科幻科學報

▌文／沈川洲、陳心維
▌提供／科學人

你可以想像嗎？超過一個半世紀以來，課堂上老師教的、課本裡寫的以及懸掛在教室裡的週期表中，各種元素固定的原子量，其實很有問題！因為有70多種元素的原子量是會變動的。

自然界中，除了只擁有一種穩定同位素的元素外；對於具有兩種以上穩定同位素的元素而言，在不同地點，例如大氣、海洋、地殼或太空等，同位素比例都不太一樣。也就是說，絕大部份元素的原子量是會變化的，不是恆久固定的值。

2011年為國際化學年，最有意義的重大事件，是在發現同位素一世紀後的2011年7月，由國際純粹及應用化學聯合會（IUPAC）出版的《國際化學》期刊中，正式發表了新版的同位素週期表，這個計畫名為「建構教育界使用的同位素週期表」（Development of an Isotopic Periodic Table for the Educational Community），自2007年開始執行，將週期表大幅改版，在每個元素格中，增列圓餅圖以表示同位素組成，並將10種元素（詳見〈同位素週期表〉中的粉紅色元素格）的原子量變化範圍，正式明列出來，例如氫的原子量範圍為1.00784到1.00811。而為了方便使用，也有科學家在論文中列出了這些元素新的原子量平均值。

然而目前首次提出的同位素週期表，並不是最終版本，因為IUPAC將持續執行這個計畫，未來幾年將持續更新同位素週期表。

百年前的大驚奇：發現同位素

道爾頓（John Dalton）在19世紀初首先提出原子概念理論，一切物質由這些穩定的元素組成，並首次提出一些元素（氫、碳、氮、氧、硫、磷）的相對原子量。1869年，門得列夫（Dmitri Mendeleev）以俄文發表了標題為〈元素特性及其與原子量的關係〉的論文，提出現代週期表的雛型，這篇劃時代的兩頁鉅作，是打開人類對化學元素認識極為重要的一扇窗。

到了1896年，貝克（Henri Becquerel）在磷光實驗中，偶然發現鈾元素會自發性的釋出放射線，震驚了當時的科學界，激發許多頂尖的物理及化學家，前仆後繼投入有關放射性元素的研究狂潮中。

更震驚當時的是，多年來以純化超重金屬元素聞名的拉塞福（Ernest Rutherford），他實驗室裡的學生索帝（Frederick Soddy）於1901年發現，釷元素除了會釋出放射線外，還會自行衰變為鐳元素，這是科學界第一次發現到自然界除了穩定的元素外，也存在著不穩定元素，而且元素會自動轉變成另一種元素。發現的瞬間，索帝意識到：天啊！古老煉金術傳說是真的！他興奮地飛奔去向現代尊稱為原子核物理之父的老師報告，說他發現了元素的自然變質作用（transmutation，指煉金術中，金屬經過精煉後可轉換為純金的過程）。但是實驗態度以嚴謹出名、當時最具科學權威的拉塞福，當場潑了索帝一身冷水，並痛罵他：「看在上帝的份上吧！索帝，你可別亂講話！當心別人會把我們當成煉金術士了！」

數年之後，索帝、拉塞福及其他的科學家，才了解到釷元素變成為鐳元素的現象，為放射性元素的自發衰變過程，是不可能精煉成金子的，釷元素再經過一系列的衰變後，終將轉變為穩定的鉛元素。

索帝又歷經了10年的研究發現，有些具有不同放射性特徵以及質量的物質，無法利用化學方法把它們分離開來，也就是這些物質具有相同的化學特性。1910年他發表論文，推測這些長久困惑他的物質，是具有不同型態的同一種元素，佔據著週期表上同樣的位置！1913年，索帝以希臘文涵義「位於同樣位置」的同位素（isotope）一詞來表示這些物質，從此又開啟了人類對同位素一世紀來的研究。

在索帝提出同位素概念之後五年，鄧普斯特（Arthur Dempster）設計了第一台具有電磁鐵的熱游離質譜儀。他以高溫將中性原子離子化，這些離子在真空中受到電位差加速而做直線運動，當飛行過電磁場時，各種帶電的同位素離子因質量不同，造成旋轉半徑不同而被分離。鄧普斯特利用簡單的電磁學原理，便準確分析元素的同位素比例，直接證實了索帝「元素具有同位素」的假說。隨後幾十年間，週期表上元素同位素的組成陸續被準確測量。今天，以現代的多頻熱游離質譜儀以及感應耦合電漿質譜儀，來測量同位素比例，精準度可以達到百萬分之五至十。

同位素的誕生：不是孿生兄弟的兄弟

經過百年的同位素測量及研究，我們已經知道，自然界存在著穩定的同位素以及不穩定的放射性同位素。這些外觀及化學性質幾乎一模一樣，共同屬於一個元素下的成員，並不是在單一族譜裡同一父母所生的孿生兄弟。目前大部份科學家相信，核種演化歷經兩個主要階段：一是大約140億年前，從虛無到創世的宇宙大霹靂，二是隨後的恆星和超新星爆炸，在高溫高能下，各式各樣的同位素經由一連串錯綜複雜的核融合及核分裂反應所形成。

在歷經數十億年星際空間和太陽系形成的混合作用後，各元素的同位素，逐漸以均勻比例分佈於太陽系中，所以太陽系的成員，雖然形成於不同的區域，但各種元素的同位素比例，理論上應該是相同的。近年來藉由分析太陽系隕石標本，也證實了各個元素的同位素比例，在不同來源的標本中基本上是一致的，這個結果證明了太陽系同位素比例均一性的理論。

太陽系的元素同位素組成，雖然在形成初期，似乎已經均勻混合，但是事實上，同位素的比例會隨著物理、化學以及生物過程而稍微變化。相對於穩定性的同位素，同一種元素的不穩定放射性同位素，也會因自然衰變，所佔的百分比逐漸減少。

太陽系初期形成的短半衰期核種，經過數十億年的歲月，已經消失殆盡。現在能夠在自然界發現的放射性核種，大致分為兩類：一種是具有長半衰期的鈾系母核種──鈾238、鈾235、釷232（半衰期分別為45億年、7億年以及140億年）以及同一系列的子核種。鈾元素的兩個主要同位素：鈾238和鈾235，從太陽系形成至今，已分別經歷了1個和6.7個半衰期，由此可以回推在太陽系剛形成的時候，這兩個鈾同位素的比例應為2.652：1，而不是現在的137.88：1，也就是說在太陽系剛形成時，鈾原子量大約是237.23，比現今的238.029少了0.34%！

另一種自然界發現的放射性核種是原子核受高能宇宙射線撞擊所產生。例如高空大氣因暴露於宇宙射線下，會產生許多高能中子，這些中子有機會撞擊到氮14，形成碳14核種；這個產率大致是固定值，使得碳的兩個主要穩定同位素：碳12及碳13，與半衰期為5730年的碳14在大氣中的比例一定。因此以大氣的碳形成的物質內，其碳同位素組成也會是相同的。

一旦該系統與外界停止碳原子的交換，這個系統內的碳14與碳13，或碳14與碳12的比值，就會由於碳14的衰變，隨時間流逝而越來越小。因此我們只要量測生物化石的碳同位素比值，便可以知道該生物的生存年代，這就是用來測定標本年齡的碳14定年法。

不過，自從工業革命以來，人類大量燃燒化石燃料，且不斷進行核彈試驗，使得當代大氣中的碳同位素比值已和過去有很大的差異。

穩定同位素比值常受物理、化學及生物過程而改變，這種過程稱為同位素分化作用。例如，水由氫和氧組成，在海水蒸發時，分子量小、比較「輕」的水容易先蒸發。一般來說，赤道附近海面上的水氣，相對海水而言，氫2約少了8%、氧18則少了1%。天上的水氣會聚集成雲，然後降雨，相對較「重」的水落下的比例較高，相對較輕的水氣（雲）就一路往南、北極區飄去；和海水相比，極區上空的雲，其氫2同位素少了30%、氧18少了5%。

同位素指紋與定年

現在我們已經知道，在太空、大氣圈、生物圈及岩石圈的各個角落，同位素分化的過程不斷在發生。經過數十億年後，各種物質的元素同位素組成，都有些細微差異，這些同位素特徵就成為了宇宙萬物的指紋。

透過這些指紋分析，以及利用放射性同位素的定年方法，我們可以了解宇宙以及太陽系的形成過程、地球生物演化史、十萬年冰期與間冰期的氣候變化週期、板塊的漂移及碰撞、當今全球暖化的程度、超級地震週期（詳見2009年12月號〈追尋地震預測的聖杯〉），以及台灣島的生成等。同位素指紋也是強而有力的證據，可以協助偵查犯罪案件。

應用同位素指紋與定年技術，數十年來在地球科學的領域中，從太空到地心，有許多的重要突破與發現。這裡我們選了兩個例子，來說明科學家如何應用同位素方法，進行太陽系誕生以及青藏高原形成的研究。

鋁26：太陽系誕生的線索

數百年前，天文學家普遍認為，距今約46億年前，漫散於混沌星際空間的一大片分子雲氣，經過億萬年的漫長歲月，終於有一天，也許就是那麼自然，也許是偶然，也許是受到附近的外力影響，雲氣開始聚集，在累積足夠的質量及重力作用後，這個星雲向內收縮、變化，最後形成太陽。但真正誘發太陽系形成的原因，爭議了幾個世紀，始終沒有定論。

中央研究院院士李太楓1973年在美國德州大學奧斯丁分校天文系攻讀博士時，想要利用量測太陽系最初形成時鋁26的含量，來解開太陽系誕生之謎。想法是鋁26的半衰期只有73萬年，在太陽系形成初期早已衰變成鎂26穩定核種。在當今地球上鎂元素的三個穩定同位素（鎂24，78.99%、鎂25，10.00%及鎂26，11.01%）組成百分比是固定的，若在保存有太陽系最初形成訊息的隕石中找到鎂26的異常高值，就很可能表示太陽系形成的原因是來自外力，帶來許多鋁26，進而衰變成鎂26。

所以他花了一年時間量測了許多隕石中鎂元素的同位素組成，結果與地球標本的比例一樣，沒有什麼不同，看不到隕石中鎂26含量有異常高值，這表示外力引發太陽系形成的假說應該不成立。但是沒發現並不代表不存在！他不斷努力繼續尋找，在挫敗兩年後的某一天，幸運之神終於降臨，他在一顆名叫阿顏德（Allende）的0.03公克隕石標本中，看到鎂26的含量明顯比地球的鎂26含量多了1.3%！

這個鎂26的異常高值，表示應該有一顆超新星在分子雲氣附近爆炸，帶來了許多的鋁26，同時其震波引發雲氣聚集，進而收縮發展成現在的太陽系。這個發現改變了人類對太陽系起源的看法！

氬40：青藏高原抬升的秘密

台大地質系教授鍾孫霖為了研究世界第一高峰喜馬拉雅山的形成，利用「氬氬定年法」，深入西藏採回許多不同的火成岩標本，一一分析。

「氬氬定年法」是同位素定年方法中一種，很適合測定萬年至億年的岩石礦物形成的年代。這種方法源自「鉀氬定年法」，鉀是岩石中主要的組成元素之一，有鉀39（93.3%）及鉀41（6.7%）兩種穩定同位素。稀少的不穩定同位素鉀40含量為0.012%，此核種半衰期為13億年，89.1%衰變成鈣40，10.9%衰變成氬40。岩石含有高濃度的鈣元素及鈣40同位素，所以自鉀40衰變的微量鈣40很難精準分析；但岩石形成時，幾乎沒有氬元素，故自鉀40衰變的氬40子核種較能精確測量。利用母核種鉀40及子核種氬40相對含量，就可以計算出標本的年齡。

但此法存在著一個問題，標本鉀40濃度的測量，最佳精確度為1%，而且要測出鉀40及氬40的比例，必須使用兩種不同實驗方法，較為繁瑣不便，計算後的年齡誤差也大；故隨後發展出精確度較高的「氬氬定年法」，此方法是將岩石標本經過高能中子照射，鉀39會變成氬39，此時只要測量標本氬39及氬40的比例，再加上自然標本中的鉀40與鉀39比例是固定的，於是可以推算出鉀40及氬40的相對含量，進而計算出標本的年齡。

鍾孫霖的研究結果發現，印度與亞洲大陸板塊碰撞後，開始擠壓出青藏高原的時間，其實不是過去認為的2000萬年前，而是更早！西藏東部先抬升於4000萬年前，然後西藏西部慢了2000萬年才抬升。他還發現，4000萬年前西藏東部的隆起，造成高原地表受到激烈侵蝕及風化，許多元素伴隨降雨，經由河川大量注入大海中，改變了海水各種元素的同位素及化學組成。西藏的隆起也改變了大氣循環，造成大氣的二氧化碳下降，引發始新世早期的一段寒冷時期！

創造與毀滅之間

在索帝發現同位素後的一世紀，同位素已和人類密不可分，同位素時而像上帝派來凡間的美麗天使，除了讓我們了解玄天后土、古往今來外，更賜與我們能源，治療我們病痛。同位素時而卻像可怕的惡魔，第二次世界大戰末期，在廣島與長崎投下的兩顆原子彈，1986年4月前蘇聯車諾比核電廠事故，以及2011年3月日本福島核電廠，因地震及海嘯造成的放射性核種外洩污染，都是歷歷在目的實例。

永續與災難之間的選擇，很可能就操之於正在改變地球歷史的人類，如何在未來善用擁有創世力量的同位素了吧！

（本文由科學人提供，原載科學人2011年第118期12月號）
　