人工合成的十種奇特元素

楊孝文

近日，德國(guó)科學(xué)家宣布，他們?nèi)斯ず铣傻牡?12號(hào)化學(xué)元素已得到國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)的正式承認(rèn)。不久之后，這一超重元素將獲得正式命名，從而使化學(xué)元素的大家族又添新丁。

物質(zhì)世界是由多種元素構(gòu)成的，有些元素是本來(lái)就存在的，而有些元素則是由科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里人工合成的。合成新元素是一個(gè)既復(fù)雜又費(fèi)時(shí)的過(guò)程，112號(hào)元素從最初被發(fā)現(xiàn)，到最終成為元素周期袁里的一員，前后用了13年時(shí)間。在這段時(shí)間里，科學(xué)家甚至合成了排序更靠后的元素：第113號(hào)、114號(hào)、115號(hào)、116號(hào)和118號(hào)元素。但是要驗(yàn)證這些元素，可能還需要很多年。下面是迄今為止科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室里人工合成的十種最奇特的元素。

锝(原子序號(hào)柏)

19世紀(jì)，“元素周期表之父”門捷列夫遇到一個(gè)難題，他發(fā)現(xiàn)鉬和釕之間缺少了第43號(hào)元素。門捷列夫根據(jù)這個(gè)元素在元素周期表里的位置，預(yù)測(cè)了它所具有的性質(zhì)，但在他的有生之年并沒有看到該元素的出現(xiàn)。1937年，意大利物理學(xué)家卡洛-佩里埃和米里奧·塞格雷在用氘轟擊鉬的時(shí)候，最終證實(shí)這種元素確實(shí)存在。目前，锝-99是核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域普遍使用的一種成像同位素。圖為第一個(gè)锝-99的發(fā)生器。

钷(原子序號(hào)61)

钷是元素周期表里的另一個(gè)“隆胎”，它被穩(wěn)定元素環(huán)繞，自身卻沒有一個(gè)穩(wěn)定同位素。1941年，美國(guó)研究人員在用核能轟擊釹和鐠的時(shí)候，研究結(jié)果顯示出61號(hào)元素的性質(zhì)。然而，20世紀(jì)40年代的技術(shù)還不能把這種稀有金屬?gòu)幕衔镏型耆崛〕鰜?lái)，因此又用了很多年，他們的發(fā)現(xiàn)才得到證實(shí)。因?yàn)槭抢煤四馨l(fā)現(xiàn)了這種元素，钷的發(fā)現(xiàn)者就根據(jù)從天上盜取火種給人類的神話人物普羅米修斯的名字給它命名。仙女座星系的恒星里發(fā)現(xiàn)有钷。

镎和钚(原子序號(hào)93和94)

镎和钚緊緊排在鈾后，位于元素周期表中第93位和第94位。1940年，美國(guó)科學(xué)家利用中子轟擊鈾產(chǎn)生镎。接著，通過(guò)一個(gè)稱為B衰變的過(guò)程，鈴又變成了钚。所謂p衰變，是指原子核自發(fā)地放射出b粒子或俘獲一個(gè)軌道電子而發(fā)生的轉(zhuǎn)變。次年，科學(xué)家分離出最為重要的钚同位素——钚一239。第二次世界大戰(zhàn)中投放到日本長(zhǎng)崎的原子彈“胖子”的核裂變材料主要就是钚，239。圖中的這臺(tái)60英寸回旋加速器當(dāng)時(shí)是世界上功能最強(qiáng)大的原子加速囂，镎和钚都是由其發(fā)現(xiàn)的。

鍛(原子序號(hào)100)

鐨的發(fā)現(xiàn)純屬偶然。它是在1952年美國(guó)首次氫彈試驗(yàn)的殘骸中被發(fā)現(xiàn)的，并以美國(guó)核研究先驅(qū)恩里克·費(fèi)米的名字命名。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的鐨同位素——鐨-255是由鈾-238吸收17個(gè)中子再經(jīng)歷8次B衰變而得到的。如果想要在實(shí)驗(yàn)室而不是核試驗(yàn)場(chǎng)里制造出鐨，那么必須要發(fā)生一連串核反應(yīng)和核衰變。

镅(原子庠號(hào)95)

1944年，美國(guó)格倫·西博格研究小組，用中子轟擊钚239，生成钚-240，接著是钚-241；B衰變將其中一個(gè)中子變成了質(zhì)子，由此，他們合成了第95號(hào)元素——镅。镅的命名來(lái)自于“美洲”一詞。今天，我們可以在很多煙塵探測(cè)器中發(fā)現(xiàn)镅的蹤跡。

锏(原子序號(hào)98)

同鐨和其他元素一樣，锎也是在1952年氫彈試驗(yàn)的殘骸中被發(fā)現(xiàn)的。但是，這種元素不需要引爆氫彈也能產(chǎn)生。1950年，美國(guó)格倫·西博格的研究小組通過(guò)用氦轟擊鋦生成锎，245。用途最廣的锎同位素是锎一252，它能夠以驚人的速度噴射中子，這使得锎一252變得極為危險(xiǎn)，但與此同時(shí)，它的用途又非常大，如用于鑒別金屬、檢測(cè)金屬疲勞現(xiàn)象、啟動(dòng)核反應(yīng)堆、探測(cè)地雷等。圖為1960年美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校兩名科學(xué)家通過(guò)裂變電離室對(duì)锏進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

镥(原子序號(hào)100)

在研制出功能更為強(qiáng)大的粒子加速器以后，科學(xué)家開始尋找合成超重元素的新方法。1974年，美國(guó)勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通過(guò)超重離子直線加速器(如圖)，用氧一18離子轟擊锎-249，生成第106號(hào)元素。一個(gè)俄羅斯小組稱，他們也在同時(shí)發(fā)現(xiàn)了該元素，是用鉻轟擊鉛而成。美國(guó)研究小組最終還，是獲得了發(fā)現(xiàn)新元素的榮譽(yù)，并以格倫·西博格的名字為其命名。

達(dá)(原子序號(hào)110)

盡管人造元素都不穩(wěn)定，但有一些的半衰期足夠在實(shí)驗(yàn)室以外的領(lǐng)域大展拳腳。1994年，位于德國(guó)達(dá)姆施塔特的重離子研究中心的研究人員在西格德·霍夫曼教授的率領(lǐng)下，花了整整一周時(shí)間，用鎳離子持續(xù)轟擊鉛靶，生成了一個(gè)鏈-269的原子。鏈-269的半衰期為0.17毫秒。國(guó)際理論化學(xué)和應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)2001年確認(rèn)了這個(gè)德國(guó)研究小組的發(fā)現(xiàn)。圖為鏈的電子圖。

?(原子序號(hào)112)

1996年，德國(guó)重離子研究中心的西格德·霍夫曼教授領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)研究小組，在粒子加速器中用鋅離子轟擊鉛靶，首次成功合成了第112號(hào)元素的一個(gè)原子。2002年重復(fù)相同的實(shí)驗(yàn)又制造出一個(gè)原子。此后，日本的一個(gè)研究小組也于2004年“復(fù)制”了這一過(guò)程，從而證實(shí)了新元素的發(fā)現(xiàn)。由于產(chǎn)生的原子立即發(fā)生衰變，所以，科學(xué)家只能通過(guò)研究衰變釋放的能量，了解該元素及其性質(zhì)。如圖，科學(xué)家通過(guò)用鋅離子轟擊這個(gè)輪狀鉛靶而合成出第112號(hào)元素。

責(zé)任編輯龐云