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新元素——鐳(Radium)的發現

放射性元素的發現顛覆了過往原子不可再分割的理論,也奠基了核能及放射性同位素分析與標定的應用。1898年12月瑪麗・斯克沃多夫斯卡・居禮(Marie Skłodowska Curie)與皮爾・居禮(Pierre Curie)夫婦所發現的鐳元素(Radium),以放射性(Radioactivity)的字首命名,就是核化學發展最重要的見證。
 
 
1898年12月26日 發現新元素─鐳(Radium)
 
十九世紀末至二十世紀初是科學史上最具突破性的年代,其中尤以核化學(Nuclear chemistry)的發展扮演著最重要的角色。放射性元素的發現顛覆了過往原子不可再分割的理論,也奠基了核能及放射性同位素分析與標定的應用。1898年12月瑪麗・斯克沃多夫斯卡・居禮(Marie Skłodowska Curie)與皮爾・居禮(Pierre Curie)夫婦所發現的鐳元素(Radium),以放射性(Radioactivity)的字首命名,就是核化學發展最重要的見證。居里夫婦與法國物理學家亨利・貝克勒(Henri Becquerel)也因這相關的貢獻,共同贏得了1903年第三屆諾貝爾物理獎的桂冠。
 
1895年德國物理學家威廉・康拉德・倫琴(Wilhelm Conrad Röntgen)發現了當時機制不明的X射線,科學家們對此神秘現象紛紛磨拳擦掌想解開此一謎團。1896年貝克勒受到倫琴的啟發,著手研究鈾與鉀的雙硫酸鹽結晶具有類似磷光發散的現象。起初他認為該結晶是接受到太陽光而激發出光線,但經進一步的實驗,卻發現在沒有外在的刺激下結晶也可以發散出有別於X射線的電磁波。這個研究受到居禮夫婦的重視,在後續的研究中他們稱此現象為放射性。居禮夫婦還研究了各種化合物與礦物的放射性,發覺瀝青鈾礦(pitchblende)的放射性相較於等量的鈾礦要高出許多,因此推論瀝青鈾礦中必定含有某種具放射性的未知物質。
 
由於20世紀初期鈾礦尚未大量開採,僅能由礦業的副產物中取得。居禮夫婦在研究鐳元素的過程中,先以碳酸氫鈉溶解去除雜質,再利用鹼土金屬硫酸鹽溶解度低的特性,將溶於硫酸的鈾元素分離。然因鋇元素的物化性質與鐳相近使其混雜於其中,故僅能在蒐集足夠量的鐳元素後,再透過其氯鹽與氯化鋇溶解度些微的差異特性以分布結晶(fractional crystallization),終於取得了氯化鐳。經由原子光譜的差異,他們鑑定出一個新元素——鐳。這看似簡單的過程,卻耗費了居禮夫婦數十噸的瀝青鈾礦和數年的光陰,才得以在1898年取得1毫克的硫酸鐳。而元素態的鐳,更是在1910年由居禮夫人以電解氯化鐳溶液方法才出現。為了彰顯了她對放射性研究的貢獻,1911年的諾貝爾化學獎再度頒予居禮夫人。
 
鐳元素的化學符號為Ra,原子序是88,與鈣同為銀白色的鹼土族金屬。鐳因缺乏穩定的同位素,故難以界定其標準原子量,惟其重量級的程度仍可由穩定性較高的鐳-226和鐳-228略窺一二。一般而言,當原子序高於83時,元素態原子核內的不穩定會使其產生衰變,而產生另一種元素,並放出α粒子、β粒子或微中子,而發生衰變時,該原子也會釋出γ射線,當初貝克勒所觀察到的電磁波便是由此而來。這些射線的性質遠較單純的X射線更為複雜,而且它的內涵也不僅是電磁波而已。
 
「北投石」產於台灣北投溫泉博物館上游北投溪的河段,為硫酸鹽礦物組成的重晶石亞種,也是唯一以臺灣地名命名的礦石。由於北投石夾雜了鐳元素,因此以放射性較高聞名,為臺灣和日本最早發現的天然放射源礦石。讀者於北投溫泉博物館參觀時,除觀賞著名的北投石外,也可感念百年前居禮夫婦提煉鐳元素時的艱辛與自然界的奧妙。

參考資料
1. Marie Curie – Facts. NobelPrize.org. Nobel Media AB 2019. Thu. 15 Aug 2019.
2. "Radium". Royal Society of Chemistry.
3. "Lateral Science: The Discovery of Radium". 8 July 2012. 臺灣著名的放射性礦石,行政院原子能委員會
4. 臺大物理文物廳
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