元素周期表背后的女科學(xué)家

編譯 舒愉棉

為了尋找元素周期表中缺失的元素，德國(guó)化學(xué)家伊達(dá)·諾達(dá)克（Ida Noddack）離開(kāi)工業(yè)界投身相關(guān)研究，并最終成為錸的共同發(fā)現(xiàn)者

你數(shù)十種元素規(guī)整到一張周期表，這不僅僅是某個(gè)時(shí)間點(diǎn)某個(gè)科學(xué)家的研究故事，而是自1869年俄國(guó)科學(xué)家門捷列夫（Dmitri Mendeleev）提出元素周期表框架后，一代代科學(xué)家前赴后繼投入到元素分類、預(yù)測(cè)、對(duì)新發(fā)現(xiàn)物質(zhì)的特性闡述等工作的努力結(jié)果。在19世紀(jì)中葉，稀有氣體、放射性、同位素、亞原子粒子和量子力學(xué)都還屬于未知事物。

本文將聚焦那些顛覆我們對(duì)化學(xué)元素認(rèn)知的女科學(xué)家們。最著名的女科學(xué)家莫過(guò)于因?qū)Ψ派湫缘难芯恳约搬暫丸D的發(fā)現(xiàn)而兩次獲得諾貝爾獎(jiǎng)的居里夫人（瑪麗·居里，Marie Curie），而其他女科學(xué)家的故事則鮮為人知，這些科研貢獻(xiàn)背后的辛勤付出和科學(xué)家的堅(jiān)持不懈、勤奮不息亦鮮有人賞識(shí)。

證明一個(gè)新元素的發(fā)現(xiàn)是艱難的。第一步就是要尋找到與眾不同并且無(wú)法被歸結(jié)到任何已有元素的化學(xué)或物理特性，例如無(wú)法解釋的放射性射線發(fā)射或者光譜線。第二步則是需要對(duì)該元素或者它的化合物進(jìn)行提煉，并且要獲得足夠多的量來(lái)用以稱重、檢測(cè)和令其他科學(xué)家信服。

尋蹤覓跡

1897年，居里夫人開(kāi)始攻讀博士學(xué)位，當(dāng)時(shí)她的研究方向并非是尋找新化學(xué)元素，而是鈾射線研究。她想要對(duì)放射性進(jìn)行研究，而這一現(xiàn)象剛由亨利·貝克雷爾（Henri Becquerel ）在1896年發(fā)現(xiàn)。居里夫人發(fā)現(xiàn)一種名為瀝青鈾礦的礦石所具有的強(qiáng)烈放射性無(wú)法簡(jiǎn)單地用鈾的存在來(lái)加以解釋，為此她懷疑有其他元素存在，并邀請(qǐng)她的丈夫皮埃爾加入到這一研究工作中來(lái)。

1898年，他們鑒定出了鐳和釙這兩種新元素的光譜線，然而接下來(lái)卻用了三年多的時(shí)間對(duì)幾十噸礦石進(jìn)行研磨、溶解、煮沸、過(guò)濾和結(jié)晶，才獲得0.1克的鐳化合物（他們對(duì)釙也采用了同樣的辦法，但是因?yàn)獒暤陌胨テ诤芏?，因此整個(gè)過(guò)程困難得多）。隨之而來(lái)的便是諾貝爾獎(jiǎng)：第一次由居里夫婦和貝克雷爾分享（1903年因發(fā)現(xiàn)放射性），第二次由居里夫人獨(dú)自獲得（1911年因發(fā)現(xiàn)釙和鐳以及對(duì)鐳進(jìn)行提取和研究）。

將新發(fā)現(xiàn)的元素放入元素周期表中對(duì)應(yīng)的位置需要確定該元素的原子量和化學(xué)性質(zhì)。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，鐳在很多方面的特性都和鋇相似，而鐳的原子量大于鋇，因此鐳在元素周期表內(nèi)的位置應(yīng)與鋇同族并且在鋇之后。原子量的確定依賴于元素純化提取物的獲取，因此這一工作在當(dāng)時(shí)具有相當(dāng)難度。

具有相近重量和相似特性的元素極難分離。也許是出于對(duì)門捷列夫遺志的繼承，在門捷列夫提出元素周期表框架不久，俄羅斯化學(xué)家尤利婭·萊蒙托娃（Julia Lermontova）就開(kāi)始這一挑戰(zhàn)性工作，對(duì)鉑族金屬（包括釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑）分離操作進(jìn)行完善，這樣的分離操作是將其按序排列的前提。據(jù)我們所知，萊蒙托娃開(kāi)展這一工作的唯一依據(jù)來(lái)自于門捷列夫的記錄以及他們之間的通信。萊蒙托娃在德國(guó)海德堡研習(xí)化學(xué)，師從羅伯特·本森（Robert Bunsen，在1860年，利用共同發(fā)明的光譜儀，與古斯塔夫·基爾霍夫共同發(fā)現(xiàn)了銫和銣），在1874年獲化學(xué)博士學(xué)位，是首位在德國(guó)獲得化學(xué)博士學(xué)位的女性。

確定原子量對(duì)于研究放射性衰變系列和區(qū)別新元素與同位素（已存元素的未知版本）也極為關(guān)鍵。這同樣也解釋了為什么看上去發(fā)現(xiàn)了許多新元素，但實(shí)際上在元素周期表內(nèi)只有少量空缺位置沒(méi)有填上。盡管英國(guó)化學(xué)家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）在1913年就提出了同位素（isotope，在希臘語(yǔ)中意為“同一位置”）的概念，“同位素”這一專有名詞卻是在一個(gè)晚宴上由物理學(xué)家瑪格麗特·陶徳（Margaret Todd）提出。

同位素的實(shí)驗(yàn)證據(jù)很快被波蘭籍猶太裔化學(xué)家斯特凡妮·霍羅維茨（Stefanie Horovitz）找到。就職于維也納鐳研究所的她指出：像鉛這類常見(jiàn)的化學(xué)元素也有不同的原子量，而其原子量取決于該原子來(lái)自于鈾還是釷的放射衰變。

另一個(gè)研究問(wèn)題則是極為奇妙的鐳的“射氣”現(xiàn)象。到底“鐳射氣”是粒子還是氣體？這一問(wèn)題由就讀于蒙特利爾麥吉爾大學(xué)的加拿大物理學(xué)研究生哈麗特·布魯克斯（Harriet Brooks）與其導(dǎo)師歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）共同進(jìn)行了解答。1901年，布魯克斯和盧瑟福證明鐳射氣會(huì)像重氣一樣擴(kuò)散，因此提供了放射性衰變可能會(huì)產(chǎn)生新元素的一手證據(jù)。1907年， 威廉·萊姆塞（William Ramsay）提出鐳射氣這一氣體屬于氦族元素（現(xiàn)亦稱為稀有氣體），而該元素在后來(lái)被命名為氡。

1902年，盧瑟福和索迪發(fā)布了關(guān)于放射性衰變理論，即原子自發(fā)性衰變會(huì)在釋放射線的同時(shí)變成新原子。盧瑟福在1908年因其研究發(fā)現(xiàn)被授予了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，而布魯克斯對(duì)氡研究的貢獻(xiàn)是盧瑟福研究發(fā)現(xiàn)的首要也是最關(guān)鍵的一環(huán)，但她卻并未得到應(yīng)得的榮譽(yù)。盡管第一篇發(fā)表的論文是由布魯克斯和盧瑟福共同署名，但接下來(lái)發(fā)表在《自然》雜志上的論文卻只有盧瑟福的名字，這篇論文僅在致謝處提到了布魯克斯對(duì)他的協(xié)助。作為一名女性科研工作者，布魯克斯發(fā)現(xiàn)她很難獲得長(zhǎng)期任用（尤其結(jié)婚之后）并且很難開(kāi)展穩(wěn)定延續(xù)的科研工作。

深入探索

對(duì)原子核的物理特性的理解隨著研究逐步深入。1917年到1918年間，物理學(xué)家莉澤·邁特納（Lise Meitner）和化學(xué)家?jiàn)W托·哈恩（Otto Hahn）在柏林發(fā)現(xiàn)了第91號(hào)元素鏷。邁特納是奧地利人，在獲得博士學(xué)位后為了獲得更好的職業(yè)發(fā)展而前往德國(guó)。1907年，她被柏林大學(xué)化學(xué)學(xué)院錄取，成為哈恩的無(wú)薪合作研究者，并且不得不在地下室里開(kāi)展工作，那個(gè)時(shí)候女性是不可以拋頭露面的。1913年，隨著哈恩跳槽到位于柏林-達(dá)赫萊姆的威廉皇帝化學(xué)研究所（Kaiser-Wilhelm Institute for Chemistry）， 邁特納也被提拔為研究所的“研究員”。

哈恩和邁特納在放射性衰變系列中尋找錒的“母體物質(zhì)”時(shí)發(fā)現(xiàn)的鏷。鑒于同時(shí)期有許多競(jìng)爭(zhēng)者與他們一起尋找新元素，因此誰(shuí)是鏷的首位發(fā)現(xiàn)者的爭(zhēng)議紛至沓來(lái)。因?yàn)楣骱瓦~特納相較于他們的競(jìng)爭(zhēng)者收集到的鏷更多、對(duì)鏷的特性鑒定也更完整，因此這一對(duì)搭檔最終成為公認(rèn)的首位發(fā)現(xiàn)者。

特凡妮·霍羅維茨，波蘭籍猶太裔化學(xué)家，在1914年提出同位素存在的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，當(dāng)時(shí)她正就職于維也納鐳研究所

另一元素：第75號(hào)元素錸則是在1925年柏林由德國(guó)化學(xué)家伊達(dá)·諾達(dá)克（Ida Noddack）及其丈夫沃爾特·諾達(dá)克（Walter Noddack）與西門子-哈爾斯克電子工程公司（后合并入西門子公司）任職的奧拓·伯格（Otto Berg）合作下共同發(fā)現(xiàn)的。伊達(dá)·諾達(dá)克（婚前名為伊達(dá)·塔克）是一名化學(xué)工程師，為了尋找元素周期表內(nèi)缺失的元素她離開(kāi)了工業(yè)界，在1925年從柏林德國(guó)帝國(guó)物理技術(shù)研究所（Physikalisch-Technische Reichsanstalt）的無(wú)薪客座研究員開(kāi)始做起，而那時(shí)候沃爾特是她所在的化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的科研帶頭人。諾達(dá)克夫婦克服種種困難最終提煉出了能達(dá)到可以稱重的數(shù)量的錸，并以萊茵河命名這一元素為錸。錸是地球上極為稀缺的元素之一，并且不具備放射性。

諾達(dá)克夫婦同時(shí)還聲稱尋找到了第43號(hào)元素，并以如今隸屬波蘭馬蘇里亞區(qū)為之命名為“鎷”，但他們從未成功獲得到該元素的光譜線，也未能將其提煉出來(lái)。事實(shí)上，利用“濕化學(xué)”技術(shù)來(lái)提煉這一元素是徒勞的。直到1937年，科學(xué)家利用人工方法才獲得第43號(hào)元素，這是世界上首個(gè)由人工方法制得的元素，被命名為“锝”。

居里夫人在科學(xué)研究工作中的貢獻(xiàn)獲得了大眾認(rèn)可，并且在丈夫皮埃爾去世后，她接替了他在巴黎大學(xué)的職位，而伊達(dá)·諾達(dá)克則與她不同，伊達(dá)一生中的大部分時(shí)間都是作為她丈夫?qū)嶒?yàn)室里的“外來(lái)者”開(kāi)展工作，這也是為什么當(dāng)她在1934年提出原子核可以分裂（如今我們稱之為裂變的核反應(yīng)形式）這一理論時(shí)并未受到科學(xué)界重視的原因之一。

1932年中子的發(fā)現(xiàn)和1934年人工放射性的發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了新的研究方向：在實(shí)驗(yàn)室中通過(guò)用粒子轟擊原子來(lái)人工制造元素。1934年，物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米（Enrico Fermi）和他在羅馬大學(xué)的合作研究者宣布他們通過(guò)用中子轟擊鈾制造出了第93號(hào)和94號(hào)元素。伊達(dá)·諾達(dá)克在《德國(guó)應(yīng)用化學(xué)》（Angewandte Chemie）上刊登出的論文中指出，費(fèi)米并沒(méi)有完成對(duì)“這一過(guò)程里沒(méi)有產(chǎn)生其他化學(xué)元素（包括更輕的元素）”的證明。她在論文中提到：“可想而知，原子核分裂之后會(huì)變成若干大碎片?！钡?dāng)時(shí)的物理學(xué)家忽略了她的意見(jiàn)。

瑪格麗特·佩里（左）：鈁的發(fā)現(xiàn)者，與同事索尼婭·科特勒（Sonia Cotelle）合影，攝于1930年巴黎鐳研究所

接下來(lái)在1938年，邁特納和哈恩發(fā)現(xiàn)費(fèi)米在他的實(shí)驗(yàn)中制造出的元素之一是鋇，而鈾原子核的確發(fā)生了分裂。那時(shí)正值第二次世界大戰(zhàn)爆發(fā)前夕，作為猶太人的邁特納不得不逃到瑞典去。盡管邁特納的計(jì)算說(shuō)服了哈恩原子核發(fā)生了分裂這一事實(shí)，哈恩在1939年發(fā)表這一結(jié)論的論文中卻并沒(méi)有署上邁特納的姓名，也沒(méi)有在1945年接受1944年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)時(shí)對(duì)此進(jìn)行更正。

這些女性先驅(qū)者大多數(shù)都會(huì)與男性研究者一起合作，因此很難將她們的貢獻(xiàn)與她們的合作者區(qū)別開(kāi)來(lái)?，敻覃愄亍づ謇铮∕arguerite Perey）則是特例：這位女性法國(guó)物理學(xué)家是公認(rèn)的在1939年獨(dú)立發(fā)現(xiàn)第87號(hào)元素鈁的第一人。佩里在19歲的時(shí)候就作為實(shí)驗(yàn)室技術(shù)員加入到居里夫人在巴黎的研究所，并接受伊雷娜·約里奧-居里（I rè ne Joliot-Curie）和安德魯·德比埃納（And ré Debierne）的指導(dǎo)。伊雷娜和安德魯分別提出要佩里提供在鑒定同位素錒-227半衰期的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，而半衰期的確定是鑒定新元素極為精確的技術(shù)手段。因?yàn)閷?duì)于佩里當(dāng)時(shí)到底為誰(shuí)工作這一點(diǎn)上，二者無(wú)法達(dá)成一致，因此誰(shuí)也沒(méi)辦法聲稱自己在這一發(fā)現(xiàn)中占有一席之位。佩里在此之后成為斯特拉斯堡大學(xué)核化學(xué)學(xué)院的領(lǐng)頭人，并且在1962年成為法國(guó)科學(xué)院首位入選的女性成員——雖然只是通訊會(huì)員而非正式會(huì)員。（盡管沒(méi)有任何規(guī)定不允許女性入會(huì)，第一名女性正式會(huì)員誕生的時(shí)間卻是1979年。）

鈁是最后一個(gè)在自然界中發(fā)現(xiàn)的元素。如今，類似的發(fā)現(xiàn)需要擁有粒子加速器和具備豐厚預(yù)算的大型科研團(tuán)隊(duì)才能完成。而化學(xué)元素的含義也從最初門捷列夫提出的穩(wěn)定不可轉(zhuǎn)換的物質(zhì)這一概念轉(zhuǎn)變?yōu)楹w僅能存在數(shù)毫秒的同位素系列。

利用這些技術(shù)，美國(guó)化學(xué)家達(dá)蓮娜·霍夫曼（Darleane Hoffman）在20世紀(jì)70年代做出了具有劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。她證明了同位素鐵-257能夠自發(fā)性地持續(xù)分裂——而不僅僅是在用中子轟擊之后。這位史上首位美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的女性科研部門帶頭人還在自然界中發(fā)現(xiàn)了钚-244，并且培養(yǎng)了一代又一代女科學(xué)家，其中包括現(xiàn)任美國(guó)勞倫斯·利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室重元素課題（及若干其他課題）首席研究員、曾參與發(fā)現(xiàn)六種新元素（第113號(hào)至118號(hào)元素）的唐·肖內(nèi)西（Dawn Shaughnessy）。

元素應(yīng)用

還有更多女科學(xué)家拓展了我們對(duì)元素的認(rèn)知，自法國(guó)化學(xué)家亨利·莫伊桑（Henri Moissan）于1886年提煉了氟之后，一組女科學(xué)家（其中較為知名的有卡門·布魯格·羅姆（Carmen Brugger Roman í）和崔妮緹·薩利納斯·費(fèi)雷爾（Trinidad Salinas Ferrer） 在20世紀(jì)20年代到30年代早期與馬德里大學(xué)的胡塞·卡薩雷斯·吉爾（Jos é Casares Gil）合作研究氟對(duì)于健康的影響和在礦泉水中的存在情況。當(dāng)這組女科學(xué)家因?yàn)?936年到1939年西班牙內(nèi)戰(zhàn)不得不放棄這一研究時(shí)，她們的研究成果最終淪為卡薩雷斯的參考文獻(xiàn)。

化學(xué)家瑞莎·克拉克·金（Reatha Clark King）則是首位任職于美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的女性非裔美國(guó)科學(xué)家。20世紀(jì)60年代，她對(duì)氟、氧和氫的氣體混合物的燃燒特性進(jìn)行研究，并發(fā)現(xiàn)氟的高反應(yīng)活性使其具備了成為火箭推進(jìn)劑的潛力。而有的混合物因其爆炸性而需要極為精準(zhǔn)的參數(shù)和操作技術(shù)，瑞莎對(duì)此進(jìn)行了完善設(shè)計(jì)并最終被美國(guó)宇航局采用。

20世紀(jì)10年代，美國(guó)物理學(xué)家和科學(xué)家愛(ài)麗絲·漢密爾頓（Alice Hamilton）證明了鉛的毒性及其對(duì)公眾和金屬業(yè)從業(yè)工人的危害。她強(qiáng)迫保險(xiǎn)公司和制造商采取相關(guān)安全措施并且對(duì)那些已經(jīng)受到影響的工人進(jìn)行賠償，并組織了社會(huì)活動(dòng)來(lái)幫助大眾認(rèn)識(shí)從事與重金屬（例如汞）有關(guān)行業(yè)所帶來(lái)的職業(yè)病。在1919年她成為首位獲得哈佛大學(xué)教職的女科學(xué)家，早在1925年她就公開(kāi)反對(duì)在汽油中引入鉛的使用。

日裔美國(guó)技術(shù)員前田敏子（Toshiko‘Tosh’ Mayeda）在20世紀(jì)50年代掌握了氧的放射性同位素的測(cè)量方法，因此她在芝加哥大學(xué)哈羅德·尤里（Harold C. Urey）實(shí)驗(yàn)室洗實(shí)驗(yàn)器皿沒(méi)多久就被調(diào)任掌管質(zhì)譜儀。她協(xié)助測(cè)量了從貝殼化石中氧同位素的比例并據(jù)此對(duì)史前海洋溫度進(jìn)行推測(cè)，后來(lái)又將這一方法拓展使用到了隕石研究上去。

和所有日裔美國(guó)人一樣，敏子在1941年12月7日珍珠港事件爆發(fā)后被送往了拘留營(yíng)，并且面對(duì)種種歧視。因?yàn)閮H持有化學(xué)學(xué)士學(xué)位，她本來(lái)只會(huì)成為眾多默默無(wú)聞做出重大貢獻(xiàn)卻為人忽略的女技術(shù)員之一，然而幸運(yùn)的是敏子遇到了十分支持她的上級(jí)，而她的名字與那些博士和教授們的名字一起出現(xiàn)在了相關(guān)論文發(fā)表的同一位置。

1979年，美國(guó)化學(xué)家達(dá)蓮娜·霍夫曼（Darleane Hoffman）成為美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室首位女性科研部門帶頭人

全面圖景

正如這些科學(xué)發(fā)現(xiàn)一樣，將這些女科學(xué)家的故事從幕后帶到臺(tái)前需要大量的團(tuán)隊(duì)合作，這包括了來(lái)自吉澤拉·博克（Gisela Boeck）、約翰·哈德森（John Hudson）、克萊爾·莫瑞（Claire Murray）、杰西卡·韋德（Jessica Wade）、瑪麗·馬克·奧克布洛姆（Mary Mark Ockerbloom）、馬雷琳·雷納-坎汗（Marelene Rayner-Canham）、杰弗里·雷納-坎汗（Geoffrey Rayner-Canham）、哈維爾·羅凱（Xavier Roqué）、馬特·辛德?tīng)枺∕att Shindell）和伊格納西奧·蘇埃-馬塔利亞納（Ignacio Suay-Matallana）的貢獻(xiàn)。

追蹤化學(xué)史上女性的足跡給我們展示了上至著名實(shí)驗(yàn)室的科研帶頭人、下至無(wú)薪助理和技術(shù)員的所有人投身科學(xué)發(fā)現(xiàn)的全面圖景。這些故事讓更多人了解化學(xué)元素周期表是如何通過(guò)個(gè)人的努力和廣泛合作在過(guò)去逐步形成、在未來(lái)逐步完善，這在化學(xué)元素周期表問(wèn)世150周年來(lái)臨之際具有非凡意義。

資料來(lái)源 Nature