3月1日—週期表夢中現身
門得列夫試了很久，卻總是顧此失彼，最後終於精疲力竭而不支睡著。睡夢中一張表格驀然浮現，化學元素以他未曾想過的方式排列，卻恰能各安其位。他自夢中驚醒，趕緊拿出紙筆，趁記憶猶新將它如實畫下……
Category 化學
2月18日—發明電池、促進電學發展的人
1791年的某一天，義大利帕維亞大學的實驗物理教授伏打（Alessandro Volta）翻開剛出版的期刊，裡面一篇題為〈論肌肉動作的電效應〉的論文吸引了他的注意。 這篇論文是由54歲的義大利醫生伽伐尼（Luigi Galvani）所寫，描述他過去幾年用青蛙進行的實驗。他先是發現轉動用來產生靜電的起電盤，或是天空出現閃電時，會隔空讓死掉的青蛙雙腿抽動。後來他發現即使沒有這些外部電力，光是將青蛙的下半身掛到鐵架上，蛙腿也會自發性地抽動，他認為這是因為青蛙體內原本就有電，經由肌肉神經碰觸到金屬而釋放出來。伽伐尼因此主張除了靜電和大自然的雷電，還有第三種電——動物電。 伏打讀完論文後眉頭一皺，對動物電的說法深感懷疑。他出生於1745年2月18日，雖然比伽伐尼小8歲，但對於電的研究卻早就享有盛名。伽伐尼所用的起電盤，便是伏打於1775年改良發明的，一推出就大受歡迎，成為將靜電注入萊頓瓶的最佳工具。 伏打重覆伽伐尼的實驗，用銅鉤串起青蛙下半身，掛在鐵架上，蛙腿的確如論文所寫的那樣產生抽動。不過倘若不用銅鉤，而是改用和鐵架相同材料的鐵鉤，蛙腿就不會抽動了。於是伏打隨即發表論文，直陳伽伐尼宣稱的動物電並不存在，而是銅、鐵兩種不同金屬之間有電位差，產生的電流經過青蛙的肌肉神經才引起抽動。 伽伐尼不甘示弱，又進行其它實驗來證明蛙腿收縮和金屬無關。伏打也不斷挑出伽伐尼實驗的缺失，雙方你來我往地打了幾年筆仗後，伏打想到如果沒有蛙腿也會產生電流，就可以徹底證明無關乎所謂的動物電了。經過多次實驗，伏打找到最佳組合：將許多銀片與鋅片交替堆疊起來，每對銀片與鋅片之間再以浸了鹽水的布片隔開，就能產生強烈的電流。 就這樣，伏打發明了史上第一個電池——「伏打堆」。伏打的論文於1800年在英國皇家學會發表後，除了取得與伽伐尼多年爭辯的最終勝利，使得動物電的主張被學界揚棄（註），更重要的影響是，加速了電學的進展。 這是因為萊頓瓶雖然可以貯存靜電，但一旦觸碰，所有靜電即瞬間傾洩而出，難以用來做電學研究。如今伏打發明的伏打堆不但能持續產生穩定的電流，又非常容易製備，有需要的科學家都可以自己製作一套來做實驗。英國皇家學會主席的朋友卡萊爾醫生 (Anthony Carlisle)和化學家尼寇森 (William Nicholson)，就是在收到論文後試圖複製伏打堆，無意間將水電解出氫氣與氧氣，開啟了電化學這個全新的領域。 幾個月後，德國化學家里特（Johann Ritter）進行水電解的量化實驗，測量出產生氫氣與氧氣的比例，並進一步發現電鍍的化學反應。英國化學家戴維爵士 (Humphry Davy) 也是利用伏打堆電解礦石，而於 1807 年發現世人仍不知道的元素鈉和鉀，隔年他又陸續電解分離出鈣、鍶、鋇、鎂、硼等新的化學元素。 除了電化學，伏打堆對於物理也有深遠的影響。沒有電池，安培無法在1826年發現安培定律，法拉第也不可能在1837年發現電磁感應。電學的發展可說是始自伏打的發明，為了表彰他的貢獻，他的姓氏便做為電壓的單位（Volt, 伏特），永遠流傳下來。 註： 伽伐尼於1798年就抑鬱而終，他的外甥在他死後仍繼續做實驗，試圖捍衛動物電的主張，但影響有限。要到1840年代，才又有人重拾動物電的研究，進而證明動物體內的確有電——雖然如今我們知道並非伽伐尼以為的那種電，而是和鈉、鉀離子有關。 從這個角度看，動物電的多年爭辯固然最終由伏打勝出，但這場勝利在促進電學的同時，卻也付出了相對代價，造成電生理學的發展延遲了半世紀之久。 參考資料：
拉塞福從鄉下青年成為一代宗師之路
這次去紐西蘭南島，有個遺憾是未能去拉塞福的出生地明水鎮（Brightwater）朝聖。雖然我們是自己開車，但明水鎮距基督城5個小時車程，和我們的行程完全相反，只能忍痛放棄。 移民之子 現在的我們就覺得偏遠，對十九世紀的拉塞福而言更是如此。他的的父母是來自蘇格蘭的移民，在明水鎮定居後，雖然又搬了幾次家，但都在附近的城鎮，因此拉塞福從小一直在小鎮讀書，直到1890年才到紐西蘭當時的第四大城——基督城，就讀坎特伯利大學（Canterbury College）。 對喜愛科學的拉塞福而言，紐西蘭不僅位在世界的邊緣，更是科學的邊陲地帶，坐困於此絕對無法有所成就。所幸在他大學畢業那年，機會來了。英國皇室有項研究獎助金，這一年首度開放給英國殖民地的學生也能申請，拉塞福憑著自己設計的無線電檢波器入選，於1895年前往劍橋大學的卡文迪許實驗室（Cavendish Laboratory），師從湯姆森（J. J. Thomson），進行為期三年的研究。 劍橋大學的異類 卡文迪許實驗室收的學生向來都是劍橋畢業，拉塞福是第一位非嫡系出身，又來自偏遠的海外殖民地，雖然湯姆森對他刮目相看，但他仍成為大家眼中的異類，總是受到排擠。1896年，馬可尼來英國展示無線電報系統，拉塞福原本引以為傲的檢波器，相較之下簡直有如玩具，他只好黯然放棄，另尋研究題目。 當時物理界正掀起研究陰極射線與X射線的熱潮，這是因為前一年11月，德國物理學家倫琴（Wilhelm Röntgen）在做陰極射線實驗時，意外發現穿透力極強的X射線，他拍下妻子左手的骨骼照片，震驚各界，吸引物理學家紛紛投入研究。法國物理學家貝克勒（Henri Becquerel）便是懷疑燐光礦物也會產生X射線，而於1896年3月初無意發現鈾鹽竟讓未拆封的底片曝光，首度揭露物質竟能自發性地散發出相當高的能量。 湯姆森鼓勵拉塞福研究較少人關注的放射性。與貝克勒同在巴黎的居禮夫婦想找出放射性的來源，拉塞福則著眼於放射性的本質。 1897年，湯姆森對陰極射線施加電場與磁場，從其軌跡發現了電子，拉塞福受此啟發，決定用類似的方法來分析放射線。不過他所拿的三年獎助金在1898年到期，剛好加拿大的麥吉爾大學（McGill University）正在物色物理系主任，在湯姆森的大力推薦下，才27歲的拉塞福竟雀屏中選。 另一個邊陲之地 拉塞福欣喜之餘也感到擔憂，他好不容易從紐西蘭來到英國，如今又要踏上另一個偏遠的殖民地，無法及時獲得最新資訊，又難以和科學社群密切交流（當時尚無越洋電報），怕會落後同儕。 拉塞福一到加拿大，便加緊延續放射性的研究。他將鈾鹽置於正負電極之間，確認鈾鹽的放射線造成空氣游離，產生電流後，將一張約5微米的鋁箔蓋住鈾鹽，電流隨即下降。他再加一張鋁箔，電流又降更多，但超過四張之後，電流即不再往下降，一直到12張鋁箔紙都維持在一個固定的值。 這代表鈾鹽的放射線至少有兩種，一種很容易被擋下來，另一種卻能輕易穿透很多張鋁箔紙；拉塞福把前者稱為α射線，後者稱為β射線，於1899年發表論文。 拉塞福雖然率先揭開放射性的一層面紗，不過貝克勒緊接著在1900年確認β射線就是電子，而在1898年發現釙和鐳兩種新元素的居禮夫婦，更是不斷有新的發現，他們兩人到1902年就發表了32篇放射性方面的論文。這讓身處邊陲的拉塞福更感焦慮，只能加倍努力。 他們會把我們當成煉金術士砍頭的 1901年的某一天，他的研究助理索迪（Frederick Soddy）發現釷元素竟然自發性地蛻變為鐳，不禁興奮地喊道：「拉塞福，這是蛻變（transmutation）！」，努力建立聲譽的拉塞福眉頭一皺，回說：「看在上帝的份上，不要叫它蛻變！他們會把我們當成煉金術士砍頭的。」第二年，他們在論文中謹慎地用「裂解」（disintegration）稱之。 拉塞福繼續揭開放射性一層又一層的面紗。他先於1902年證實α射線是帶正電的粒子，1903年又發現穿透力更強的第三種放射性，把它稱為γ射線。這一年，他的得意門生索迪決定回英國做研究，貝克勒和居禮夫婦獲頒諾貝爾物理學獎，想必讓拉塞福感觸更深。 1906年，拉塞福測量α粒子的電荷與質量比值，發現相當於帶兩個正電荷的氦原子，便推測α粒子就是氦離子（要等到1932年，他的學生查德威克發現中子後，才知道其實是氦原子核）。 重返英國 在加拿大熬了九年，拉塞福終於等到重返英國的機會，曼徹斯特大學於1907年聘請他擔任物理系主任，從此便能在歐洲學術圈內和其他同儕公平競爭。 其實拉塞福在加拿大的諸多發現早已獲得肯定，1908年的諾貝爾化學獎即頒予他，以表彰他對放射性研究的貢獻。（不過他有點不開心，因為他更希望拿到物理學獎。他曾說過：「除了物理，其它科學不過是集郵。」） 後來的事，大家都在課本上讀過了。他於1909年用α粒子轟向金箔，發現原子的質量大多集中於原子核，因而提出電子圍繞著原子核的行星模型，推翻恩師湯姆森的「葡萄乾–布丁模型」。1919年，他接替湯姆森掌管卡文迪許實驗室，完全體現了科學發展中兼具的革命與傳承精神。 1937年，拉塞福在緊急的腸阻塞手術四天後過世，享年僅66歲。他死後葬於西敏寺，與牛頓、達爾文等宗師同享最高榮耀。當然，紐西蘭人更以這位土生土長的科學巨擘為傲，紐西蘭最高面額的百元紙鈔上，便是拉塞福的肖像。 參考資料：
發現動物電的人
1786年9月的某一天，伽伐尼將青蛙的下半身用銅鉤串起來後，掛到鐵鉤上，不小心蛙腿直接碰到鐵鉤，這一瞬間，蛙腿竟然抽動了一下。難道青蛙腿內原本就有電，碰到金屬而釋放出來……
9月6日—提出原子論的人
老人以顫抖的手拿起筆，吃力地在紀錄本上寫下今天的天氣、溫度、濕度和氣壓。他自21歲起就每天記錄當天氣象的相關資料，至今57年從不間斷，即使今年五月再度中風，身體大不如前，他仍堅持這數十年如一日的習慣。 老人闔上紀錄本，想起當年啟蒙他研究氣象的果夫（John Gough）老師。那是他15歲的時候吧？他到哥哥接手的一所文法學校幫忙教書，第二年，大他9歲的果夫也前來任教。果夫雖雙眼失明卻博學多聞，不吝教導他語文、數學與自然科學，他無以回報，只能朗讀書報給果夫聽。 但他得之於果夫實在太多，除了學到大氣的測量與實驗方法，以及如何將氣象記錄整理成冊（他便是因此養成每天記錄的習慣），果夫還大力推薦他，讓他在27歲時得以到曼徹斯特一所學院教書。 對了，他就是在任職後才發現自己的眼睛也有缺陷，原來自己一直是色盲，其實無法看見完整的色彩。他試著探討這背後的原因，而於當年完成他的第一篇論文。結果這篇1794年發表的論文，成為史上第一篇探討色盲的科學論文，而自己的姓氏後來竟然就被用來命名色盲症（Daltonism）。 他原以為會在這所學院教書終老，沒想到學院的財務狀況日益惡化，他在1800年就失去教職。他乾脆自己開辦私塾，課餘時則針對之前觀測氣象時，注意到的「飽和蒸氣壓」現象展開實驗。 他發現相同氣體溶入水中的量，與空氣中的氣體含量，兩者有固定的比例關係，而不同氣體在水中溶解的比例關係卻各不相同。他因此思考不同氣體是否由不同粒子組成，而且粒子的數量與重量也各不相同？ 經過無數實驗後，他於1803到1805年間陸續發表後來被稱為「原子論」的學說，主張每種元素都是由不可再分割的原子組成；同一元素的原子完全一樣，不同元素有不同性質與重量的原子；不同元素形成化合物時，其原子是以簡單整數比結合而成。 他還設計了各種原子的符號，一顆顆小小的圓形圖案多美麗啊！他不懂世人為何要採用瑞典化學家貝吉里斯（J. J. Berzelius）所提議的，使用字母作為元素符號，一點美感都沒有。還有一個法國人蓋呂薩克（Joseph Gay-Lussac）也讓他相當不滿，竟然指他的實驗有誤，說水的氫氧比例不是1:1。 無論外界如何批評或又怎麼紛紛擾擾，他仍堅信自己才是對的，因此他埋首繼續自己的實驗，繼續為私塾的學生上課，直到1837年中風才不得不結束私塾。他突然想起最後一屆有位姓焦耳的學生，雖然調皮卻蠻聰明的，不知現在如何了？ 老人回過神來，將氣象的紀錄冊收好，上床就寢。第二天一早，照顧他生活起居的僕侍發現他倒在床邊地板，已無氣息。1844年7月27日，以原子論改變現代化學的道爾頓（John Dalton）因中風過世，享年77歲。 按：原文收錄於《科學史上的今天》中〈9月6日——道爾頓冥誕〉，此處略做修改。 參考資料：