新元素：抵達了新大陸？

蔡如鵬

新元素的發現使周期表再一次擴大，化學元素的規律可能已經進入了一片新的疆域

2006年10月16日，從杜布納核聯合研究所傳出消息，門捷列夫元素周期表中的118號元素在此誕生了。

僅兩個多月后，2006年歲末，來自德國達姆施達特重粒子研究所的消息說，科學家們在那里成功合成元素周期表上108號元素的超長壽命同位素270。

對于化學元素周期表來說，這兩個超重的原子核具有非凡的意義——元素周期律可能由此進入了一片新的天地。

人工元素的合成歷程

1945年，美國橡樹嶺國立實驗室的3位化學家在鈾的裂變產物中分離出第6l號元素，并把它命名為钷。至此，門捷列夫元素周期表上前92種元素在自然界中都被找到，雖然其中有些極為稀少。人們一度以為，周期表到92號元素鈾就結束了。

但事實上，這并不是結束。現在看來，它更像是一個新的開始。

1919年，英國科學家盧瑟福用α粒子(氦核)轟擊氮等元素的原子核，實現了歷史上第一次人工核反應，并發現了質子。從此，用高能粒子轟擊原子核的把戲在物理學界流行開來，并且轟擊越來越有力。為了得到更強力的“炮彈”，物理學家制造越來越大的加速器，把粒子加速到接近光速。

開始他們并沒有料到，這樣做會制造出新的元素。美國科學家麥克米倫在用中子轟擊鈾的實驗中，發現了比鈾原子序數更大的93號元素镎，這幾乎可以說是一次意外。不久，化學家西博格又找到了94號元素钚。

镎和钚的發現，使科學家開始有意用轟擊原子核的辦法來制造新元素——由于它們在周期表中排在鈾之后，被統稱為“超鈾元素”。在合成新元素的初期，麥克米倫和西博格所在的加利福尼亞大學的勞倫斯?伯克利國家實驗室，可謂一枝獨秀。在那里，制造出了一個接一個的超鈾元素。

1944年，西博格通過轟擊钚，得到了95號和96號元素，分別命名為镅(以美國所在的美洲命名)和鋦(以居里夫婦命名)。當他們制造出足夠量的镅和鋦時，再以中子來轟擊這些元素，于1949年成功地制造出97號元素锫。1950年制造出98號元素锎。1951年，西博格和麥克米倫以這一連串的成就獲得了諾貝爾化學獎。

到1961年，以勞倫斯?伯克利國家實驗室為中堅力量，科學家們將元素周期表延伸到了103號元素。但此后，由于蘇聯杜布納核聯合研究所的加入，在這一領域出現了兩強相爭的局面。

從104號到106號元素，美蘇科學家互不相讓，先后都宣布制造出了這些元素。

德國達姆施達特重粒子研究所的出現，無疑給原本激烈的競爭注入了新的活力。德國人從上世紀80年代起，先后制造出了107、109、108、110號元素，使兩強爭霸的格局變成了三足鼎立。

尋找“幻數”元素

到目前為止，合成工作已經進行到118號元素，不過還只有111號以前的元素得到國際化學聯合會的認可并正式列入元素周期表，其他元素尚需進一步證實。

超鈾元素每往后推進一個格子，都比前一個更加艱難。因為，隨著原子序列的增加，元素會變得越來越不穩定，在極短的時間，比如幾毫秒(千分之一秒)里，就可能衰變成其他的元素。

例如，首次獲得的108號元素半衰期不超過半毫秒，不到一眨眼的功夫它就沒了，科學家根本沒法知道它什么樣，更談不上對它進行研究了。只能推測，如果有那么一堆的話，在常溫下大概是一種固體，呈銀白或灰色，有金屬光澤。

是不是所有的超鈾元素都避免不了短命的宿命？事情似乎并不是這樣悲觀。理論物理學家在上世紀40年代提出，就像原子核外面的電子是層狀分布一樣，原子核內部的核子(質子或中子)也是由里到外逐層分布的，而每一層能容納核子的數量是固定的。如果原子核某一層的“空位”剛好被核子填滿，那么它將比周期表前后的原子核更穩定，因為那些原子核最外層仍有“空位”容納核子。

這就意味著超鈾元素的穩定性并不是完全隨著原子序數的增大而穩步下降，有時也會出現“意外”，而這些意外的發生就取決于原子核每一層的空位數量。科學家們稱這些特別的數字為“幻數”，意思是“有魔力的、不可思議的數字”。

物理學家相信，盡管超鈾元素普遍不穩定，但仍有可能存在一些相對穩定的元素。它們被其他短命的超鈾元素所包圍，就像大海中的島嶼，因而被形象地稱為“穩定島”。

“穩定島”的魔力

雖然118號新元素存在的時間只有0.9毫秒，但這絲毫沒有影響科學家的熱情，因為這不僅給元素大家族又添了新丁，更重要的是讓他們更加接近理論物理學家提出的“穩定島”假說。

而的同位素270的制造成功，更是向“穩定島”又靠近了一步。在制造出270之前，科學家就推測質子數108和中子數162可能是雙幻數。事實也正是如此。研究人員雖未能準確記錄它們產生的時間，無法直接測量出它們的壽命，但間接估計，半衰期接近22秒，比起半毫秒(最初獲得的元素的半衰期)來，可真算得上長壽了。

目前，科學家預期了不少幻數，比如114號元素的同位素298、120號元素等。但這僅僅是個開始，人們對穩定島仍然所知甚微。所能做的，就是繼續合成新的元素。2006年早些時候，杜布納核聯合研究所曾宣布，將人工合成第120號元素，以進一步證實“穩定島”假說，盡管他們知道這項工作可能要“持續多年時間”。

為了證明“穩定島”的存在，各國科學家花費如此大的力氣，競相去合成自然界中(至少是地球上)或許根本不存在的元素及其同位素，究竟有什么意義呢？

北京大學化學學院教授唐有祺院士認為，一旦搞清楚了穩定島的中子、質子的配比，在撞擊的時候就可有所調控，這樣可能會加快新元素的發現。

那么，合成新元素又是為什么呢？復旦大學化學系教授吳浩青院士的看法是：在實驗室中合成極少數超重元素可能不會有什么日常用途，但超重元素的合成能夠幫助人們更多更深入地認識元素的起源、元素存在的極限等，其科學意義遠遠高于實用意義。

拋開這些不談，僅僅就人類的好奇心來說，我們曾經揚帆出海，現在正努力飛向太空，于是探尋元素王國的新疆域也是很自然的事情。誰又敢說，海的那邊沒有島嶼甚至是新大陸呢？