來源：Nature 自然科研

　　Brigitte Van Tiggelen 和 Annette Lykknes 搜集整理了在發(fā)現(xiàn)元素和探索元素特性過程中那些重要卻常常被忽視的女性研究人員的故事。

　　將幾十種元素集中到一張元素周期表上的功勞無法歸結(jié)到一個人或是一個時間點。無論是在門捷列夫于 1869 年提出元素周期表雛形之前還是之后，科學家們都在不斷對元素進行分類和預測。還有更多科研人員努力尋找和解釋這些新的物質(zhì)。惰性氣體、放射性、同位素、亞原子粒子和量子力學這些概念在十九世紀中葉都還未問世。

德國化學家伊達·諾達克（Ida Noddack）放棄了化工行業(yè)的工作，而投入進尋找新元素的研究，最終與他人共同發(fā)現(xiàn)了錸。

　　在這里，我們將向大家介紹那些徹底改變我們對元素理解的偉大女性。居里夫人（Marie Curie）是最著名的，她因為研究放射性以及發(fā)現(xiàn)了釙和鐳而兩次獲得諾貝爾獎。而其他女性則悄無聲息地隱入了幕后。同樣被忽略的還有她們的技能與品質(zhì) ，譬如不斷開展實驗、仔細篩選數(shù)據(jù)、重新評估理論的那種堅韌和勤奮。

　　證明發(fā)現(xiàn)了一種新元素非常困難。首先，要發(fā)現(xiàn)不同尋常的特性——不能歸因于已知元素的化學行為或物理性質(zhì)，例如無法解釋的放射性輻射或光譜線。其次，必須分離出足夠量的該種元素或其化合物，以便對其進行稱重、測試并說服他人。

　　尋覓和梳理

　　1897 年，居里夫人開始攻讀博士學位，她對“鈾射線”進行研究的時候并沒有要尋找新的元素。她想探索的是 1896 年亨利·貝可勒爾（Henri Becquerel）剛剛發(fā)現(xiàn)的放射性這一概念。她發(fā)現(xiàn)瀝青鈾礦的放射性之大無法單單用鈾來解釋，于是推測是否存在其他元素，并找來了她的丈夫皮埃爾幫忙。

　　1898 年，他們確定了兩種新元素 ——鐳和釙的光譜線。然后他們花了三年多的時間研磨、溶解、煮沸、過濾、結(jié)晶數(shù)噸礦石，才提取了 0.1 克鐳化合物。（他們也試圖分離釙，但著實困難，因為它的半衰期太短了。）1903 年，居里夫婦和貝可勒爾因為發(fā)現(xiàn)放射性而共同獲得了諾貝爾獎；1911 年，居里夫人因為發(fā)現(xiàn)鐳和釙，并成功對鐳進行分離和研究而再次獲得諾貝爾獎。

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　　要確定一種元素在元素周期表中的位置，主要依據(jù)的是其原子量和化學性質(zhì)。譬如，鐳的化學行為與鋇很接近，并且原子質(zhì)量比鋇更重，因此在元素周期表中剛好排在鋇后面。但確定原子量非常困難，因為必須要通過純物質(zhì)進行測定。

　　原子量和特性相似的元素很難區(qū)分。就在門捷列夫制作好元素周期表之后，俄羅斯化學家朱莉婭·勒蒙托娃（Julia Lermontov）接受了這一挑戰(zhàn)——也可能是在門捷列夫的要求下——對鉑族金屬（釕、銠、鈀、鋨、銥和鉑）的分離過程進行改良。這是給它們排列順序的先決條件。（據(jù)我們所知）關(guān)于勒蒙托娃的工作的唯一記載是在門捷列夫的檔案以及他們的通信中。勒蒙托娃在德國海德堡學習化學，師從羅伯特·本生（Robert Bunsen，1860 年與古斯塔夫·基爾霍夫（Gustav Kirchhoff）使用他們新發(fā)明的光譜儀發(fā)現(xiàn)了銫和銣）。1874 年，勒蒙托娃成為了德國歷史上第一位獲得化學博士學位的女性。

　　精確測量原子量的值對于計算放射性衰變系，區(qū)分現(xiàn)有的新元素和已知元素的未知變體 ——同位素也是至關(guān)重要的。同位素的概念解決了一個重大問題：似乎有許多新元素突然涌現(xiàn)出來，但元素周期表中并沒有那么多位置。雖然同位素這個概念是由英國化學家弗雷德里克·索迪（Frederick Soddy）在 1913 年引出來的，但是這一術(shù)語（在希臘文中意為“同一個地方”）最早是瑪格麗特·托德（Margaret Todd）醫(yī)生在一次晚宴上提出的。

　　波蘭猶太化學家斯蒂芬妮·霍洛維茨（Stefanie Horovitz）很快就提供了同位素的實驗證據(jù)。她在維也納的鐳研究所工作，她證明即使像鉛這樣常見的元素也可能具有不同的原子量，具體取決于它是由鈾還是釷的放射性衰變而來。

1914 年，波蘭猶太化學家斯蒂芬妮·霍洛維茨在維也納鐳研究所工作期間用實驗證明了同位素的存在。

　　另一個問題便是鐳的神奇“放射物”的本質(zhì)是什么，是顆粒還是氣體？加拿大物理學研究生哈麗特·布魯克斯（Harriet Brooks）在加拿大麥吉爾大學與她的老師歐內(nèi)斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）一道解決了這個問題。布魯克斯和盧瑟福在 1901 年提出放射物的擴散就如同厚重的氣體，這是證明放射性衰變過程可能產(chǎn)生新元素的第一個證據(jù)。1907 年，威廉·拉姆齊（William Ramsay）認為這種后來被命名為氡的氣體屬于“氦元素組”——現(xiàn)在被稱為惰性氣體。

　　1902 年，盧瑟福和索迪宣布了他們的放射性衰變理論：原子在發(fā)出放射線的同時自發(fā)地衰變成新的原子。盧瑟福因其研究成果獲得了 1908 年的諾貝爾化學獎。布魯克斯發(fā)現(xiàn)氡是第一步，也是至關(guān)重要的一步，但人們卻很少記得她。雖然第一篇論文是由布魯克斯和盧瑟福共同寫作的，但后來發(fā)表在《自然》上的另一篇論文就只有盧瑟福的名字了——僅僅注明布魯克斯為盧瑟福提供了協(xié)助。布魯克斯發(fā)現(xiàn)她作為一名女性很難獲得長期職位（特別是結(jié)婚后），進行穩(wěn)定深入的研究。

　　進一步對元素特性進行探索歸納

　　有關(guān)原子核物理特性的新見解持續(xù)不斷地涌現(xiàn)出來。1917-1918 年，物理學家莉澤·邁特納（Lise Meitner）和化學家奧托·哈恩（Otto Hahn）在柏林發(fā)現(xiàn)了 91 號元素——鏷。邁特納是奧地利人，在獲得博士學位后前往德國尋找更好的職業(yè)發(fā)展機會。1907 年，她被柏林大學化學系的哈恩錄用，成為其無償合作者。她不得不在地下室工作——因為女性不應該被看到。1913 年，在哈恩調(diào)任至柏林-達勒姆的威廉大帝化學研究所（Kaiser-Wilhelm Institute for Chemistry）后，她成為該研究所的“合伙人”。

　　哈恩和邁特納在放射性衰變系中尋找錒的“母物質(zhì)”時，發(fā)現(xiàn)了鏷。當時尋找新元素的競爭十分激烈，因此有關(guān)孰先孰后的糾紛不可避免地隨之而來。哈恩和邁特納最終被認定為是第一個發(fā)現(xiàn)鏷的團體，因為他們收集的物質(zhì)量更多且對該物質(zhì)特性的研究比其競爭對手更為完整。

　　另一個元素，75 號元素錸，于 1925 年由德國化學家伊達·諾達克（Ida Noddack）和她的丈夫沃爾特·諾達克（Walter Noddack）在柏林發(fā)現(xiàn)，與他們合作的還有電氣工程公司 Siemens-Halske（后來并入西門子公司）的奧托·伯格（Otto Berg）。伊達·諾達克（娘家姓塔克）原本是一名化學工程師，但是她放棄了化工行業(yè)的工作而去尋找新元素。1925 年，她開始在柏林的帝國物理和技術(shù)研究所擔任無償客座研究員，當時沃爾特在那里擔任化學實驗室的負責人。諾達克夫婦努力制備了可稱量的錸——以萊茵河命名；錸是地球上最稀有的元素之一，不具有放射性。

　　諾達克夫婦還宣稱找到了第 43 號元素，他們稱之為鎷（以波蘭馬祖里亞命名）。但他們從未成功地再現(xiàn)其光譜線或分離出這種物質(zhì)。事實上，使用“濕化學”方法研究這種元素是沒有用的。1937 年，第 43 號元素成為第一個人工制備而成的元素，被命名為锝。

　　居里夫人因為其自己的研究成果而得到認可，并在皮埃爾去世后接替了他在巴黎大學的職位。但伊達·諾達克不同，她在她丈夫的實驗室以客座研究員的身份工作了大半輩子。這也是 1934 年她提出原子核可分裂理論時沒有得到重視的原因之一，現(xiàn)在這個原子核分裂的過程被稱為核裂變。

　　1932 年中子的發(fā)現(xiàn)與 1934 年感生放射性的發(fā)現(xiàn)開辟了一個全新的研究領域——在實驗室中通過用粒子轟擊原子來制造新的元素。1934 年，物理學家恩里科·費米（Enrico Fermi）及其羅馬大學的同事宣布，他們通過用中子轟擊鈾制造出了第 93 號和第 94 號元素。伊達·諾達克在《應用化學》（Angewandte Chemie）上發(fā)文指出，費米未能證明轟擊沒有產(chǎn)生其他化學元素，包括一些原子質(zhì)量較輕的元素。“可以想象，”她說，“原子核會分裂成幾個大的碎片。”但物理學家們忽略了她的聲音。

　　1938 年，邁特納和哈恩意識到費米制造的其中一種元素是鋇，并且鈾原子核的確已經(jīng)分裂了。那時正處于第二次世界大戰(zhàn)前夕，身為猶太人的邁特納已逃往瑞典。雖然是她的計算讓哈恩相信鈾原子核的確分裂了，但哈恩在 1939 年發(fā)表研究結(jié)果時并未提到邁特納的名字，也沒有在 1945 年接受 1944 年的諾貝爾化學獎時將這件事澄清。

1930 年，鈁的發(fā)現(xiàn)者瑪格麗特·佩里（Marcerite Perey，左）和她的同事索尼婭·科特爾（Sonia Cotelle）在巴黎鐳研究所。

　　這些女性先驅(qū)大多與男性研究人員合作，因此很難區(qū)分他們的貢獻。瑪格麗特·佩里是一個例外：這位法國物理學家被認為在 1939 年獨立發(fā)現(xiàn)了第 87 號元素——鈁。佩里在 19 歲時加入瑪麗·居里的巴黎研究所，擔任實驗室技術(shù)員，由伊雷娜·約里奧-居里（Irène Joliot-Curie）和安德烈·德比埃爾內(nèi)（André Debierne）提供指導。兩人分別要求她計算同位素錒 -227 的精確半衰期，這是一個精細的技術(shù)過程，就在這期間佩里發(fā)現(xiàn)了新元素鈁。因為當時伊雷娜·約里奧-居里和安德烈·德比埃爾內(nèi)無法就佩里究竟為誰工作達成共識，所以他們都無法說明自己在這一發(fā)現(xiàn)中所發(fā)揮的作用。后來佩里成為了斯特拉斯堡大學核化學系的負責人，并于 1962 年成為第一位當選法國科學院院士的女性——擔任通訊院士。（雖然沒有反對接納女性的規(guī)定，但直到 1979 年才有第一位女性當選為正式院士。）

　　鈁是在自然界中最后發(fā)現(xiàn)的元素。放在今天，這樣的發(fā)現(xiàn)需要有大型研究團隊、粒子加速器和龐大的預算才行。化學元素的含義已經(jīng)發(fā)生了改變，從門捷列夫認為的穩(wěn)定而不可轉(zhuǎn)換的物質(zhì)變成了到僅能存在幾毫秒的同位素。

　　20 世紀 70 年代初，美國化學家達蓮娜·霍夫曼（Darleane Hoffman）利用相關(guān)技術(shù)實現(xiàn)了跨越性的突破。她證明同位素鐨-257 可以自發(fā)裂變——不僅僅是在被中子轟擊之后。霍夫曼是第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性，她還在自然界中發(fā)現(xiàn)了钚-244。她培養(yǎng)了幾代女科學家。其中一位是道恩·沙內(nèi)西（Dawn Shaughnessy），她現(xiàn)在是勞倫斯利弗莫爾國家實驗室的重元素項目（以及其他幾個項目）的首席研究員，該項目幫助發(fā)現(xiàn)了六個新元素（113-118）。

1979 年，霍夫曼成為了第一位擔任洛斯阿拉莫斯國家實驗室科學部門負責人的女性。

　　將元素物盡其用

　　在探索元素的道路上還有很多其他女性的身影。1886 年，法國化學家亨利·莫瓦桑（Henri Moissan）分離出了氟。之后在 20 世紀 20 年代到 30 年代初期，一支女性團隊（特別是卡門·布魯格·羅曼·費雷爾（Carmen Brugger Romaní）和特立尼達·薩利納斯·費雷爾（Trinidad Salinas Ferrer））與馬德里大學的何塞·卡薩雷斯·吉爾（José Casares Gil）開展合作，共同研究氟對健康的影響及礦泉水中的氟含量。1936 年-1939 年西班牙內(nèi)戰(zhàn)后，她們不得不退出研究，她們的工作成果便歸入了卡薩雷斯的名下。

　　化學家里塔·克拉克·金（Reatha Clark King）是第一位在華盛頓特區(qū)國家標準局工作的非洲裔美國女科學家。20 世紀 60 年代，她研究了氟氧氫氣體混合物的燃燒：氟的高反應性意味著其可用于火箭推進劑。有的混合物爆炸性過強，因此需要特殊的設備和技術(shù)。NASA 采用的正是金的設計。

　　20 世紀 10 年代，美國醫(yī)生和研究員艾麗斯·漢密爾頓（Alice Hamilton）證明了鉛的毒性及其對公眾和金屬行業(yè)從業(yè)人員的危害。她迫使保險公司和制造商采取安全措施并對受影響的人進行賠償。她還組織了社會運動，讓大家認識到汞等其他重金屬可能給從業(yè)人員造成的疾病傷害。1919 年，她成為了哈佛大學的第一位女性教師。早在 1925 年，她就明確反對在汽油中添加鉛。

　　日裔美籍技術(shù)人員 Toshiko‘Tosh’Mayeda 在 20 世紀 50 年代就掌握了氧的放射性同位素的測量方法。起初她在芝加哥大學哈羅德·尤里（Harold C。 Urey）實驗室里清洗玻璃器皿，不久便成為了質(zhì)譜儀的負責人。她幫助測定了貝殼化石中氧同位素的含量，用以推斷史前海洋的溫度，并將這種方法推廣到了隕石中。

　　像所有日裔美國人一樣，1941 年 12 月 7 日珍珠港事件發(fā)生后，Mayeda 被送往拘留營并遭到歧視。Mayeda 只擁有化學學士學位，本來或許會成為那些做出重大貢獻卻不為世人所知的眾多女性技術(shù)人員之一。但是，好在 Mayeda 得到了上司的支持，她的名字與那些博士和教授一并出現(xiàn)在了期刊論文中。

　　元素周期表的背后

　　與研究發(fā)現(xiàn)一樣，搜集整理這些女性科學家的故事也需要團隊的合作，非常感謝以下各位所做的努力和貢獻，他們是：Gisela Boeck、John Hudson、Claire Murray、Jessica Wade、Mary Mark Ockerbloom、Marelene Rayner-Canham、Geoffrey Rayner-Canham、XavierRoqué 、Matt Shindell 和 Ignacio Suay-Matallana。

　　追蹤了解化學研究史上的女性角色，從無償?shù)闹趾图夹g(shù)人員到杰出實驗室的負責人，我們更全面地了解了這群在科學發(fā)現(xiàn)道路上不懈努力的人。今年是元素周期表誕生 150 周年，我們必須認識到在它的建立和發(fā)展背后是許許多多科研人的個人努力和精誠合作。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的为元素周期表背后的女性科学家喝彩的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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