同位素發現百年紀念

同位素發現百年紀念
國立臺灣大學科學教育發展中心特約編譯郭冠廷

REFLECTION
Soddy in his lab at the University of Glasgow.
Credit: University of Glasgow Archive Services, GB0248 UP1/503/1

Frederick Soddy在一百年前的這個月發現：元素可以有幾種原子量。

1913年的12月4日，輻射化學家Frederick Soddy（弗雷德里克·索迪，1877年9月2日－1956年9月22日）提出「同位素」的概念。而Soddy也因此獲得1921年諾貝爾獎的殊榮。

一位早熟的少年

Soddy出生在1877年9月2日英國的Eastbourne，他是一位早熟的少年。在18個月大時，就面臨母親的去世，由信仰加爾文傳統（Calvinist tradition）[1]的堂妹扶養長大，也因此培養出索迪獨立於當代社會與宗教的獨立性思考模式。Soddy曾在Eastbourne學院、Aberystwyth學院Wales分院、Merton學院、Oxford大學就讀。而後於1898到1900之間，在Oxford大學進行獨立研究。

放射性蛻變的發現

1900年Soddy在McGill大學時，成為一名化學界的示威者。與英國物理學家Rutherford共同研究物質的放射性。而在當時，對放射性的瞭解可說是少之又少，而Soddy與Rutherford就已經意識到，放射性的存在，是肇因於元素的衰變。元素衰變時會釋放α-, β-, and γ-radiation。Soddy用化學方法來辨別出衰變的產物。並於1900到1902年之間的時8個月當中，Soddy和Rutherford共同出版了九篇歷史性的文章，文章當中提出了：原子分裂後可以產新的物質。而這正是古代煉金術師們的夢想，因此Soddy稱這個過程為煉金用語中的「蛻變（transmutation）」。

Rutherford和Soddy的放射性理論，解釋了蛻變的發生。他們是首位計算出放射性蛻變的過程中，會伴隨大量能量釋放過程的學者。可惜的是，Soddy因為被誤認為僅是Rutherford底下的年輕助手，而非工作伙伴。因而在這項發現當中，Rutherford獲得大部分的榮耀，而Soddy也因此與1908年的諾貝爾化學講擦身而過。

兩位學者共同提出放射線的存在，並從Uranium-92和Thorium-90出發。這兩個元素的最終產物都是Lead-82。因此兩位學者主張，Helium應該是Radium-88的衰變產物。

1903年，Soddy離開加拿大前往London大學，與蘇格蘭化學家Sir William Ramsay一同工作。Soddy和Ramsay利用光譜分析的結果證明，Helium就是Radium衰變過程當中所釋放出來的α-particles。而這當中的Radium也是Soddy和Rutherford稍早所提出，並且第一個以實驗證明自然情況下產生蛻變的元素。α-particles帶有兩個正電荷與兩個中子，並具有與Helium相同的原子核，也就是He²⁺。

「同位素」概念的提出

從1904年到1914年，Soddy在Glasgow大學擔任講師。1908年與Winifred Beilby結婚。可惜的是這對夫妻沒有孩子，而Soddy認為，他的不孕與工作環境中的放射性有密切的相關。

在Glasgow中，Soddy發表著名的「位移定律（group displacement law」：隨著α-particle從放射性元素的釋出，會導致該元素在週期表上向左平移兩個位置；而隨著β-particle的釋出，則會導致元素在週期表上往右平移一個位置。而一個元素如果同時發出α-particle和兩個β-particles，就會回到週期表上原本的位置。而該元素會展現出與原本元素相同的化學性質，唯一的差別在於「質量」的不同。

很快的，Soddy開始厭倦將這種元素稱為「一種化學性質相同，且不可用化學方法分離的元素。（elements chemically identical and non-separable by chemical methods）」因而他在1913年一封給知名雜誌Nature的信中描述，他將這種元素稱為「同位素（isotope）」。用來描述具有相同原子序數目，但是卻具有不同原子量的元素。

1914年，Soddy、Henry Hyman、Maurice Curie、Marie Curie’s nephew、Otto Honigschmid、Stephanie Horovitz、Theodore William Richards、Max Ernst Lembert，都證明了同位素的概念，表示Lead可已經由Radium的分裂而產生，而這個Lead與天然的Lead[2]具有不同的原子量。

Soddy也終於獲得1921年的諾貝爾化學獎：他對人類的貢獻在於：帶來放射性物質的知識，與調查出同位素的起源。Soddy在諾貝爾獎的致詞當中說：同位素的原子具有相同的外表，不同的內在。他已經認知到，雖然他的同位素概念，是源自於對放射性元素的研究。但是同位素很快就會被發現存在於其它非放射性元素當中。而這個預測很快的就被1922年諾貝爾化學獎得主Francis William Aston所驗證。

將科學的成果用於慈善用途

1919年到1936年之間，Soddy擔任Oxford大學的教授。但是他的興趣轉移到科學對社會的影響。從經濟、商業、金融、社會、政治、環境等都在他所關心的範圍當中。在第一次世界大戰期間，Soddy受到年輕物理學家Henry Gwyn Jeffreys Moseley的死所激怒。戰死沙場的Henry，曾在1913年提出原子序的想法，對週期表帶來革命性的影響。

Soddy在給Sir Daniel Hall所著，1935年出版的《科學的無奈》（The frustration of Science）中贈序寫道：「現代科學已經給現代社會帶來偉大歷史中輝煌時代也無法比擬的燦爛。（It is modern science which has made the modern world great, with greatness that the illustrious epochs of history cannot match.）」Soddy認為他要致力於將科學的成果直接導向慈善用途。

Soddy很早就意識到，理論上核能在未來社會將成為主流能源。在Soddy自己在1926年所出版的書《財富、虛擬財富、債務》（Wealth, Virtual Wealth, and Debt）[3]中，他自問當原子能面世後的世界會是什麼樣的樣貌？「如果原子能明天被發現。將不會有一個國家不拋出他們自己的心臟和靈魂，將原子能應用於戰爭當中。就像他們現在正在做的化學武器毒氣戰。……假如（這）在現有經濟條件下來到，將給現代科學文明帶來反證（reduction ad absurbdum）[4]，科學文明會迅速崩毀，而不是漸進式的崩壞。」[5]

1936年，Soddy因為妻子的辭世而提早退休。他的晚年充滿著不愉快。他認為有一些理由，來自於他晚年的貢獻沒有受到承認。而於1956年9月22日，享年79歲，於英國Brighton離開這個世界。為紀念他的貢獻，放射性鈾礦（Soddyite）和月球背面的小坑洞（Soddy crater）[6]，都被以Soddy的名子來加以命名。

Soddy將他的遺產成立「弗雷德里克·索迪信託（Frederick Soddy Trust）」。將二萬五千英鎊的教育基金，致力於青少年的旅行和體驗不同社會群體的生活。Soddy里程碑的成就──同位素的發現──直到發現滿百年的今年。他已經造福數百組的青年們。而這群青少年透過旅行和體驗，也承襲Soddy的理念，持續解決Soddy生前所關注的諸多社會問題。