歷史 物理

榮獲諾貝爾化學獎的物理學家們(二)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-11-03
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  • 前回阿文介紹了幾位得到諾貝爾化學獎的物理學家,限於篇幅,這次接著要再介紹五位。其中四位是核物理/核化學,一位是電化學。

    首先要介紹的是赫赫有名的約里奧-居禮夫婦。伊雷娜·約里奧-居禮(Irène Joliot-Curie、1897 - 1956)是赫赫有名的居禮夫婦的長女。1897年生於巴黎。1903年,居禮夫婦獲得諾貝爾獎,頓時成了當時法國的風雲人物,家中絡繹不絕的採訪團體前來進行訪談,當時只有6歲的伊雷娜居然也成了採訪對象。好景不常,1906年4月19日,伊雷娜的父親皮埃死於車禍。皮埃的死讓瑪麗受到打擊,好長一段時間無法恢復正常生活。那年秋天,瑪麗再也無法忍受充滿皮埃回憶的房子,所以她和兩個女兒以及她們的祖父一起搬到了老家梭鎮 (Sceaux, Hauts-de-Seine)。伊雷娜成年後曾回憶說過:我記不清我自己小時候的事情,也幾乎不記得和父母一起的生活。最常陪伴伊雷娜度過漫長童年的還是皮耶的父親尤金·居禮醫生。尤金對之後伊雷娜所持有的政治思想等方面都有很大的影響。另外,伊雷娜一生都沒有上教堂,也是因為尤金的影響。 

    後來伊雷娜和大約十幾個其他學生一起參加了被稱作「合作學校」的課程。這是瑪麗與熟人學者們一起制定的教學方案:學者們自己作為老師,教授他們各自擅長的課程。瑪麗·居禮負責教授物理、讓·佩蘭(Jean Baptiste Perrin)負責教授化學、皮耶的學生保羅·朗之萬(Paul Langevin)則負責教授數學。佩蘭因為利用布朗運動測定分子大小而獲得1926年的諾貝爾獎。這所合作學校持續了兩年左右。結束合作學校學業的伊雷娜,在大學入學資格考試前兩年才進入塞維尼學院(Collège Sévigné)。這是因為瑪麗覺得這裡學風自由。伊雷娜在這裡待到1914年。期間1910年到1911年,瑪麗在法國科學院的會員選舉中遭到了來對手的誹謗,還出現了有關瑪麗和保羅·朗之萬之間的八卦傳聞。這個事件深深傷害了伊雷娜。在1911年裡,瑪麗獲得了她的第二個諾貝爾獎。伊雷娜也陪同出席在瑞典舉行的獲獎典禮,成為支持她母親的堅強後盾。



     
    Joliot-curie

    照片來源:Nobel Prize



    一戰期間,瑪麗為了治療傷員,準備了放射治療車在各地巡迴。伊雷娜回到巴黎後,也學習了放射線治療方法。從1914年11月開始,伊雷娜作為瑪麗的助手進行治療,這時候她才17歲。由於人力資源不足,伊雷娜不久就一個人獨自做X射線的檢查工作。此外,伊雷娜還與瑪麗一起進行了培訓X射線成像術技師的任務。

    一戰結束後,伊雷娜進入了瑪麗的鐳研究所。伊雷娜於1925年3月參加考試並獲得學位。此時伊雷娜發表的博士論文內容是關於釙的α粒子的研究。同年,瑪麗的實驗室僱用了弗雷德里克·約里奧作為助手。讓·弗雷德里克·約里奧-居禮(Jean Frédéric Joliot-Curie,1900-1958)1900年出生於法國巴黎,畢業於巴黎市物理及化學學院(ESPCI), 師從著名的物理學家朗之萬。伊雷娜和弗雷德里克不久就變得親密起來,並於1926年10月結婚。兩人沒有舉行婚禮的宗教儀式,僅僅是與雙方的家人以及證婚人一起吃了午飯,當天下午就又回去工作!結婚後不久,這對夫婦同時將他們的姓氏更改為約里奧-居禮。他們使用了約里奧-居禮共同發表了許多研究成果。

    婚後不久,伊雷娜就懷孕了。在她去看醫生的時候,醫生告知她有肺結核的症狀。這和當年母親瑪麗生下伊雷娜時被診斷出的病一樣。伊雷娜在1927年9月17日生下了大女兒的埃賴內。她後來嫁給郎之萬的孫子,也成為核子物理學家。

    1932年伊雷娜生下了長子皮埃。這段時間也是他們夫婦研究的高峰期。

    1930年,德國物理學家瓦爾特·博特和赫伯特·貝克爾發現當釙釋放的α粒子與鈹發生碰撞時,鈹會產聲穿透力非常強的輻射。讀了這篇文章的伊雷娜和弗雷德里克立刻做實驗加以確認,並且宣布這種輻射能將質子從含氫物質中彈射出去。他們認定這種輻射是伽馬射線,本質上就是高能的電磁波。但是英國物理學家詹姆斯·查德威克對此結論產生了疑問,他進行了更進一步的實驗,主張這種穿透力極強的不是伽馬射線,而是拉塞福所主張的中子。查德威克後來究因為中子的發現而獲得了1935年諾貝爾物理學獎。

    另一項與他們擦肩而過的重大發現是正子。伊雷娜和弗雷德里克使用威爾遜雲霧室研究某些較輕原子核的衰變過程中,記錄到了正子的證據,但他們未能了解到他們看到的是正子。不久之後,卡爾·安德森通過研究在磁場中與鉛板相互作用的宇宙射線發現了正子。 安德森因發現正電子而於1936年獲得諾貝爾物理學獎。

    雖然與幸運之神兩次擦身而過,他們還是持續不懈地努力。伊雷娜和弗雷德里克在1932年時發現,如果把釙放在鋁箔紙旁邊,就會從鋁蹦出中子與正子。兩人在1933年的第七屆索爾維會議上發表了這個結果,結果從德國物理學家莉澤·邁特納那裡得知,她也做了同樣的實驗,但卻沒有發現中子產生。雖然來自邁特納的反駁令夫婦二人十分沮喪,但在一同參加會議的尼爾斯·波爾等人的鼓勵下,他們還是決定研究繼續進行。
     
    1934年1月,兩人在一次將α粒子撞擊鋁薄片的實驗中,發現即使在移除了α粒子的產生源之後,蓋革計數器仍會讀出反應。這代表著他們首次人工製造出了有放射性的同位素。把釙遠離鋁的時候,中子的產生就會停止,但是發現正子仍然會繼續發生。由於穩定的鋁原子中不可能放出質子,這意味著鋁元素已經變成了放射性物質了。兩人繼續進行研究,通過這種反應確定了一部分鋁元素已經變成了放射性磷。 

    也就是說,此時的反應如下:
     
    此時產生的磷在大約三個半衰期內經由貝他衰變釋放出正電子(和一個電子微中子),轉化為矽。1935年,這項研究使伊雷娜與弗雷德里克一起獲得了諾貝爾化學獎。

    但是瑪麗沒能看到女兒獲得這份榮耀,她在前一年的7月就去世了。
     
    伊雷娜在1936年繼承了瑪麗在巴黎大學索邦大學教授職位。伊雷娜在那裡講課的同時,繼續在鐳研究所進行研究,並著手進行有關核分裂的研究。另一方面,弗雷德里克成為了法蘭西公學院的教授,參與了連鎖反應和核反應的研究,成功地通過利用鈾和重水實現可控核分裂的核反應產生能量。

    20世紀30年代末,科學家們之間已經開始研究利用中子來創造出新的元素。契機來自義大利的費米進行了一項實驗,之後莉澤·邁特納也與她的同事奧托·哈恩、弗里施,施特拉斯曼開始了這項研究。伊雷娜也致力於這項研究,1937年發現了新的放射性物質,半衰期為3.5小時伊雷娜與合作者帕維爾·薩維奇 (Pavle Savić) 宣稱,這種物質是釷的同位素。邁特納對這個結果產生了疑問,她進行了進一步實驗,確認這種放射性物質並不存在。邁特納把這個結果記錄在信裡,寄給了伊雷娜。另外,哈恩也沒有直接評價伊雷娜的實驗,而是當在學會上見到弗雷德里克時告訴他:「雖然我不能批評你的妻子,但是請你轉告她——她錯了。」

    針對各方的反對意見,伊雷娜暫時收回了之前的意見,但是1938年發表了之前所發現的物質具有接近鑭的化學性質。鑭的原子序是57,遠低於鈾(原子序92)。

    此時邁特納流亡在瑞典。留在德國的哈恩對伊雷娜的論文沒有表現出興趣。但是施特拉斯曼讀了論文後了解伊雷娜的新發現的含意。隨後,邁特納、哈恩和施特拉斯曼三人決定對此事進行深入研究,發現中子轟擊鈾後的產物有鋇(原子序56)於是他們提出了關於鈾的核分裂的理論。又一次在一步之遙錯過了榮譽的伊雷娜,在讀了哈恩和施特拉斯曼的論文後很後悔沒有和弗雷德里克共同繼續深入當時的研究,她說:「我們真是傻瓜!」。 

    1939年,第二次世界大戰爆發。1940年,巴黎被德軍占領。伊雷娜和弗雷德里克一起留在法國,參加了抵抗運動。戰爭期間,因為糧食不足等原因,伊雷娜的肺結核逐漸惡化,每年她在療養院的生活也逐漸變得漫長起來。1942年,約里奧加入了法國共產黨,是法國被占期間秘密抵抗組織的成員,並於1944年參加了巴黎的反德暴動,成為了抵抗組織——法蘭西民族解放陣線的負責人,這件事使他和他的家庭處於危險之中。因此弗雷德里克決定讓伊雷娜和兩個孩子逃往瑞士。伊雷娜和兩個孩子一起先到了法國與瑞士邊界附近的蒙貝利亞爾,從那裡,埃賴內到邊境附近的村莊參加完考試,隨後越過邊境進入瑞士。三人過境的日子正好是諾曼第戰役進行的6月6日。在瑞士,她們與事先因弗雷德里克的協助而逃亡到此的保羅·朗之萬團聚。
     
    戰後,伊雷娜和弗雷德里克一起在安東尼的家裡重新開始生活。伊雷娜繼續進行著她的研究,並對宇宙線中的高能粒子問題表示深切的關注。伊雷娜在1945年12月成為法國原子能委員會化學部門的負責人。在委員會中,她和擔任主席的弗雷德里克一起,主張和平利用核能,並參與了法國第一個核反應爐——ZOE(Z-零能耗,O-鈾氧化物,E-重水)的研製。伊雷娜在1946年接替安德烈·德比埃爾內成為鐳研究所的所長。

    弗雷德里克於巴黎解放後擔任法國國家科學研究中心(CNRS)主任(1944-1946),受命組建法國原子能委員會(CEA),並於1945年被戴高樂總統任命為第一任總幹事。1950年,由於他大力宣揚世界和平大會的斯德哥爾摩宣言(抵制核武),他的法共黨員的身份與冷戰的國際政治氛圍相衝突,所以總幹事一職後來被撤掉。

    經過多年的放射能研究,伊雷娜經常感到疲勞,氣色也逐漸變差。 1955年,伊雷娜住進了鐳研究所附近的一家醫院中。在這裡,伊雷娜被診斷為急性白血病。在1956年3月17日,伊雷娜因白血病而去世,享年58歲。她死後被以國葬待遇舉行了葬禮。在伊雷娜去世兩年後,弗雷德里克也因肝病而去世。戴高樂總統宣布為約里奧舉行國葬。


    伊雷娜被提名物理獎十五次,化學獎三次;她的丈夫讓·弗雷德里克則是被提名物理獎十二次,化學獎三次。沒想到最後還是得了化學獎。事實上他們與諾貝爾獎擦身而過三次,分別是發現中子,發現正子,此外還有核分裂。所幸他倆還是在1935年因為發現人工誘發的放射性而得到化學獎,卻無法刷新她母親的記錄。


    接著上場的是埃德溫·馬蒂森·麥克米倫(Edwin Mattison McMillan,1907-1991),他是生於美國加利福尼亞州的美國化學家,在加州理工學院拿到學士後到普林斯頓念博士,他的指導教授是愛德華·康登(Edward Condon,1902-1974)。康登曾是索末菲的學生,他的博士論文是有名的Franck–Condon principle。這是光譜學的重要原理,用於解釋電子-振動躍遷的強度,也是早期量子力學運用到分子光譜的例子。博士畢業後他加入柏克萊的勞倫斯團隊,參予加速器的建造與運用。他們曾用氘碰撞得到核融合可以沒有正確地了解他們的結果,反而讓奧利馮特搶先了。麥克米倫造出第一個人造元素錼的故事蠻長的,請各位參考阿文之前寫的週期表背後的物理學家(四)巧奪天工的人工合成元素一文。


     
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    圖片來源:  Nobel Prize


    1951年麥克米倫與格倫·西奧多·西博格分享諾貝爾化學獎。麥克米倫得獎前被提名了十一次,其中物理七次,化學四次。西博格被提名了二十四次,都是化學獎。然而有趣的是西博格本身提名別人諾貝爾物理獎十四次。國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)在1997年8月舉行的國際會議上,決定用西博格的名字命名由艾伯特·吉奧索(A. Ghiorso)和他發現的106號元素(Sg),打破了不能以健在人姓名為化學元素命名的慣例。可見他在合成新元素的功績有多大了。 



    格倫·西奧多·西博格 (Glenn Teodor Sjöberg,1912年4月19日-1999)生於密西根州,1922年隨家遷往加利福尼亞。1934年畢業於加利福尼亞大學洛杉磯分校,1937年在加利福尼亞大學伯克利分校獲博士學位。成為勞倫斯的助手。他長期在伯克利從事教學和研究工作。第二次世界大戰期間,他在芝加哥大學冶金實驗室做研究工作,參與原子彈的發展計畫。二戰以後,西博格於1946年重返柏克萊.擔任化學教授和勞倫斯放射實驗室核化學研究導師。1954年任實驗室副主任。1958-1961年任柏克萊校長。1961年美國總統甘迺迪任命他為美國原子能委員會主席。1971年他離開委員會重返伯克萊任大學教授,並在1972一1975年問兼任核化學研究實驗室主任。 

    1940年他同麥克米倫等人開始製備超鈾元素。從1940年到1958年,他們一共發現9個新元素,包括原子序數94到102。其中最著名的元素是鈽(94號元素),它被用於核爆炸和核反應爐的燃料。1944年西博格提出錒系理論.預言了這些重元素的化學性質和在周期表中的位置。這個原理指出,錒和比它重的14個的元素在周期表中屬於同一個系列,現在稱為錒系元素。這些詳細的過程要請各位看官參閱週期表背後的物理學家(五,六) 愈來愈長的週期表了。西博格還發現了好幾種容易發生核分裂的同位素:鈽239和鈾233以及具有重要應用價值的鈽238,鐵59、碘131、鈷57和鈷60等。1980年西博格在勞倫斯伯克利國家實驗室成功地將數千鉍原子轉換為金原子。此實驗從鉍元素中移除中子與質子。然而這個造金方法太過於昂貴沒有商業價值。直到20世紀90年代,他還致力於超重核的探索和錒系元素的重離子核反應的研究。


    至於麥克米倫則是在戰後回到加速器的研究。他想到通過改變所使用的磁場,可以使粒子在穩定的軌道上運動,並在相同的能量輸入下獲得更高的能量。他稱其為“相位穩定原理(phase stability principle),由此設計了所謂“同步加速器”。麥克米倫於1945年9月返回輻射實驗室後,在柏克萊使用舊的37英寸迴旋加速器對相穩定性原理進行了測試。發現其工作正常後,對184英寸迴旋加速器進行了類似的修改。麥克米倫當時不知道,同步加速器原理已經由蘇聯的Vladimir Veksler於1944年就提出了。麥克米倫在1945年10月讀到Veksler的論文。兩者開始通信,並最終成為朋友。 1963年,他們因發明同步加速器而獲得了“和平原子獎”。麥克米蘭後來接替勞倫斯成為放射實驗室主任。該實驗室於1958年更名為勞倫斯輻射實驗室。1970年,該實驗室拆分為多個實驗室。勞倫斯·伯克利實驗室和勞倫斯·利弗莫爾實驗室。麥克米蘭於1991年九月七日在加州過世,享年83歲。西博格則於1999年2月25日,也在美國加州住逝世,享年86歲。

    第五位要介紹的是雅羅斯拉夫·海羅夫斯基(捷克語:Jaroslav Heyrovský,1890- 1967),他是捷克化學家。海羅夫斯基的父親是布拉格大學的法學教授。他在1910-1914年間留學英國,就讀於倫敦大學學院。拉姆齊爵士正是這裡的教授。但是海羅夫斯基對電化學情有獨鍾。一戰時他在奧匈帝國軍醫院裡面負責與放射性相關的工作。一戰結束後他拿到布拉格查理大學(1918)的博士學位。畢業後他在布拉格查理大學的解析化學研究所當助手。


     
    Heyrovsky_Jaroslav

    By archiv ÚFCH J.Heyrovského AV ČR, v.v.i. - archiv ÚFCH J.Heyrovského AV ČR, v.v.i. http://www.jh-inst.cas.cz, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=16970347


    1922年他提出極譜分析法(Polarography),這是他一生最大的貢獻。他畢生的研究活動都集中在電化學這一新分支的發展上。所謂極譜法(polarography)是通過測定電解過程中所得到的極化電極的電流-電位的曲線來確定溶液中被測物質濃度的一類電化學分析方法。 極譜法中極化電極的電位是被控制的對象,是激發訊號;電流是被測量的對象,是回響訊號。

    在極譜分析中,電池為特殊類型的電解槽(內含有待分析的溶液),此電解槽含有滴汞電極(DME,微電極的一種),分析物就在滴汞表面發生反應產生電流,電流相對於施加電壓的特殊曲線,則稱為極譜波(polarographic wave)。極譜波的特徵是電流一開始隨電位陡直上昇後,電流會呈現接近水平的直線,此定值電流稱為極限電流,代表反應物傳送至電極表面的速率已達到最大值,使滴汞電極完全被極化。另外,當電流為極限電流的一半值時之電位,稱半波電位,各分析物的半波電位皆不同,更重要的是半波電位與溶液的濃度無關,所以可用它來鑑定產生極譜波的物種。


    極譜測定需在0~3.0 V間不斷改變電壓,且外施電壓需精確至0.01 V,電流計能測出0.01 mA的電流。實驗的成功與否與滴汞電極的再現性有關,滴汞電極由汞儲槽使汞經過毛細管,滴落時間約2~6 秒,必需小心使毛細管不致阻塞,使用後也必需仔細清潔後備用。極譜法可用來測定大多數金屬離子、許多陰離子和有機化合物。此外,在電化學、介面化學、絡合物化學和生物化學等方面都有著廣泛的套用。

    二戰爆發後,捷克被德國軍隊佔領,捷克的大學也被德國人接管。在他的反納粹同事德國物理化學家約翰·博姆教授的幫助下,海洛夫斯基得以繼續在他的實驗室工作。這段時間,他沒有任何教學義務,讓他有空完成極譜學的主要教科書,該書在施普林格(Springer)在維也納出版,以德語出版。

    極譜法後來成了化學分析中最常用的方法之一。 1946年,應英國文化協會的邀請,海羅夫斯基訪問了英國的幾所大學,講授極譜學。1951年2月,第一屆極譜國際會議在布拉格舉行。到那時,捷克已成為東歐共產集團的一部分,並且尚未允許來自國外的參與者進入該國。然而,他們中的大多數都向提交了會議論文,一共有三大冊。大會是“極譜研究所”所主辦,這是共產黨政府於1950年成立的八家新的研究所之一,目的是促進科學技術研究。海羅夫斯基被任命為該研究所的所長,因為他在政治上不被信任,所以他被國外會議講學邀請都被政府給否決了,無法成行。“極譜研究所”在1952年變成新成立的捷克科學院(Czechoslovak Academy of Sciences)的一部分。

    由於捷克專家與西方同事被迫孤立,整個東歐集團,特別是電子領域的技術進步滯後。戰後世界的技術進步需要高度靈敏,特定和快速的分析方法。極譜法的原始,簡單形式需要進一步修改以滿足這些要求。從五零年代起極譜儀器的創新和改進就隨著新技術帶來的先進理論研究而穩步轉移到西方國家。這樣,布拉格極譜學學派逐漸失去了其在儀器極譜學和理論極譜學領域的專有地位。但是海羅夫斯基的學生們仍然努力地跟上西方的腳步。

    1959年海羅夫斯基獲諾貝爾化學獎。得獎前他曾被提名了六十七次,其中五次是物理獎,六十二次是化學獎。他於1967年3月27日在布拉格過世,享年七十七。2005年6月捷克票選「最偉大的捷克人」(Největší Čech)中,他還排到第19。

    由於諾貝爾獎提名的資料只公布到1966年,之後的化學獎得主的提名資料就不得而知了,然而我們還是可以認出那些獲得諾貝爾化學獎的物理學家們,這就留到以後再說了。

    參考資料:
    (一)中文 英文 法文 日文維基相關條目
    (二)Marie and Irene Curie, Mother and Daughter, Two Ladies, Three Nobel Awards by Miroslav Jandrić and Dimitrije Dimić
    (三)JAROSLAV HEYROVSKY AND POLAROGRAPHY by Michael Heyrovsky
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    本文作者:高崇文  中原大學物理系教授

    延伸閱讀:

    榮獲諾貝爾化學獎的物理學家們(一)



     
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