礦的放射性強度比預(yù)計的大很多。經(jīng)過認真研究，她認為不能以這些瀝青鈾礦中鈾和釷的含量來解釋觀察到的放射性強度，推測瀝青鈾礦中還含有一種放射性很強的新元素。她要找到它！

居里夫人和皮埃爾一起探索未知元素，他們在潮濕的工作室里合力攻關(guān)。1898年7月，他們宣布發(fā)現(xiàn)了這種新元素，它的放射性比鈾強400倍。為了紀念祖國波蘭，居里夫人將這種新元素命名為“釙”。同年12月，居里夫婦又宣布發(fā)現(xiàn)了一種放射性元素，這種元素的放射性比釙還強，被命名為“鐳”。

當時很多科學家不相信居里夫婦，認為他們只是提出了假設(shè)。按照化學界的傳統(tǒng)，科學家在宣布發(fā)現(xiàn)新元素的時候必須拿出實物，并精確測定出它的原子量，而居里夫婦的報告中沒有釙和鐳的原子量，手頭也沒有樣品。

居里夫婦決定拿實物來證明。提煉釙和鐳元素需要足夠的瀝青鈾礦，而當時這種礦很稀少，價格又很昂貴，他們根本無法得到。這件事傳到奧地利后，奧地利政府贈送了他們1噸已提取過鈾的瀝青礦殘渣，他們這才開始提取鐳的實驗。

居里夫人每次把20多千克瀝青礦殘渣倒入冶煉鍋中熔化，連續(xù)幾個小時不停地用一根粗大的鐵棍攪動沸騰的材料，然后從中提取質(zhì)量僅占瀝青礦殘渣百萬分之一的鐳化合物。經(jīng)過3年多的艱苦工作，居里夫婦終于在1902年提煉出了0.1克氯化鐳，并初步測定出鐳的原子量。當時，他們也試圖分離釙，但著實困難。

1903年，居里夫婦和貝克勒爾因發(fā)現(xiàn)放射性而共同獲得諾貝爾物理學獎。1911年，居里夫人因發(fā)現(xiàn)鐳和釙并成功對鐳進行分離和研究而再次獲得諾貝爾獎，她是第一個獲得兩項諾貝爾獎的人，也是第一位獲得諾貝爾獎的女性。

居里夫人是放射性現(xiàn)象研究的先驅(qū)，她對放射性進行廣泛研究，并率先將放射性同位素應(yīng)用于癌癥治療。

當時，她做出了一個決定：不申請鐳處理方法和醫(yī)療應(yīng)用的專利，給出的理由是“我們都認為獲取經(jīng)濟利益違反了我們的純粹研究觀念”。由于過度暴露于放射性物質(zhì)，她最終死于再生障礙性貧血。

莉莎·邁特納

莉莎·邁特納是德國物理學家。在邁特納生活的那個時代，女性是不允許參與科學研究的，她作為一名猶太女性，投身科學研究更需要勇氣。

1907年秋天，邁特納獲得物理學博士學位。出于強烈的求知欲，她從維也納來到柏林，進入放射化學家奧托·哈恩所在的柏林研究所工作。值得一提的是，當時這個研究所不準許婦女進入里面工作，只因著名科學家、柏林大學化學教授埃米爾·菲舍爾慧眼識才，她才被安排在裝滿輻射檢測儀器的樓外木結(jié)構(gòu)工作間里，進出只能走外面的大門。才工作不久，邁特納就以哈恩助手的名義與哈恩一起發(fā)表了若干篇論文。

化學大師門捷列夫曾預(yù)言91號元素鏷（Pa）的存在，1913年，美國科學家法詹斯等人發(fā)現(xiàn)了鏷的同位素234Pa，234Pa是天然存在的238U衰變系列的短命成員，半衰期約為1.17分鐘。1918年，邁特納和哈恩所在的研究小組以及英國的一個研究小組各自發(fā)現(xiàn)了鏷的另一種同位素231Pa，231Pa是最穩(wěn)定的同位素，半衰期約為32 760年。邁特納所在的研究小組還發(fā)現(xiàn)了其他幾種放射性同位素。

鏷在放射衰變過程中產(chǎn)生錒，是錒的“祖先”。這種元素主要存在于瀝青鈾礦中，在地殼中的濃度為萬億分之幾。1927年，科學家只分離出2毫克鏷，主要用于研究實驗。

1938年，哈恩發(fā)現(xiàn)鈾原子經(jīng)過中子的轟擊會產(chǎn)生分裂，此后，邁特納計算出反應(yīng)過程中所釋放的能量，并將這種現(xiàn)象命名為“核裂變”。這一發(fā)現(xiàn)為后來的原子彈以及核能的和平利用提供了理論基礎(chǔ)。

在美國，人們尊稱邁特納為“原子彈之母”。其實，邁特納與原子彈沒有直接關(guān)系，甚至她還拒絕參與曼哈頓計劃，曼哈頓計劃是第二次世界大戰(zhàn)期間由美國陸軍部實施的一項原子彈研制計劃，是為第二次世界大戰(zhàn)的勝利服務(wù)的一項軍事工程。邁特納對于自己的研究成果被用于軍事領(lǐng)域有著復(fù)雜的感受，總是后悔自己為原子彈誕生提供了科研成果。

1944年，哈恩因發(fā)現(xiàn)核裂變而獲得諾貝爾化學獎，遺憾的是，邁特納完全被忽視了。有人認為，這是諾貝爾委員會有史以來最大的疏忽，也是諾貝爾委員會忽視女性科學成就的一個例證。

1966年以后，在原子物理領(lǐng)域工作了60年的邁特納真正受到了世界的關(guān)注。她曾在聯(lián)合國原子能委員會任職，并獲得了無數(shù)榮譽獎?wù)隆Ｔ谌鸬?，她還幫助建設(shè)了和平時期的第一批核反應(yīng)堆。

一直關(guān)注邁特納的愛因斯坦稱她為“德國的瑪麗·居里”。為了紀念她在元素化學方面做出的貢獻，109號化學元素钅麥（Mt）以她的名字命名。

伊達.塔克

伊達·塔克是德國化學家，擅長分析化學，對元素周期表有深入的研究。

20世紀初，鎢絲燈剛被發(fā)明出來時，敏銳的商人們就從中嗅到了商機：既然74號元素鎢具有良好的性質(zhì)，那么緊隨其后的75號元素的熔點可能比鎢更高，用它或許可以制造更耐高溫的電氣設(shè)備。然而遺憾的是，當時沒有人見過它的真面目。

有需求就有動力，一時間，眾多科學家前仆后繼，試圖揭開75號元素的神秘面紗。1922年，伊達·塔克和沃爾特·諾達克加入到尋找它的大軍中。那時，塔克年僅26歲，一年前獲得博士學位，是個不折不扣的女學霸。她是德國第一位在大學擔任教職的女化學家，曾3次獲得諾貝爾化學獎提名。

門捷列夫在設(shè)計元素周期表時認為與錳同族的75號元素必定是錳的類似物。塔克和諾達克幾乎搜羅了當時所有關(guān)于發(fā)現(xiàn)錳的類似物的論文，并根據(jù)元素周期律推測75號元素的性質(zhì)，之后，他們找光譜學家伯格幫忙，三人從世界各地收集了鉑礦、軟錳礦、鈮鐵礦、輝鉬礦等1000多種礦石，在實驗室中堆出了一座小山。

研究過程十分枯燥，他們每天的任務(wù)就是從小山上取幾塊礦石觀測其X射線光譜，然后將觀測結(jié)果與英國物理學家莫塞萊推算的75號元素的X射線波長作比較。1925年5月，他們終于對外宣布從鉑礦和鈮鐵礦中發(fā)現(xiàn)了75號元素的蹤跡。

在幾年的朝夕相處中，塔克和諾達克從同事發(fā)展為伴侶。由于塔克出生在萊茵河畔，諾達克便以萊茵河的名字將75號元素命名為“錸(Re)”。

1926年，塔克和諾達克結(jié)婚，名字改為伊達·諾達克。不久，他們又踏上了提取錸元素的征程。兩年間，他們走遍歐洲各地，搜集了鉭鐵礦、鈉長石礦、輝鉬礦等形形色色的礦石，最后從幾百千克礦石中提取出了120毫克錸。

錸為銀白色金屬，非常堅硬，具有很好的耐磨損性和耐腐蝕性，熔點很高，因此被廣泛用作質(zhì)譜計和離子測量儀的燈絲，也用作電接觸材料和熱電偶材料。

瑪格麗特·佩里

瑪格麗特·佩里是法國物理學家，19歲時擔任居里夫人的助理，得到了居里夫人的悉心指導。很快，佩里就學會了放射性元素的分離和純化。

在居里研究所，佩里的工作是從鈾礦中提取錒，以供居里夫人研究元素的衰變用。這樣枯燥的工作，她一干就是十年。

居里夫人逝世后，佩里繼續(xù)進行錒的放射性衰變研究。1939年，她在研究錒的放射性衰變時發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象，那就是在衰變反應(yīng)中形成的元素混合物中有一種她不認識的物質(zhì)，她決定找出這種物質(zhì)來一探究竟。

最終佩里發(fā)現(xiàn)了這種陌生的物質(zhì)，并證明其是一種新的化學元素，這種元素的原子序數(shù)為87。佩里為了紀念祖國法國，將這種元素命名為“鈁（Fr）”。

鈁天然存在于鈾礦中，是地殼中第二稀有元素。在所得的鈁中，233Fr是相對穩(wěn)定的同位素，但半衰期只有22分鐘，所以在自然界很難找到它。

1950年，佩里獲得法國科學院王爾德獎。10年后，她獲得法國皇家科學院獎、巴黎科學大獎等多個獎項。1962年，她當選法國科學院院士，是法國科學院選入的第一位女院士。

佩里發(fā)現(xiàn)了鈁，并希望能用它來診斷癌癥，但她卻深受其害，不幸患上了骨癌，于1975年去世。看來，對于從事輻射工作的科學家來說，采取有效的安全防護措施是十分必要的。

道恩.肖內(nèi)西

道恩·肖內(nèi)西是勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室重元素小組的首席研究員，擔任實驗核和放射化學小組組長。她領(lǐng)導的團隊致力于發(fā)現(xiàn)超重元素，因此她被譽為當代女性“煉金術(shù)士”。

超重元素是原子核為超重核的元素，它們只能在實驗室中合成，而且合成的難度很大。人工合成的極少數(shù)超重元素壽命在秒到微秒量級，其科學意義遠大于實用意義，比如它們能夠幫助我們揭示元素的起源，并回答元素存在的極限等問題。

肖內(nèi)西原本想當醫(yī)生，然而化學的魅力深深地吸引了她。1993年，她獲得加州大學伯克利分校化學學士學位，2000年獲得博士學位，后來進入勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室工作。她驚嘆核化學真是太神奇了，簡直就像“煉金術(shù)”一樣，可以制造出新的原子。116號元素就是她的團隊發(fā)現(xiàn)的，被命名為“Livermorium”，以紀念發(fā)現(xiàn)地之一的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室。2012年，國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會正式宣布將這種新元素添加到元素周期表中，2013年7月命名其中文名為“鉝”。

2015年，國際純粹與應(yīng)用化學聯(lián)合會批準在元素周期表中添加4個新元素，其中3個新元素是由肖內(nèi)西領(lǐng)導的研究小組與俄羅斯核反應(yīng)實驗室合作合成的，這3個新元素為115號元素Mc、117號元素Ts和118 號元素Og。2017年5月9日，中國科學院、國家語言文字工作委員會、全國科技名詞委員會聯(lián)合公布了4個新元素的中文名。

除了她們，在探索元素的道路上還有其他女性的身影，比如，俄羅斯化學家朱莉婭·勒蒙托娃完善鉑族金屬的分離過程；美國化學家達蓮娜·霍夫曼證明同位素鐨-257可以自發(fā)裂變，在自然界中發(fā)現(xiàn)了钚-244；法國化學家亨利·莫瓦桑分離出了氟。讓我們向這些偉大的女科學家們致敬！