不只有玛丽·居礼:元素周期表背后的女性科学家

将几十种化学元素集中到元素周期表上的功劳并无法归结到一个人或是一个时间点上。无论是在门得列夫于1869年提出元素周期表雏形之前还是之后,科学家们都在不断对化学元素进行分类和预测,还有更多科研人员努力寻找和解释这些新的物质。惰性气体、放射性、同位素、次原子粒子1和量子力学这些概念在十九世纪中叶都还未问世。

在这里,我们将介绍那些彻底改变我们对元素理解的女性科学家们。玛丽.居礼(Marie Curie,亦常称为居礼夫人)是最著名的,她因为研究放射性以及发现了钋和镭而两次获得诺贝尔奖,而其他女性则悄无声息地隐入了幕后。同样被忽略的还有她们的研究与人格特质,譬如不断开展实验、仔细筛选数据、重新评估理论的那种坚韧和勤奋。

要证明一种新元素的发现非常困难。首先,要发现不同寻常的特性——不能归因于已知元素的化学行为或物理性质,例如无法解释的放射性辐射或光谱线。其次,必须分离出足够量的该种元素或其化合物,以便对其进行称重、测试并说服他人。

找寻与梳理元素的科学家们

1897 年,玛丽.居礼开始攻读博士学位,她对「铀射线」进行研究的时候并没有要寻找新的元素。她想探索的是1896 年亨利.贝可勒尔(Henri Becquerel)刚刚发现的放射性这一概念。她发现沥青铀矿的放射性之大无法单单用铀来解释,于是推测是否存在其他元素,并找来了她的丈夫皮埃尔帮忙。

1898年,他们确定了两种新元素——镭和钋的光谱线。然后他们花了三年多的时间研磨、溶解、煮沸、过滤、结晶数吨矿石,才提取了0.1 克镭化合物。(他们也试图分离钋,但实在过于困难,因为它的半衰期太短了。)1903 年,居礼夫妇和贝可勒尔因为发现放射性而共同获得了诺贝尔奖;1911 年,玛丽.居礼因为发现镭和钋,并成功对镭进行分离和研究而再次获得诺贝尔奖。

要确定一种元素在元素周期表中的位置,主要依据的是其原子量和化学性质。像是镭的化学行为与钡很接近,并且原子质量比钡更重,因此在元素周期表中刚好排在钡后面。但确定原子量非常困难,因为必须要通过纯物质进行测定。

具有相似原子量和特性的元素很难被区分。就在门得列夫制作好元素周期表之后,俄罗斯化学家朱莉娅.勒蒙托娃(Julia Lermontov)接受了这一挑战——也可能是在门得列夫的要求下——对铂族金属(钌、铑、钯、锇、铱和铂)的分离过程进行改良。这是帮它们排列顺序的先决条件。(据我们所知)关于勒蒙托娃工作唯一的记载只有在门得列夫的档案以及他们联系来往的信件当中。勒蒙托娃在德国海德堡学习化学,师从罗伯特.本生(Robert Bunsen,1860年与古斯塔夫.基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)使用他们新发明的光谱仪发现了铯和铷)。1874 年,勒蒙托娃成为了德国历史上第一位获得化学博士学位的女性。

精确测量原子量的值对于计算放射性衰变系*,以及区分现有的新元素和已知元素的未知变体——同位素也是至关重要的。同位素的概念解决了一个重大问题:似乎有许多新元素突然涌现出来,但元素周期表中并没有那么多位置。虽然同位素这个概念是由英国化学家弗雷德里克.索迪(Frederick Soddy)在1913年提出来的,但是这一术语(在希腊文中意为「同一个地方」)最早是玛格丽特.托德(Margaret Todd)医生在一次晚宴上提出的。

波兰犹太化学家斯蒂芬妮.霍洛维茨(Stefanie Horovitz)很快就提供了同位素的实验证据。她在维也纳的镭研究所工作,她证明即使像铅这样常见的元素也可能具有不同的原子量,具体取决于它是由铀还是钍的放射性衰变而来

另一个问题便是镭的「放射物」的本质是什么,是颗粒还是气体?加拿大物理学研究生哈丽特.布鲁克斯(Harriet Brooks)在加拿大麦吉尔大学与她的老师欧内斯特.卢瑟福(Ernest Rutherford)一起解决了这个问题。布鲁克斯和卢瑟福在1901年提出放射物的扩散就如同厚重的气体,这是证明放射性衰变过程可能产生新元素的第一个证据。1907年,威廉.拉姆齐(William Ramsay)认为这种后来被命名为氡的气体属于「氦元素族」——现在被称为惰性气体。

1902 年,卢瑟福和索迪宣布了他们的放射性衰变理论:原子在发出放射线的同时自发地衰变成新的原子。卢瑟福因其研究成果获得了1908 年的诺贝尔化学奖。布鲁克斯发现氡是第一步,也是至关重要的一步,但人们却很少记得她。虽然第一篇论文是由布鲁克斯和卢瑟福共同写作的,但后来发表在《自然》上的另一篇论文就只有卢瑟福的名字了——仅仅注明布鲁克斯为卢瑟福提供了协助。布鲁克斯发现她作为一名女性很难获得长期职位(特别是结婚后),和进行稳定深入的研究。

进一步探索和归纳元素的科学家们

有关原子核物理特性的新见解持续不断地涌现出来。1917-1918 年,物理学家莉泽.迈特纳(Lise Meitner)和化学家奥托.哈恩(Otto Hahn)在柏林发现了第 91 号元素——鏷。迈特纳是奥地利人,在获得博士学位后前往德国寻找更好的职业发展机会。1907 年,她被柏林大学化学系的哈恩录用,成为其无偿合作者。她不得不在地下室工作——因为女性不应该被看到。1913 年,在哈恩调任至柏林-达勒姆的威廉大帝化学研究所(Kaiser-Wilhelm Institute for Chemistry)后,她成为该研究所的「合伙人」。

哈恩和迈特纳在放射性衰变系中寻找锕的「母物质」(mother substance)时,发现了鏷。当时寻找新元素的竞争十分激烈,因此有关孰先孰后的纠纷不可避免地随之而来。哈恩和迈特纳最终被认定为是第一个发现鏷的团体,因为他们收集的物质量更多且对该物质特性的研究比其竞争对手更为完整。

另一个元素,第 75 号元素铼,于1925 年由德国化学家伊达.诺达克(Ida Noddack)和她的丈夫沃尔特.诺达克(Walter Noddack)在柏林发现,与他们合作的还有电气工程公司Siemens-Halske(后来并入Siemens 子公司)的奥托.伯格(Otto Berg)。伊达.诺达克原本是一名化学工程师,但是她放弃了化工行业的工作而去寻找新元素。1925 年,她开始在柏林的帝国物理和技术研究所担任无偿客座研究员,当时沃尔特在那里担任化学实验室的负责人。诺达克夫妇努力制备了可称量的铼——以莱茵河命名;铼是地球上最稀有的元素之一,不具有放射性。

诺达克夫妇还宣称找到了第43号元素,他们称之为鎷(以波兰马苏里亚命名)。但他们从未成功地再现其光谱线或分离出这种物质。事实上,使用「湿化学2」方法研究这种元素是没有用的。1937年,第43号元素成为第一个人工制备而成的元素,被命名为鍀。

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