歷史 物理

叫我斯克沃多夫斯卡-居禮!(下) 我們全家都得過諾貝爾獎

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撰文者:高崇文
發文日期:2019-02-23
點閱次數:1177
  • 上一回的阿文開講,介紹了瑪麗. 斯克沃多夫斯卡-居禮的前半生,但是她的後半生更是波瀾壯闊,充滿傳奇,還請看官們賞臉,繼續看下去......

     

    上次提到了瑪麗開始系統性地研究各種物質的放射性,從這時開始,皮耶對她的工作越來越感興趣。1898年中,他下定決心中止自己的晶體結構研究工作,加入她的研究行列中。他們開始尋找其他具有輻射性的物質。最後她發現了兩種鈾礦:瀝青鈾礦和銅鈾雲母。她的驗電器測量結果表明,瀝青鈾礦的活性是純鈾的四倍、銅礦雲母的兩倍。她推斷,如果先前關於鈾的數量及其活性的結論是正確的,那麼這兩種礦物質必定含有其他少量活性遠遠比鈾大的物質。當時,物理學界沒有人注意到瑪麗論文裡瀝青鈾礦和銅礦雲母放出的射線比鈾本身造成更大的空氣導電的描述:「事實是非常顯著的,可以確信這些礦物質可能包含比鈾更具放射性的元素。」據她事後回憶,當時她「急切地想儘快驗證這個想法」。儘管她曾向皮耶徵詢過意見,但是這些充滿原創性的關鍵想法都是瑪麗獨立想出來的,她在丈夫的傳記中特別兩次記錄這件事。
     

    1898年春,她發現釷也具備放射性。瑪麗瑪上寫了一篇非常簡要的論文,由她的加布里埃爾·李普曼於1898年4月12日轉交給法國科學院。可惜的是兩個月前德國科學家格哈德·卡爾·施密特Gerhard Carl Schmidt已在柏林發表了類似的結果了。其實類似的事情在兩年前也發生過,貝克勒與英國的希爾瓦努斯·湯姆森(Silvanus Phillips Thompson)幾乎同時發現鈾鹽發出的放射線,但是貝克勒在他發現放射性的第二天就向法國科學院公開宣讀他的發現,所以Silvanus Phillips Thompson 放棄了這個方向的研究。然而瑪麗不僅沒有放棄,反而愈挫愈勇,這要歸功於她不屈不撓的堅強個性吧。

     

    她繼續嘗試從瀝青鈾礦找到新的有放射性的物質。1898年4月14日,居禮夫婦滿懷希望地稱出並研磨100克瀝青鈾礦樣品。他們那時萬萬沒想到,他們要尋找的物質含量是如此稀少,日後他們竟然需要處理上萬噸的礦石! 初步的分析工作倒是只花了三個月,1898年7月,瑪麗和丈夫發表一篇聯合署名論文,Sur Une Nouvelle Substance Fortement Radio-Active, Contenue Dans La Pitchblende (On a New Radioactive Substance Contained in Pitchblende) Comptes Rendus 127, 175-8 (1898),他們在論文中詳述他們如何得到新物質:
     

    首先用硫化氫處理瀝青鈾礦得到的溶液。鈾和釷保留在溶液中。沉澱的硫化物含有非常活潑的神秘物質以及鉛,鉍,銅,砷和銻。該神秘物質完全不溶於硫化銨,所以先利用硫化銨將其與砷和銻分離。接著用稀硫酸洗滌時,夾帶著硫酸鉛的神祕物質被溶解。所以它與鉛也分離了。含有鉍和銅的溶液中的未知物質通過氨後完全沉澱,所以利用氨將它與銅分離。最後,活性物質與鉍摻雜在一起。

     

    雖然居禮夫婦當時還無法將新物質與鉍完全分離,但是他們利用未知物質的硫化物和硫化鉍之間的揮發性的差異進行分離。硫化物在真空中加熱至約700°。活性硫化物以黑色塗層的形式沉積在溫度250°至300°的區域,而硫化鉍保留在較熱的部分中。這個神祕物質比純鈾放射性要高多了。所以他們宣布以「釙」命名所發現的元素,以紀念瑪麗的祖國波蘭!想來俄國人恐怕玻璃心碎滿地吧。想像一下,要是咱們哪天發現新元素以台灣命名,多少人會跳腳!


    瑪麗與皮耶再接再厲,繼續在瀝青鈾礦中分析,居然發現了第二種新的放射性物質,化學性質與釙完全不同,反而具有近乎鋇的所有化學性質:硫酸鹽不溶於酸和水;碳酸鹽不溶於水;極易溶於水的氯化物,但不溶於濃鹽酸和醇。最後,這種物質顯示出容易識別的鋇的光譜!但是鋇沒有放射性,所以顯然這是一種新物質。1898年12月26日,居禮夫婦宣布了這個發現,後來他們將第二個元素命名為「鐳」(radium),拉丁文意為「射線」。「放射性」(radioactivity)這個詞也是他們開始使用的。
     

    當然,科學界對發現新元素的宣稱不無疑慮,為了證明他們發現的確是新元素,讓反對者閉嘴,居禮夫婦試圖分離出純的釙和鐳。但這可是難如登天的事呀!首先瀝青鈾礦是非常複雜的礦物,利用化學方法分離它的成分本來就是非常費力的任務。發現釙相對還比較容易,這是因為它的化學性質類似鉍,而且釙是唯一與鉍性質類似的物質。然而要製造出純鐳可就難了,因為它的化學性質與鋇非常類似,並且這兩種元素都存在於瀝青鈾礦中。居禮夫婦嘗試通過結晶的方法分離鐳鹽,這是一個極端費力的工作。他們奮鬥了四年,到了1902年,他們從一噸瀝青鈾礦中分離得十分之一克氯化鐳。這讓瑪麗可以精確地決定鐳的原子量了(一直要等到1910年,瑪麗才終於分離出純鐳金屬單質。但她從未成功分離出半衰期僅為138天的釙。)
     

    在1899年初,夫婦展開分工,皮耶與Georges Sagnac和André-Louis Debierne一起,處理放射性的物理效應。 瑪麗則完全投入分離鐳的工作。 為此,她需要大量的瀝青。通過維也納科學院代理主席Eduard Suess的仲介,她收到了來自Sankt Joachimsthal的大量的瀝青鈾礦,她只需要付運輸的費用。這幫了她大忙。

     

    1898年和1902年這四年間,雖然工作非常辛苦,實驗環境十分惡劣,在瑪麗的回憶中卻是最幸福的四年。居禮夫婦倆人聯合及單獨發表32篇科學論文,其中一篇宣稱,在鐳輻射下,病變或腫瘤細胞比健康細胞死得更快。這是輻射醫學的濫觴,然而夫婦倆卻渾然不知,他們鍾愛的鐳正在一步步蠶食他們的健康......
     

    在這段期間也發生許多變化,1900年,瑪麗成為首位任教於巴黎高等師範學校的女性,她的丈夫也在巴黎大學獲得教職。1902年,她的父親以七十高齡辭世,她回波蘭奔喪。她的姊姊與姐夫在1898年回波蘭,在Zakopane 開設了專收肺結核患者的療養院,但是因為政治原因,她的姐夫在黑名單上,不能到俄羅斯轄下的區域。居禮夫婦的研究也獲得法蘭西科學院兩次財務支援,也曾為他們因研究而去貸款提供擔保。他們的努力逐漸得到肯定了。

     

    螢幕快照 2019-02-23 上午10.52.45

    居禮夫婦在實驗室  圖片來源:https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%8E%9B%E4%B8%BD%C2%B7%E5%B1%85%E9%87%8C#/media/File:Pierre_and_Marie_Curie.jpg

     

    1903年六月二十五日,瑪麗通過博士口試,獲得巴黎大學博士學位,她的指導教授是加布里埃爾·李普曼。論文題目是Recherches sur les substances radioactives (investigations on the radioactive substances) 她的論文一年內就被翻譯成五種外語 重印在各大期刊 包含William Crookes 主編的Chemical News 已及 德文期刊Annales de physique et chimie。就在六月,居禮夫婦就應邀訪問位於倫敦,法拉第曾任職的Royal Institution,報告有關放射性的研究。但瑪麗因為是女性而無法上台,只有皮耶上台做了報告。同時,由鐳相關的新興產業開始發展,但是居禮夫婦完全沒有就他們的發現申請專利,自然也沒有從這個日益有利可圖的產業中獲利。換作是今天的台灣的話,簡直是天方夜譚呀。台灣的科技部與大學高層會把你念到死吧!


    無心名利,但是名利還是緊追著這對夫婦的腳步。1903年11月,他們得到英國皇家學會頒發的戴維獎。一個月後瑞典皇家科學院宣布將第三屆諾貝爾物理獎頒給皮耶·居禮、瑪麗斯克沃多夫斯卡-·居禮和亨利·貝克勒,「以表彰他們研究貝克勒教授發現的游離輻射現象時做的非凡工作」。起初,委員會只打算頒給皮耶和貝克勒,但是瑞典數學家哥斯塔·米塔-列夫勒Magnus Gustaf (Gösta) Mittag-Leffler當時在諾貝爾獎委員會,他向來支持女權不遺餘力,所以他向皮耶通報了情況,皮耶堅持要頒給夫婦倆人否則不願接受之後,瑪麗才獲得提名。瑪麗是史上首位獲得諾貝爾獎的女性。至今一共也只有三位女性諾貝爾物理獎得主呢。
     

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    圖片來源:123rf
     

    居禮夫婦因忙於工作,婉言謝絕前往斯德哥爾摩參加由瑞典國王主持的頒獎典禮,皮耶向來對這種儀式沒有興趣。而且兩人的健康受到放射線的侵害,也變得相當不好。尤其在1903年8月才剛流產,身體更加衰弱。隔年,1904年12月,瑪麗生下第二個女兒艾芙·居禮Ève Denise Curie。瑪麗聘請波蘭籍女家庭教師教女兒們母語,並把她們送到波蘭或回波蘭時帶她們同去。瑪麗強烈的波蘭認同完全在女兒教育中表露無遺。
     

    艾芙後來曾自我解嘲,她是家中的恥辱,因為全家除了她以外,大家都得過諾貝爾獎呢。她的父母得了1903年的物理獎,母親在1911年又得了化學獎,她的姐姐與姐夫得了1935年的化學獎,連她自己的丈夫Henry Richardson Labouisse Jr. 都代表聯合國兒童基金會UNICEF 領了1965年的和平獎。不過比起英年早逝的父母與姐姐與姐夫幸運得是艾芙後來得享高壽,一百零二歲時在紐約過世。
     

    由於諾貝爾獎得主按規定必須做公開演講,居禮夫婦最後還是在1905年去了一趟斯德哥爾摩。有了這筆獎金,居禮夫婦終於可以招募實驗助手了。獲得諾貝爾獎後,皮耶成為法蘭西科學院的院士,瑞士的日內瓦大學也向皮耶提供一個職位,為了留住皮耶,巴黎大學將他升為教授和物理系主任,但是卻不願意解決居禮夫婦的實驗室問題。皮耶抱怨後,巴黎大學的態度才軟化,同意裝備一個新實驗室給他們,但是要等到1906年才能使用。但是就在家庭事業都順心時,悲劇卻發生了,1906年4月19日皮耶在瓢潑大雨中橫穿多菲內街,結果被一輛馬車撞倒後被碾壓,造成顱骨骨折,最終去世。居禮夫人聽到丈夫去世的噩耗後,萬分悲痛,幾乎崩潰。面對丈夫留下來的兩個稚女,瑪麗一時也不知何去何從。幸好皮耶的父親尤金與哥哥傑克,伸出援手,幫她照顧小孩。很快地在1906年5月13日,巴黎大學物理系決定保留皮耶的職位授予瑪麗。瑪麗接受了職位,成為巴黎大學首位女教授,她希望建成世界一流的實驗室,完成皮耶的遺願。

     

    這個宏願最後實現還是多虧貴人相助。1909年,巴斯德研究院院長皮埃爾·保羅·埃米爾·魯Pierre Paul Émile Roux看到巴黎大學沒有給斯克沃多夫斯卡-居禮提供適當的實驗室而感到失望,提議設立鐳學研究所,還建議斯克沃多夫斯卡-居禮到巴斯德研究院來任職。瑪麗頗為心動,巴黎大學這才緊張了,最後和巴斯德研究院聯合設立居禮館。這就是後來的鐳學研究所的開始,這個機構現在稱為居禮研究所。
     

    1910年,瑪麗終於成功分離出純的鐳,這是她一生成就的頂峰,然而隔年她卻陷入人生的谷底。1911年年初 她在爭議聲中被提名競選法蘭西科學院的院士,後來在第一輪投票輸了一票,第二輪投票輸了兩票而落敗。半個多世紀後,1962年,斯克沃多夫斯卡-居禮的博士生瑪格麗特·佩里才成為法國科學院的首位女院士。可能是因為樹大招風 這件事情讓她引來許多敵視的眼光。她的私人生活也被搬上檯面。可能從1910年7月中旬開始瑪麗和朗之萬譜出戀曲。朗之萬是皮耶的學生,當時與妻子分居。謠傳他們在一個共用的公寓里私會,兩人還保持通信。 朗之萬的妻子察覺後,威脅要謀殺瑪麗。在1911年復活節,瑪麗和朗之萬的信從他們共用的公寓裡被偷走了。1911年8月,朗之萬的妻子提出離婚。但是整件事鬧大了卻是在索爾維會議之後。第一屆索爾維會議在布魯塞爾於1911年10月30日至11月3日舉行,瑪麗是惟一與會的女性,朗之萬也與會。會後第一天法國的報章雜誌開始大肆炒作倆人的緋聞,瑪麗被苗寫成破壞別人家庭的外國狐狸精。她回到家時,發現家門口有一幫憤怒的人群,不得不與女兒避居在朋友家裡。就在這個混亂的時刻,瑞典皇家科學院卻於此時第二次頒給她諾貝爾獎,她的研究工作再次獲得的國際的認可,這次獲得的是諾貝爾化學獎,旨在表彰她「發現了鐳和釙元素,提純鐳並研究了這種引人注目的元素的性質及其化合物」。她是贏得兩次諾貝爾獎的第一人,只有她跟萊納斯·鮑林是獲得雙重領域諾貝爾獎的人(鮑林得的是化學與和平獎)。由於身陷醜聞漩渦,1903年諾貝爾化學獎得主Svante Arrhenius院士甚至給她寫了一封信,試圖阻止她參加頒獎典禮,她當然拒絕這種示弱的提議。 瑪麗·斯克沃多夫斯卡 居里與她的姐姐布羅尼亞及其女兒艾琳一起前往斯德哥爾摩參加12月10日舉行的諾貝爾獎頒獎典禮。第二天依例她給了諾貝爾獎公開演講。郎之萬後來與妻子離婚後跟自己的女學生Eliane Montel 談戀愛,六十一歲時還生了一個男孩,Paul-Gilbert Langevin 他後來成了音樂學家。郎之萬的孫子Michel Langevin 後來與瑪麗的外孫女Hélène Joliot, 共結連理,兩個人都是科學家。他們的兒子則是天文物理學家!



     

    從斯德哥爾摩回來後,瑪麗居里的健康狀況惡化,必須通過手術治療。她從她在Sceaux的房子搬到了聖路易島的QuaideBéthune公寓大樓的四樓。在1912年和1913年,她經常以假名旅行,並要求朋友和親戚不要提透露她的下落。 1912年7月,她與威廉·愛德華·艾爾頓(William Edward Ayrton)的妻子赫塔·馬克斯·艾爾頓(Hertha Marks Ayrton)在英國居住,赫塔成為她的重要朋友。這件事情之後她就不再在法蘭西科學院的期刊Comptes Rendus上發表她的文章,而是改投到Le Radium和Journal de Physique等期刊。
     

    斯克沃多夫斯卡-居禮的第二個諾貝爾獎,使得她能說服法國政府支持建立鐳學研究所,研究所於1914年建成,研究領域涉及化學、物理、醫學等學科。該所預計於1914年8月落成。她在1913年訪問波蘭,在華沙受到熱烈歡迎,但是沙俄當局故意忽視她。當然,這個波蘭女兒是俄國政府的眼中釘,但是憑著她的成就,當局也無可奈何。但是世局多變,由於一戰在1914年8月初爆發,鐳學研究所的大多數研究人員被編入法國軍隊,科研工作被迫中斷,直到1919年才恢復。
     

    而在第一次世界大戰期間,瑪麗認為需要在靠近前線的地方設立戰地放射中心,以協助戰地外科醫生。她購置X射線設備、車輛、輔助發電機,組裝出流動式X光機,後來被民眾稱為「小居禮」(petites Curies)。她在紅會擔任放射服務主任,成立法國第一個軍用放射中心,於1914年末投入運營。她在戰地醫院指導20輛流動式X光機組裝和另外200個X光裝置的使用。後來,她開始培訓其他女助手。1915年,居禮夫人製造出含有「雷射氣」(鐳化合物發出的無色的放射性氣體氡)的空心針,用於給受感染的組織消毒。據估計,超過100萬受傷士兵得到過居禮夫人的流動式X光機治療。因忙於這種人道主義工作,一戰期間她幾乎沒有做科研工作。儘管她向法軍提供了重要的人道主義貢獻,卻從未受到過法國政府任何的正式嘉獎。此外,一戰開始不久,她就捐出她的諾貝爾獎金質獎章以支援戰事,但法國國家銀行拒絕接受。她用諾貝爾獎獎金買下戰爭債券。她還是旅法波蘭人委員會的積極成員,致力于波蘭解放事業。戰後她將戰時經歷總結成一本書《戰爭中的放射學》(Radiology in War),於1919年出版。

     

    在斯克沃多夫斯卡­--居禮的帶領下,鐳學研究所出現了四位諾貝爾獎得主,包括女兒伊倫·約里奧-居禮和女婿弗雷德里克·約里奧-居禮。鐳學研究所後來與歐內斯特·拉塞福領導的卡文迪許實驗室、斯忒藩·邁耶領導的維也納鐳研究所和奧托·哈恩與莉澤·邁特納領導的威廉皇帝學會化學研究所並稱為四大放射性研究實驗室。時到今日,法國與波蘭的核子物理研究都是名列前茅的呢。
     

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    圖片來源:123rf


     

    一戰之後,波蘭終於復國了。1925年,她訪問波蘭,參加華沙鐳學研究所奠基儀式。1929年,她第二次訪問美國,成功為華沙鐳學研究所募集到鐳。華沙鐳學研究所1932年揭幕、由其姊姊布洛尼亞擔任所長。1934年初,居禮夫人最後一次訪問她的祖國波蘭。幾個月後,1934年7月4日,她在上薩瓦省帕西的桑塞羅謀療養院去世,死因是再生不良性貧血,一般咸認,她是因為長期接受輻射而患上此病。當時,科學還不了解游離輻射對人體的危害,一直沒有採用任何防護的措施。她隨手將裝有放射性同位素的試管放進口袋或是隨意放在辦公桌抽屜裡,還描述過它在暗夜中散發出的幽光。她在1890年代完成的論文手稿也因帶有高放射性而沒有被整理,甚至連她的食譜都具有高放射性。她的論文手稿被保存在鉛盒中,參閱者需穿防護服。再加上在一戰期間。儘管她因暴露於輻射幾十年而患上多種慢性疾病(包括因白內障近乎失明),甚至造成她的死亡,但是她從未真正認識到暴露在輻射中的健康風險。她跟丈夫皮耶合葬於Sceaux的墓地。六十年後,1995年,為嘉獎他們的成就,居禮夫婦的遺體被移到巴黎先賢祠。瑪麗是首位憑自身成就安葬在先賢祠的女性。

     

    她在晚年寫的著作《放射性》(Radioactivity),死後於1935年出版。1938年,她的女兒艾芙·居禮出版《居禮夫人傳》(Madame Curie)馬上造成轟動,阿文小時候就讀過好幾本不同的"居禮夫人傳",當然,相信讀者們也大都看過類似的書。

     

    2011年是斯克沃多夫斯卡—居禮第二次獲得諾貝爾獎100周年,她的華沙故居外牆塗上寓言式壁畫:瑪麗亞·斯克沃多夫斯卡—居禮抱著的嬰兒,手中拿著的試管飄散出她所發現釙和鐳兩種元素。此外,華沙維斯瓦河上方的一座新橋樑,也以其名字命名為瑪麗亞·斯克沃多夫斯卡-居禮橋。雖然與親愛的丈夫埋骨於讓她愛恨交雜的巴黎,想來她的魂魄應該還是回到了摯愛的故鄉。為了表達對這位波蘭堅毅的女兒的敬意,還是讓我們改口叫她最引以自豪的姓名:斯克沃多夫斯卡-居禮吧!
     

    參考資料:

    (一)中文 英文 法文 德文 波蘭文維基相關條目

    (二) Radioactivity: A History of a Mysterious Science作者:Marjorie C. Malley

     

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    延伸閱讀
     

    叫我斯克沃多夫斯卡-居禮!(從華沙到巴黎

     

     

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