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繁華若夢-穩定同位素地球化學家Epstein的故事 精選

已有 6708 次閱讀 2019-1-22 08:56 |系統分類:人物紀事

19世紀末20世紀初,元素放射性及同位素的發現促進了同位素地質學的產生。隨著測試技術的提高與板塊構造理論的成熟,同位素地質學以空前的深度與廣度滲入到地質學的各個領域。同位素分為放射性同位素與穩定同位素,放射性同位素形成于核反應過程中,穩定同位素則形成于普通物理化學作用。與放射性同位素的霞光萬道、瑞氣千條相比,穩定同位素則始終不慍不火、默默獨行。20世紀30-40年代年中子(neutron)的發現及輕元素同位素成分變化的證實成為穩定同位素地球化學發軔的前兆。1947年,因發現D(氘)而獲得1934年諾貝爾化學獎的Harold Urey發表了The Thermodynamic Properties of Isotopic Substances”,BigeleisenMayer發表了Calculation of equilibrium constants for isotopic exchange reactions,成為穩定同位素地球化學濫觴的正式標志之年。Urey在文中不但從理論上闡述了穩定同位素分餾的機理,同時也從實踐中指出這種分餾能夠提供大量有用的地質信息。隨后Urey建立了穩定同位素實驗室,專門用來測試自然界物質的同位素組成,在這個過程中穩定同位素地球化學得以發展壯大,以致蔚為壯觀。進入21世紀以來,隨著LA-ICP-MS、SIMS等高精尖技術的廣泛應用,穩定同位素領域正在發生翻天覆地的變化,迎來光輝燦爛的時代。吃水不忘挖井人,Samuel Epstein在這一領域耕耘多年,成績斐然,值得一書。

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Samuel Epstein1919-2001,來自文獻2

Epstein,1919129日出生于波蘭科布林鎮(Kobryn,現在屬于白羅斯)附近小村莊的一戶猶太人家庭。他的父親年少時曾經去美國紐約呆了4年,后來為了服兵役不得不返回俄羅斯(注:那時波蘭是俄羅斯的一部分),但一直對再次移民美國念念不忘,可第一次世界大戰的爆發打亂了他的美好計劃。戰爭給人類帶來了災難,為了維持生計,全家搬到了科布林鎮,他的父親當起了一名經營農產品的小商販,生意時好時壞,離開波蘭的愿望變得更加強烈。在當時,只有加拿大等少數幾個國家愿意接受波蘭移民,且無名額限制,1926-1927年全家移民到了加拿大溫尼伯市(Winnipeg)。由于戰爭期間顛沛流離、擔驚受怕,Epstein和藹可親的媽媽恐懼成疾,1928年帶著悲傷與遺憾撒手人寰。這次移民對全家意義重大,避免了第二次世界大戰中像他的親屬同族慘遭迫害的命運。

Epstein的父親很快就在一家工廠找到了工作,并重新組建了家庭。鑒于當時的社會與家庭狀況,Epstein明白:要想考上大學,就得自己努力掙學費,他在當地報社當了一名報童,有時也去幫助公園噴灑農藥消滅蚊蟲。1937年,他順利考上了當地的曼尼托巴大學(University of Manitoba),成為地質學專業的一名學生。由于他猶太人的家庭背景,曼尼托巴地質調查局拒絕雇傭他參與夏天野外實習工作,其中一位領導更是斷言,他在地質領域不會有什么前途。Epstein身心備受打擊,失望透頂,然而塞翁失馬,焉知非福,一位叫Alan N.Campbell的化學教授出現在他身旁,由于他化學作業完成的極為出色,且表現出對科學極大的興趣,有意把他招入門下,攻讀碩士學位,Epstein無法拒絕這上蒼的恩賜,即使他后來明白Campbell當時面臨無生可招的窘境。

Campbell對不同溫度下熔融態的Se(硒)的粘稠性很感興趣,他想知道SeS這兩種元素在熔融態下性質是否相同。當時已知S在熔融態下會發生一定程度的聚合,那么Se呢?為了測定Se的粘度,必須知道其密度。經過堅持不懈的努力,克服重重難關后,問題得到了圓滿解決,Epstein也于1942年順利拿到了碩士文憑。這不是一個高大上的課題,但卻是一種全新的體驗,好似一名探險家漫無目的地出海航行,卻不經意間發現了一座郁郁蔥蔥的小島。這也讓Epstein深深地認識到:科學研究并不是一條康莊大道,但卻是一段妙不可言的心路歷程。

Campbell鼓勵Epstein申請麥克吉爾大學(McGill University)的博士學位, Epstein遞交了申請,并得到了許可。19429月上旬,Epstein去了溫尼伯火車站,詢問是否他可以為他們做一些事情,從而可以免費搭車去蒙特利爾,負責人告訴他,他可以在火車上充當服務員,幫助販賣水果與三明治,并且當晚就要離開。Epstein急急匆匆返回家中,簡簡單單收拾了一下行李,顧不上大汗淋漓,飛速奔向火車站,兩天后火車到達了蒙特利爾。

下了車后,Epstein首先聯系了他的一個朋友,這位朋友把他帶到了化學教授Carl Winkler面前,Winkler看著Epstein一臉茫然,他從來沒有聽說過Epstein,也從來不知道Epstein申請了麥克吉爾大學的博士學位,看來不知哪里出現了差錯!Winkler從系辦公室拿到了Epstein的檔案資料,發現他物理化學課程成績優秀,思考良久,說道:“這樣吧,由于你來晚了,我不能接收你為我的研究生,但我可以為你提供一份薪水不薄的工作! Epstein盡管一貧如洗,但還是堅持想讀博士的想法,這引起了另一位有機化學教授Raymond Boyer的注意,經過一番拉鋸戰,Winkler最終同意了他的博士申請,但不提供任何財政支持,Boyer則愿意給他提供一份薪水,這讓Epstein感恩涕零。

WinklerBoyer當時正在研究一種第二次世界大戰期間所使用的炸藥RDX,關于它的性質與形成機理一直不太清楚,另外制作這種炸藥過程中還會產生一種無用的副產品HMX,如何使RDX最大化,HMX最小化也是研究的課題之一。Epstein想起了Campbell的教導,獨辟新境,第一次嘗試了堿水解(base hydrolysis)方法,成功將RMXHMX分離,并實現了RMX生產的最優化。這項研究不但獎賞了Epstein一個博士學位,還讓他又獲得了一種全新體驗,這項體驗影響了他未來的科學生涯。由于這是一項軍事機密,所以研究都是秘密進行,但受哥薩柯事件的牽連(注:哥薩柯事件是冷戰的開端,冷戰是從西方國家被蘇聯間諜大規模滲透的暴露開始的),Boyer被控告向蘇聯泄露RDX機密,從而被判刑鋃鐺入獄2年。

1944年博士畢業后,Epstein到蒙特利爾大學(the University Of Montreal)參加了歐洲-加拿大聯合發起的核裂變項目,該項目聚集了世界上許多一流的物理學家與化學家,主要研究鈾在裂變過程中所產生的氬(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)惰性氣體的濃度,濃度過高會引起足夠大的壓力,從而威脅到反應堆中鈾的效能。由于當時研究的設備市場上無法買到,需要自制完成,Epstein花費了好幾個月,熟練掌握了對他以后影響深遠的吹玻璃技術(glass blowing),用于制造真空提取管。相比博士期間的研究工作,在這里相對要“悠閑”得多,Epstein有時間到蒙特利爾城里轉轉,認識的一個姑娘把她的妹妹介紹給了他,兩人迅速墜入愛河,1946年,邁入了婚姻的殿堂。

工作期間,Epstein有幸結識了來自麥克瑪斯特大學(McMaster University)的Harry Thode教授,他當時擁有全加拿大唯一一臺質譜儀,并向項目組建議用質譜儀分析鈾裂變產生的氪、氙惰性氣體的密度。第二次世界大戰結束后,位于蒙特利爾大學的實驗室被迫關閉,搬到了安大略省的Chalk River,Thode邀請Epstein去麥克瑪斯特大學他的實驗室一起工作,繼續研究不同條件下鈾裂變產生的惰性氣體的同位素組成,Epstein欣然前往。由于當時研究所需要的放射性鈾全部來自美國原子能委員會,受哥薩柯事件的影響,美國拒絕向加拿大繼續提供原材料,衡量再三,Epstein決定返回Chalk River。就在此時,Thode接到了芝加哥大學(the University of ChicagoHarold Urey的電話,詢問是否有合適的年輕人愿意到芝加哥大學和他一起研究古氣候問題,Thode推薦了Epstein。能夠和諾貝爾獎獲得者,大名鼎鼎的Urey一起工作,Epstein做夢也沒有想到,還有拒絕的理由嗎?

1947年,拿到簽證后,Epstein和他當時已經懷孕的太太到了芝加哥大學,居住在Urey車庫上方的一間不起眼的狹小房間內,與Urey的住處隔欄相望。相處熟悉后,Epstein發現Urey經常有千奇百怪的想法,即使大多數想法都是錯誤的,但只要一兩種是正確的,就會綻放出燦爛的煙火。Urey經常說的一句話是:“我喜歡到月球上去,即使我知道我無法再次回到地球,我還是想去!庇袝r為了驗證他想法的正確性,在冬天的深夜里,他都會把Epstein叫醒,兩個大男人穿著棉襖,揣著手,倚門相對,熱烈討論,一片浪漫景象。Urey癡迷于65百萬年前的恐龍滅絕事件,如果溫度變化是元兇,那么穩定同位素地質溫度計一定會記錄到這些,那時Urey已經意識到以碳酸鈣為骨架的海相古生物化石的氧同位素組成能夠提供古代海洋的一些溫度信息。大概想法太天真,許多年輕人不愿意和Urey從事這不著邊際的問題,Epstein誤打誤撞,來到了這里,即使知道被“欺騙”,也只有逆流而上,慢慢領會到這項研究的極度重要性。

Epstein以飽滿的熱情和巨大的動力一頭扎入古氣候研究的海洋,短短一年間,就取得了大量突破性成果,最重要的是改進了質譜儀的性能,大大提高了同位素的測試精度,從而將古氣候溫度誤差限定在幾℃范圍內。偉大的創舉是他們不用測量同位素比的絕對值,只需設定一個標準值,計算其同位素比值偏差就可以了。當時還有一個頭疼的問題是,如何將碳酸鈣貝殼的O轉換為CO2而不改變18O/16O的比值,經過無數次嘗試與失敗后,他們發現磷酸具有這種神奇的功效。隨后這種技術方法在世界上成千個穩定同位素實驗室得到了廣泛應用,至今不衰。就在這關鍵時刻,Epstein的簽證到期了,全家不得不返回加拿大,但此時Epstein已經成為Urey不可或缺的幫手,Urey親自到美國移民局游說,最終說服了他們允許Epstein重返美國。1949年返回美國后,Epstein成為氧同位素實驗室的實際負責人,許多棘手的問題亟待解決,譬如生物的哪一個組織的碳酸鈣形成時與海水處于平衡狀態,校正不斷生長的貝殼的18O/16O值為溫度的函數,證實幾百萬年前死去的生物在隨后的日子里18O/16O沒有發生變化。通過與生物學家、古生物學家的合作,這些問題大多得到了解決,古氣候溫度誤差達到了驚人的0.8℃。取自南科羅拉多州白堊紀Pee Dee組的一個箭石保存良好,被Epstein及合作人當做他們同位素分析的比較標準,令人驚訝的是PDB標準成為此后C同位素世界所有實驗室的參考標準。許多難題迎刃而解后,Epstein又把他的興趣轉向了自然界水(natural water)的同位素變化,綜合研究成果奠定了如今利用18O/16OD/H進行古氣候研究的基礎。

時間一晃到了1951年,Epstein在芝加哥大學也呆了四年半的時間,可謂碩果累累。當時的芝加哥大學眾星云集,這里有全世界最好的物理學家、化學家與生物學家,也是核物理研究的中心(注:楊振寧與李政道曾先后于1945年和1946年到了芝加哥大學,1956年兩人提出“弱相互作用中宇稱不守恒理論”,1957年共享諾貝爾物理學獎),是進行科學研究的理想之地。但是Epstein已經32歲了,他還有家庭與孩子,他想為他們找到一個永久固定的溫暖舒適的家,而不是臨時的安樂窩。當時看來并沒有機會在芝加哥大學謀得一個終身職位,何處是歸鄉呢?Epstein細思量,幸運男神擦肩而過時又駐足身旁。有一次,Epstein碰巧在樓道里遇到了化學教授Harrison Brown,閑談中問起哪里有適合他的職位,Brown馬上說:“你覺得一起和我去加州理工學院如何?”這讓Epstein大吃一驚,因為一是他和Brown只交談過1-2次并不是很熟悉,二是他還沒有馬上離開芝加哥大學的打算,但他對這次邀請很感興趣,決定先去那里做個報告探探虛實。報告受到了加州理工學院老師與學生的熱烈歡迎,再加上優美的校園環境及明媚的加州陽光,Epstein動了心。Urey想把Epstein繼續留在芝加哥大學,并答應給他增加薪水,但直覺告訴Epstein,他不能無視這千載難逢的機遇,必須當機立斷作出決定,盡管這樣做會浪費一整年的研究時間及好幾篇重要文章的署名,Epstein決定冒險一試。

1952年,Epstein戀戀不舍地離開了芝加哥大學,奔赴加州理工學院。加州理工學院在世界科技界久負盛名,其優勢學科包括物理學、化學和天文學等,錢學森也曾經在這里學習與教學。加州理工學院地質傳統上以地震與古脊椎動物為主要研究方向,屬于一個小院系,新上任的校長高瞻遠矚,決定開拓地質事業,大力引進人才,拓展研究方向,先后引入了地球化學與行星科學,現在它在全美地球科學領域數一數二。Epstein來得適逢其時,在當了多年學生后,終于有機會站上講臺,手執教鞭。

Harrison BrownBrown加入了加州理工學院地質系。)利用項目撥款在加州理工學院建立了一所世界一流的現代化地球化學實驗室。1953Epstein從一名普通研究人員提升到高級研究人員,1954年更是提升為副教授,他終于有機會按照自己的想法設置研究項目,開拓一片新天地。他首先建了兩臺質譜儀,分別用于分析CO2H2,此后近半個世紀,測試分析了成千上萬個同位素樣品。設備、資金、技術、環境在手,想不做一番事業也難,需要做的只是獲得更廣的樣品與更高的精度。1953-1954年,他和老婆在自家屋檐上取到了暴風雨過后的雨水樣品,目的是測定降雨與暴風雨前冷鋒、暖鋒所引起的溫度變化之間的關系。1959年,與當時的地質系主任合作,分析了來自格陵蘭島和南極的冰川樣品,發現同位素組成隨著季節變化而變化,至今這項研究還有著廣泛的前途。

Epstein的第一個博士生是Robert Clayton,Clayton本來是化學系的研究生,后來覺得穩定同位素更適合他的品味與興趣,遂決定跟隨Epstein讀博士。他們想弄明白高溫下形成的共存礦物的18O/16O是否可以充當地質溫度計,這種溫度計比起傳統地質溫度計更加精致,且與壓力無關。如果一個礦物組合中有N種礦物,理論上就可以獲得N-1個地質溫度計礦物對,可以用來判斷礦物結晶時是否達到了平衡狀態。他們還嘗試了另一種方法:將硅酸鹽、氧化物與粉末狀碳在高溫下反應是否可以獲得足夠量的O2,結果證明石英與磁鐵礦可以,但大多數硅酸鹽不合適。此外他們還將這種技術應用于科羅拉多LeadvillePb-Zn熱液礦床。Clayton博士畢業離開加州理工學院在賓州州立大學短暫停留后,最終去了芝加哥大學,成為Urey實驗室的負責人。Epstein的第二個博士生Rod Park來自生物系,他們開創性研究了植物在光合作用過程中C同位素的分餾機制。第三個博士生是后來大名鼎鼎的來自地質系的Hugh Taylor,他們第一次系統研究了火成巖中共存礦物的18O/16O,后來Taylor成為Epstein的同事,共事40余年,做了許多開創性的工作。很顯然,穩定同位素具有與生俱來的包容性,使許多表面看來風牛馬不相及的事物顯示內在統一性,同時也為來自不同領域的學生打開了進身之路。

此后的許多年里,Epstein與他的研究生、博士后們測試了更多領域的樣品,有些樣品測試更是千載難逢的機會,譬如阿波羅登月計劃帶來的月巖樣品,深海鉆探計劃帶來的燧石樣品,火星起源的SNC隕石樣品等等。加州理工學院二十世紀后半葉在地球化學領域風云乍起,特別是天文學領域譽滿全球,Epstein及他的研究團隊居功至偉。

Epstein在課堂上語言并不是那么流暢吸引人,然而無與倫比的獨到科學見解依然吸引了眾人的目光,許多學生很久以后才能明白他曾經的深邃洞見。Urey的教導總是在他心頭徘徊:做科學的關鍵之處是要把精力全副身心用在真正重要的問題上,無需在一些瑣屑問題上絞盡腦汁。你若盛開,清風自來,正是Epstein獨樹一幟的個人魅力,才使得全世界最好的對穩定同位素感興趣的學生趨之若鶩;乜Epstein的一生,成長悲苦,道路曲折,但總能在彷徨之際得到上天的眷顧,其中不乏偶然的機遇,但更多的是與個人的品性有關。

2001917日,Epstein因病去世。研究是一項逐步滲透的過程性事件,就像陽光,只有不斷吸收,才能茁壯成長,不知在天堂里,Epstein還能否聽到這樣的教導?

參考文獻

1.G.福爾著,潘曙蘭等譯,同位素地質學原理,1991,北京:科學出版社

2.Hugh P. Taylor and Robert N. Clayton,Samuel Epstein 1919-2001,A Biographical Memoir,2008,National Academy of Sciences,Washington, D.C.

3.S. Epstein,The Role of Stable Isotopes in Geochemistries of All Kinds, Annu. Rev. Earth Planet. Sci. 1997. 25:1–21

4. Samuel Epstein (1919-2001), interviewed by Carol Bugé, December 19 and 26, 1985, and January 10, 1986, Archives California Institute Of Technology,Pasadena, California




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