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鈹的自述

我是個帶有甜味、質量輕的金屬,可是人們一直不重視我,好不容易到了科技時代,開始有人欣賞我了,卻又因為我是個劇毒元素,大家對我又愛又恨。
 
 
 
十八世紀末,有一位法國礦物學家Haiiy(Rene-Just Haiiy‭, ‬1743-1822)獲得了一塊「綠寶石」。這種「綠寶石」翠綠晶瑩,光輝奪目,流傳已有幾千年,一直以來被人們看得比金鋼石還珍貴。可是究竟採自何種礦土,卻始終不明。雖然遠在公元1世紀時,一位羅馬學者曾指出,一種在公元前三千多年已被採掘的六角狀綠色礦石 ─ 綠柱石,跟「綠寶石」有親緣關係,但一直沒有得到證實。

這次Haiiy根據「綠寶石」的晶體結構,再度斷定「綠寶石」和綠柱石是同一種礦石。為了證實,他請求法國化學家Vauquelin(Louis-Nicolas Vauquelin‭, ‬1763 -1829)精細分析,測定結果證明兩者化學成分果然相同。意外的是,還發現了它們都含有一種新物質。

這種新物質有一個古怪的特性,把它溶在硫酸銨溶液中所產生的鹽,竟然有甜滋滋的味道,真是前所未見。Vauquelin斷定這是一種新元素的氧化物,並在1798年發表了論文,把這種元素命名為「glucinium」,就是「甜」的意思,因為發現到所有含有這元素的礦石嘗起來都是甜甜的。一直到1957年,國際學術界才建議改名為「beryllium」,意思是取自希臘文的「綠寶石」(beryl),就是我「鈹」,符號是「Be」。

雖然Vauquelin發現了我「鈹」,但是他得到的只是氧化鈹(後來才知道「綠寶石」的化學結構式是Be3Al2(SiO3)6),沒有真正提煉出純元素的我「鈹」。原因是我「鈹」和氧的結合很牢固,很難把我「鈹」直接從「氧化鈹」中提煉出來。

直到1828年,這個難題才由德國化學家Wöhler(Fredrich Wöhler Stich‭, ‬1800 -1882)和法國化學家Bussy(A‭. ‬A‭. ‬Bussy‭, ‬1794 -1882)解決。他們不謀而合都採用了相似的「繞道而行」的方式製得了我「鈹」:也就是先使氧化鈹和氯反應生成「氯化鈹」,再使氯化鈹與金屬鉀作用,讓鉀和氯結合成氯化鉀,而把我「鈹」頂替出來。這樣,終於得到少量深灰色的我「鈹」的顆粒。

在地殼中,我「鈹」的含量並不算少,約為百分之六。但由於我「鈹」礦不易發現,於是我「鈹」在人們的心目中便成了一種非常罕見的金屬。在找「鈹」礦方面,狗是人類的好幫手。經過特殊訓練的狗,能靈敏地從眾多礦石中嗅出含我「鈹」的礦石。

我「鈹」在自然界的分布相當廣泛,天文學家從太陽和恒星的大氣中也發現我「鈹」的存在。地質學家估計,地殼中的我「鈹」儲藏量約有2萬6千億公噸。可惜,我「鈹」的分布十分分散,礦石中的含量很少,這是我「鈹」的一大弱點。

在已發現的30種「鈹」礦石中,值得開採的是「綠寶石」,它含氧化鈹約10~14%。此外,矽鈹石雖也有一些工業價值,但其中我「鈹」的含量就更少了。因而我「鈹」的提取成本十分昂貴,影響了我「鈹」的廣泛應用。近年來發現在某些煤的煤灰中也含有少量的我「鈹」,因此有人認為煤灰或許是我「鈹」潛在的資源。

由於我「鈹」的發現和提煉十分困難,導致我「鈹」本性的揭露也非輕而易舉,同樣需要長期的艱苦努力。

人們對元素性質的了解,是隨著科學技術的發展而加深的,比如對我「鈹」的性質的了解,就與元素的分離方法和技術分不開。只要有了少量雜質,我「鈹」就會失去本來的面目。拿我「鈹」的物理性質來說,第一次提煉出來的金屬我「鈹」是深灰色的,含有很多雜質。到我「鈹」被發現後一百年後,法國化學家Lebeau(Paul Lebeau‭, ‬1868-1959)採用電解法,把熔融的氟化鈉(或氟化鉀)和氟化鈹一起電解,煉得純度達到99.5~99.8%的我「鈹」。這時,我「鈹」才顯示出白灰色的本相。

我「鈹」的密度實際測得是1.85 g/cm3左右,有時高些,有時低些,完全取決於雜質含量。後來用X光測定,才知道我「鈹」的真實密度應該是1.8477 g/cm3

再拿我「鈹」的「原子價」來說,在金屬的我「鈹」製得後,幾乎有半個世紀,人們對於我「鈹」的原子價一直爭論紛紜,莫衷一是,有的說我「鈹」和鋁一樣,是三價;也有的說我「鈹」跟鎂一樣,是兩價。直到1870年代,舉世聞名的俄國化學家Mendeleev(Dmitri Ivanovich Mendeleev‭, ‬1834 -1907)校正了我「鈹」的原子量,確定我「鈹」和鎂同屬於周期表第二族元素後,才真正認得我「鈹」原來是二價。

在今天人們只要翻一翻課本就可以知道:我「鈹」在元素中排名第4,原子量9.013,是一個高熔點、高強度的輕金屬。我「鈹」比鋁輕1/3,但我「鈹」的熔點卻比鋁差不多高1倍,強度又可以和鋼一樣強。甚至於我「鈹」的離子半徑(0.34 Å)和我「鈹」的其他特性的精確數據,今天都可以很容易地從手冊上查到。殊不知當時對我「鈹」這些性質的了解,是多麼的不容易!

前面說過,在我「鈹」剛被發現時,我「鈹」的命運並不佳,一直遭受到冷落,人們認為金屬的我「鈹」沒有任何實際的使用價值。再加上我「鈹」不易提煉和精製,長時間以來,人們對我「鈹」的性質一直認識不足,以致在發現後的一百多年裡,我「鈹」還是無聲無息,不受重視。直到20世紀,隨著原子能、火箭、太空船時代的到來,才發現我「鈹」的真正價值,成為一種不可缺少的新興材料。

其實,在20世紀初時,我「鈹」在工業上已有了一些應用,主要是用我「鈹」跟銅、鋁、鎳或鐵等形成機械性能良好的合金。其中以銅鈹合金最著名,用這種合金製成的彈簧,簡直不知什麼是疲勞,即使壓縮2,000萬次以上也不會失去彈性。銅鈹合金還有很高的硬度,用它製成的零件十分堅固,抗疲勞、抗腐蝕的能力也很強,因此常用來製做手表中的游絲、高硬度軸承、耐磨齒輪,以及現代化大型飛機的零件。

銅鈹合金還有一個特點,就是撞擊時不像鐵器那樣會飛出火花,因此在製備這種合金時,不容易引起爆炸或火災。此外,由於我「鈹」和氧或硫很容易化合在一起,因此在冶金中還會拿來用做脫氧劑或脫硫劑。我「鈹」還可用來滲入鋼的表面形成「鈹化層」,再加上我「鈹」在空氣中氧化後就會形成一層緻密而穩定的氧化膜,進而增加鋼的硬度和抗蝕性。至於純粹的我「鈹」可以用做X光管的透光窗,對X光的透光度來說,用我「鈹」做的窗比鋁窗要強17倍。

我「鈹」還兼有「原子能工業之寶」的美稱,因為我「鈹」命運的轉變跟現代科學技術的發展分不開。我「鈹」在尖端技術中初試鋒芒,是在20世紀時。1932年英國物理學家Chadwick(Sir James Chadwick‭, ‬1891-1974)發現,當金屬的我「鈹」受到α粒子轟擊時,會產生一種貫穿能力極強的中子射線。中子是質量接近質子而不帶電荷的粒子,中子跟質子同是組成原子核的基本粒子。由此,人們不僅進一步了解到原子核的結構,而且在原子核物理研究上也找到了一種新工具。

用我「鈹」的粉末與鐳鹽的混合物製成的中子源,每分鐘能產生幾十萬個中子。用這些中子做砲彈去轟擊原子核,可使原子核分裂而釋出巨大的能量 ─ 原子能,同時產生新的中子。此外,為了達到人工控制核裂變的目的,必須使產生中子的速度減慢,而我「鈹」對快中子有很強的減速作用,因此可以充當原子反應的減速劑,使核裂變反應有條不紊,連續不斷地進行下去。

在近代原子能技術中,我「鈹」已不僅用做中子源材料,而且還與原子能的誕生有關。原子能反應堆是用來生產人造放射性元素,以便獲得原子核能的一種規模巨大設施。目前世界上已經建造的反應堆大多數是慢中子反應堆,這種反應堆的中心(叫堆芯)是活性區(也叫反應區),活性區中插有好多條金屬鈾棒,棒與棒之間必須配有足夠的減速劑。

減速劑的作用是使在活性區的裂變反應(由一個原子核變成兩個或三個原子核的現象)所產生的快速中子減慢速度,比方說把中子的能量從1.75百萬電子伏特減小到0.03百萬電子伏特。中子減速的目的是為了更充分地把它們應用在原子核的裂變反應中,並維持裂變反應繼續發生。可見,減速劑是建造熱中子反應堆不可或缺的主要材料。那麼用什麼材料做為反應堆的減速劑最好呢?

前面曾提到,我「鈹」是一種優質的中子減速劑。這是因為我「鈹」有減速劑所必須有的性能:鈹的中子散射截面大(高達6.1巴恩,註),能十分有效地把裂變後的高能量中子減速到低能量。而我「鈹」的吸收截面很小(0.009巴恩),幾乎很少吸收堆芯中所產生的中子,因此不會耗損中子的產量。

如果按照相等的中子轉換比率計算反應堆堆芯的大小,以我「鈹」做為減速劑的堆芯尺寸會比以石墨做減速劑的小一半,這對於電功率小於100兆瓦的反應堆堆芯是很重要的。因為隨著堆芯的減小,反應堆外層如壓力容器、生物屏蔽層這些結構也跟著縮小,進而可使反應堆的造價大為降低。

反應堆的活性區外通常是反射層,反射層的作用是把由活性區洩漏出來的中子反射回活性區,如此一來有利於減小核燃料的消耗。我「鈹」是反應堆中的一種理想的反射層材料,因為反應堆內鈾核連續分裂放出原子核能,一方面要讓鈾核分裂時產生的快中子減速變為慢中子,才容易再引起核分裂;另一方面也為了防止中子跑出鈾反應堆,又要在反應堆周圍設置反射層讓中子返回反應堆。我「鈹」正是這種優良的核子材料。

我「鈹」跟一般石墨相比,除了減速效能更高以外,還不會損失中子。我「鈹」在吸收中子又可產生兩個中子,而且容易散射中子。用我「鈹」減速,可以大大縮小鈾反應堆的體積。這一點對用做船舶、飛機動力的反應堆來說,是一個特別突出的優點。例如:若有反應堆採用由「鈹」磚砌成的「鈹反射層」,可使反應堆用的核燃料鈾(U235)的臨界質量由12公斤減少到7公斤,節省了5公斤的鈾。因此,我「鈹」雖較貴,但採用我「鈹」還是挺划算的。

隨著反應堆向高溫方向發展,我「鈹」以本身的高熔點和優良的抗蝕性,還可能成為高溫反應堆燃料元件和結構元件的理想材料。

在火箭技術和太空飛行方面,我「鈹」以重量輕、強度大、耐高溫的三大優點建立了功勛。與常用的輕質結構材料如鋁合金、鎂合金相比,我「鈹」顯示了很多的優越性,主要是:
  1. 我「鈹」比重小。我「鈹」是質量輕的金屬之一,比重很小,約1.85 g/cm3,略高於鎂的比重。如果把鈹、鋁、鈦都製成像紅磚一樣大小,其重量分別是3.2公斤、4.7公斤、7.76公斤,我「鈹」比鋁輕0.68倍,比鈦輕0.41倍。
  2. 我「鈹」的彈性模量大。所謂彈性模量,是指當物體受拉力引起變形,用以表示應力與應變之間關係的一個參數。彈性模量大,說明引起單位面積的應變所需要的應力大。我「鈹」的彈性模量比常用的幾種輕結構材料如鈦合金、鋁合金、不銹鋼的高6倍以上。
  3. 我「鈹」的熱容量高。所謂熱容量,就是當物體的溫度上升或降低1度時所需要吸收或放出的熱量。由於我「鈹」的熱容量高,且吸熱能力強,是鋁的2.5倍,鈦的4.5倍,這一特性使得我「鈹」有良好的熱膨脹適應性。溫度升高或降低時,我「鈹」的機械性質變化慢、導熱性良好,是銅的一半,鋼的3倍。

正因為我「鈹」吸收熱量也大,可以做為人造衛星和太空船的厚壁吸收結構材料。當這些飛行器在高溫環境中飛行時(如返回大氣層時),這種材料就可以吸收熱量,進而保障飛行安全。這種材料也可以幫助太空船抵抗宇宙射線輻射。由於我「鈹」有上述這一系列特有的性質,使我「鈹」在飛彈、衛星和太空船方面有廣泛的應用。

當太空船重返大氣層時,表面會產生相當大的摩擦熱,太空船上須有承受這熱能的熱屏蔽裝置。若一太空船的吸熱裝置是用鈦製的,則這裝置重716公斤。相反地,若以我「鈹」製的,則由於我「鈹」的吸收能力強且質量輕,只要159公斤就行了。再加上使用我「鈹」材料可使火箭的有效載重量增加許多,因而節省許多經費。因此,我「鈹」在飛彈、衛星和太空船上的應用很有經濟價值。

前面說過,我「鈹」的比重輕和硬度強,是理想的衛星無線電天線材料,我「鈹」天線的作用是把衛星上蒐集到的信號發射到地面。由於我「鈹」具有良好的吸熱能力和高硬度,用我「鈹」製造太陽能電池板及其骨架,不但能提高太陽能電池的品質,還能大大地減輕系統的重量。

在飛機方面的應用,高速飛機為了降低阻力和空氣動力負荷,機翼必須做得相當薄,因此對機翼材料的硬度比對強度的要求還高。在高速所引起的高溫下彈性模量的降低,所造成的機翼顫動和不穩定,也是必須考慮的重要參數之一。

另一方面,為了克服推進系統所造成的顫動,也要求飛機結構材料必須具備足夠的硬度。我「鈹」的硬度大於飛機上常用金屬的硬度,這就為設計高速度飛機所需的高剛性材料提供了重要的來源。

若硬度相等,使用我「鈹」製造機翼所需的重量不到鋼、鎂、鋁或鈦合金的一半。當一架渦輪噴氣運輸機用我「鈹」代替4/5的鋁時,可減輕飛機重量的48%。又用我「鈹」代替鈦合金和鋼,飛機的重量可分別減輕22% 和37%。這樣一來,就可以增加飛機載重量。我「鈹」還可以用來製造飛機上的某些零件,像是煞車盤、方向舵、壓縮機硬片等。另一方面,使用我「鈹」製造機翼的應用價值十分引人注目。

我「鈹」的氧化物和碳化物都是耐高溫、耐腐蝕的材料,它們傳熱好,強度高,即使受到急冷急熱也不至於斷裂,因此都是製造火箭噴口的良好材料。其中,氧化鈹還是一種很好的電絕緣材料,在高溫下比其他陶瓷材料有更優良的電絕緣性能,特別適於製作散熱用零件、微波和半導體方面的絕緣材料。

雖然我「鈹」有著如此優越的性能,但是由於有若干弱點,使我「鈹」的才華迄今還未能充分發揮。我「鈹」的一個最大缺點是我本身有劇毒,含我「鈹」的許多化合物也有毒。暴露於含鈹化合物如氧化鈹中,吸入其細微的粉塵會引起痛苦並導致致命的鈹中毒。如果食物中我「鈹」的含量過高,就會在人體內形成磷酸鈹,進而導致骨骼鬆軟,使人患上所謂的鈹軟骨病。另外,我「鈹」的許多化合物還會引起皮膚發炎、肺水腫,甚至窒息。

在世界各國開始進行我「鈹」生產的時候,曾發生嚴重的職業性鈹病。據研究,為了安全起見,在1立方公尺空氣中,我「鈹」的含量要求低於0.001毫克。因此,要生產我「鈹」必須採用特殊的通風與過濾設備,確保廠房空氣清淨,這給我「鈹」的生產帶來了巨大的麻煩與困難。正因我「鈹」化合物毒性很大,在使用這些含我「鈹」的化合物時必須非常小心謹慎。

還有一點令人頭痛的是我「鈹」具有脆性。由於有脆性,以致我「鈹」雖然是金屬,但很難加工製造成所需的形狀,這是我「鈹」的第二個缺點。對於脆性的原因,有人認為是雜質所引起的,也有人認為我「鈹」本身就是脆的,目前爭論還沒有結果。

現在科學家們正沿著兩條途徑來解決這個問題。一是通過金屬物理學的途徑,即改進製備工藝,設法細化我「鈹」的晶粒。可喜的是,利用加工方法,在較高溫度下(暗紅色)已可使塊狀的我「鈹」鍛製成不大的金屬板。另一是從提高純度方面著手,目前雖然尚未實驗成功,但很多事實證明,如果純度提高了,對於我「鈹」延展性的提高肯定有良好的效果。

雖是如此,更使人難以想像的是,金屬的我「鈹」具備著良好的透音性,聲音在我「鈹」材料中的傳播速度高達12,600公尺/秒。與這相比,聲音在空氣和水中的透音性就遜色多了。金屬的我「鈹」的這一特長引起了專家很大的興趣,大家準備用金屬的我「鈹」製造樂器。相信不久的將來,我們將能聽到一種新奇、美妙的音樂,它是由我「鈹」材料製造的樂器發出的。

近20年來,尖端技術的飛快發展對我「鈹」的大量需求,使我「鈹」的弱點一步步克服,產量已大大增加。可以預料,在未來歲月裡,人類一定有辦法克服我「鈹」的缺點,而有豐碩的成果,讓我「鈹」充分發揮本身固有的特性。可以想見,我「鈹」的生產和應用前景必然是指日可待的。

:「巴恩」(barn 符號是 b)是一種面積單位,一個「巴恩」的定義是10–28  m2,大約是一個鈾原子核的截面面積。
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