元素周期表或迎來(lái)新成員

葉子

最貴金屬轟出117號(hào)元素

前不久，總部位于莫斯科郊外的杜布納聯(lián)合核研究所，首次成功合成了117號(hào)新元素——在實(shí)驗(yàn)室人工創(chuàng)造的最新的超重元素。按國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)要求，杜布納聯(lián)合核研究所需再次合成該元素，之后它才能正式被批準(zhǔn)加入元素周期表。

可喜可賀的是該科研小組最近再次成功合成117號(hào)元素，為該元素加入元素周期表做了鋪墊。據(jù)此科研小組的帶頭人、俄羅斯科學(xué)院院士介紹，盡管合成新元素的項(xiàng)目匯聚了諸多世界知名科研機(jī)構(gòu)，但合成也絕非易事。

1869年問(wèn)世的門捷列夫元素周期表是宇宙的基本規(guī)律之一，也為人類認(rèn)識(shí)自然提供了一把刻度精準(zhǔn)的尺子。而自然界中不存在原子數(shù)超過(guò)92的元素，原子數(shù)超過(guò)92的重元素，只能在核反應(yīng)堆中人工合成，原子數(shù)超過(guò)100的重元素，則只能通過(guò)離子加速器，用轟擊重離子靶的方式獲得。在加速器中發(fā)“彈”射“靶”，“彈”“靶”交合，才能孕育出新元素。

“117號(hào)元素的誕生讓我們觸碰到了現(xiàn)在科技可能實(shí)現(xiàn)的領(lǐng)域邊緣。”117號(hào)元素的制成得到了澳大利亞國(guó)立大學(xué)許多知名教授的肯定，他們也是這項(xiàng)研究的研究人員之一。“117號(hào)元素的四種原子已經(jīng)得到確認(rèn)，我們有充足的理由相信聯(lián)合會(huì)會(huì)認(rèn)可117號(hào)元素加入元素周期表。”他們說(shuō)。

就像上文提到的一樣，117號(hào)元素是一種相當(dāng)重的元素，約比鉛元素重40%。這項(xiàng)研究在確認(rèn)新元素存在方面非常成功，但是研究者說(shuō)類似這種實(shí)驗(yàn)總體上很少有成功的。

新實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證新元素

德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心利用新實(shí)驗(yàn)，又一次成功證實(shí)了117號(hào)元素的存在，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有歐洲、美國(guó)、印度、澳大利亞和日本等國(guó)研究人員參與。他們?cè)陔x子加速器中，用鈣離子轟擊放射性元素锫，成功生成117號(hào)元素。117號(hào)元素很快又衰變成115號(hào)元素和113號(hào)元素。

而杜布納聯(lián)合核研究所使用離子回旋加速器，用由20個(gè)質(zhì)子和28個(gè)中子組成的鈣48原子，轟擊含有97個(gè)質(zhì)子和152個(gè)中子的锫249原子，生成了6個(gè)擁有117個(gè)質(zhì)子的新原子，其中的5個(gè)原子有176個(gè)中子，另一個(gè)原子有177個(gè)中子。有意思的是，實(shí)驗(yàn)所需的锫249原子也是一種人工合成金屬。由于锫元素非經(jīng)核反應(yīng)堆而不可得，俄羅斯媒體稱它為世間最昂貴的金屬，每克價(jià)值超過(guò)千萬(wàn)美元。

簡(jiǎn)單地說(shuō)，科學(xué)家通過(guò)融合較輕的原子核，在原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)目滿足條件時(shí)停止融合，才得到了新元素117號(hào)。舉個(gè)例子，科學(xué)家用大量高速鈣離子轟擊锫原子（原子序號(hào)97），锫原子和鈣原子相融合形成117號(hào)元素。然而，117號(hào)元素僅僅存在若干分之一秒就開(kāi)始衰變。我們知道原子序號(hào)超過(guò)104的元素在自然界都無(wú)法存在，只能在實(shí)驗(yàn)室中合成，現(xiàn)在看來(lái)新的117號(hào)元素要出現(xiàn)在元素周期表上，可能只是時(shí)間問(wèn)題。

這一成果發(fā)表在近期的《物理學(xué)評(píng)論通訊》上。研究人員接下來(lái)會(huì)把成果提交給國(guó)際純粹與應(yīng)用化學(xué)聯(lián)合會(huì)審核，該聯(lián)合會(huì)將決定是否還需進(jìn)一步驗(yàn)證。如果審核通過(guò)，該聯(lián)合會(huì)還將決定，到底是杜布納聯(lián)合核研究所還是亥姆霍茲重離子研究中心，擁有117號(hào)元素的命名建議權(quán)。

證實(shí)“穩(wěn)定島”的存在

104號(hào)元素及以后的元素被稱為“超重元素”，壽命更加短暫，迄今為止，所有的超重元素均為人工合成。雖然114號(hào)和116號(hào)元素被發(fā)現(xiàn)存在，但的確會(huì)發(fā)生衰變，到現(xiàn)在也沒(méi)人看過(guò)其“真面目”。114號(hào)元素在出生半秒鐘后，就會(huì)衰變?yōu)?12號(hào)元素，也叫“哥白尼”元素，而116號(hào)元素壽命僅有幾毫秒。

不過(guò)按照已提出幾十年的“穩(wěn)定島”理論（20世紀(jì)60年代，理論物理學(xué)家預(yù)言，在質(zhì)子數(shù)為114和中子數(shù)為184的雙“幻數(shù)”球形核附近，存在一個(gè)“超重穩(wěn)定島”，島內(nèi)的元素具有超常壽命），新合成的元素由于越來(lái)越重，會(huì)變得更加穩(wěn)定，存在的壽命也隨之延長(zhǎng)。雖然目前在礦物、巖石等樣品中沒(méi)有找到超重元素，但持樂(lè)觀態(tài)度的核化學(xué)家認(rèn)為，穩(wěn)定島的存在是無(wú)疑的。

近年來(lái)科學(xué)家合成了113、114、115、116、118號(hào)元素等一系列超重元素。而成功合成117號(hào)元素，按照德國(guó)亥姆霍茲重離子研究中心科學(xué)主管霍斯特·施托克爾的評(píng)價(jià)，是“通往生產(chǎn)與探測(cè)位于‘穩(wěn)定島上的超重元素的重要一步”。

元素周期表是否有盡頭

目前，118號(hào)元素被視為元素周期表的盡頭，畢竟，元素的半衰期已經(jīng)短到以毫秒計(jì)算了。

超重元素的大小是否有極限？依據(jù)相對(duì)論的一項(xiàng)簡(jiǎn)單計(jì)算，電子無(wú)法被擁有超過(guò)137個(gè)質(zhì)子的原子核束縛。更加復(fù)雜的計(jì)算也證實(shí)了這個(gè)極限。然而，來(lái)自德國(guó)法蘭克福歌德大學(xué)的核物理學(xué)家沃爾特·格雷納卻堅(jiān)持認(rèn)為：“元素周期表絕對(duì)不會(huì)在第137號(hào)元素前止步不前。事實(shí)上，它永無(wú)止境。”

元素周期表中102號(hào)“住戶”被命名為“諾貝爾”，112號(hào)則是“哥白尼”。就在2011年6月以前，原子量為285的“哥白尼”還是最重的元素。不過(guò)2011年6月6日，超重元素114號(hào)和116號(hào)正式成為元素周期表的一員，原子量分別為289和292。

從門捷列夫?qū)?dāng)時(shí)已知的63種化學(xué)元素按原子量大小排列成表開(kāi)始，為元素周期表尋找新成員，就成為一項(xiàng)重要的課題。

最初，化學(xué)家們認(rèn)為自然界存在92種天然元素。1942年，大名鼎鼎的92號(hào)元素鈾被發(fā)現(xiàn)，周期表似乎走到了終點(diǎn)。可隨后，人們又一鼓作氣地找出了13種新元素。有人斷言，105號(hào)元素就是“真正的盡頭”，畢竟核電荷越來(lái)越大，質(zhì)子間的排斥力將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)核子間的作用力，會(huì)導(dǎo)致它發(fā)生衰變。

不過(guò)，這個(gè)“斷言”沒(méi)能維持幾年就被打破了，114號(hào)和116號(hào)元素很快就出現(xiàn)了。endprint