天工開物　合成元素在人間

陳文海

從遙望無際的廣袤宇宙，到身邊的萬物，都是由一些最簡單、最基本的物質(zhì)——化學(xué)元素組成。我們現(xiàn)在知道，元素周期表前26種元素，從氫到鐵都是在恒星內(nèi)部核聚變過程形成的，而從27號元素鈷起，自然存在的元素都是由于超新星爆炸形成的。而還有一些元素，在自然界中并不存在，它們是科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室人工合成的。

轟開原子核大門

在科學(xué)昌盛的20世紀(jì)，科學(xué)家已經(jīng)了解到，原子是由原子核和電子組成的，原子核又是由質(zhì)子和中子組成的，而且，人們還掌握了強(qiáng)大的足以轟開原子核大門的武器，把原子分裂開來，并重新組成新的原子。為這一研究工作奠定理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)的是英國化學(xué)家和物理學(xué)家盧瑟福。

1910年，盧瑟福進(jìn)行了α粒子轟擊金箔的實(shí)驗(yàn)，他發(fā)現(xiàn)大多數(shù)α粒子能夠穿過金箔繼續(xù)向前行進(jìn)，也有一部分α粒子改變了原來行進(jìn)的方向，但改變的角度不大。只有極少數(shù)的α粒子被反彈了回來，好像碰到了堅(jiān)硬的不可穿透的物體。

盧瑟福認(rèn)為，這個實(shí)驗(yàn)說明金原子中有一個體積很小的原子核，原子的質(zhì)量和正電荷都集中在原子核內(nèi)。α粒子通過原子中的空間部分時，不會受到阻力，可以順利地穿過，但如果碰到原子核，(α粒子和原子核都帶正電)，α粒子就會被彈回來。

盧瑟福設(shè)想，金原子核中有79個質(zhì)子和1 18個中子，質(zhì)量太大，α粒子和金原子核之間的排斥力太大，并不能把金原子核轟開。如果采取兩種措施：一方面用能量很高的α粒子來轟擊；另一方面，把被轟擊的對象改為輕的原子核，例如氮原子核(含有7個質(zhì)子和7個中子)。那么，α粒子與氮原子核之間的排斥力要小得多，也許能量很高的oc粒子有可能把氮原子核轟開。

確實(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和盧瑟福設(shè)想的那樣，α粒子鉆進(jìn)了氮原子核以后，α粒子中的2個質(zhì)子和2個中子與氮原子核中的7個質(zhì)子和7個中子重新組合后，變成了一個氫原子和一個氧原子。

一個原子的原子核被轟開以后，變成了另外兩個原子，這意味著化學(xué)家已經(jīng)能夠用人工方法合成化學(xué)元素了。盧瑟福的發(fā)現(xiàn)，改變了19世紀(jì)以來化學(xué)界認(rèn)為“元素永遠(yuǎn)不變”的理論。

雖然盧瑟福將原子分裂后得到的都是一些輕元素，但是，想要用人工的方法獲得重元素也是可能的。只要能夠制造出威力更強(qiáng)的“大炮”，發(fā)射出各種高能粒子，就能達(dá)到目的。

1929年，美國加州大學(xué)物理系教授勞倫斯設(shè)計(jì)出回旋加速器，被加速的帶電粒子的速度接近光速，具有極高的能量。在這種加速器中，可以把某些原子核加速，像“炮彈”似的以極高的速度向別的原子核進(jìn)行轟擊。這樣一來，就為人工制造新元素創(chuàng)造了更加有利的條件。

首個人工合成的元素锝(43號元素)

1869年，俄國科學(xué)家門捷列夫首先整理創(chuàng)制了元素周期表，他將當(dāng)時已知的63種元素依原子量大小并以表的形式排列，把有相似化學(xué)性質(zhì)的元素放在同一行，這就是元素周期表的雛形。但是當(dāng)時他遇到了一個難題，發(fā)現(xiàn)在鉬元素和釕元素之間缺少了43號元素。這個空缺的元素是锝。

因?yàn)轱讲环€(wěn)定，幾乎從來沒有在地球上被發(fā)現(xiàn)過。直到1937年，意大利物理學(xué)家卡洛·佩里埃和埃米洛·塞格雷終于證實(shí)了它的存在。他們用氘(重氫)轟擊鉬，獲得了锝的同位素，隨后從鈾的裂變產(chǎn)物中得到锝的許多同位素。希臘文中，“锝”的原意是“人工制造的”。

锝，成了第一個人造的元素1當(dāng)時，他們制得的锝非常少，總共才一百億分之一克。后來，人們進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)锝并沒有真正的從地球上失蹤。其實(shí)，在大自然中，也存在著極微量的锝。1949年，美籍中國女物理學(xué)家吳健雄以及她的同事從鈾的裂變產(chǎn)物中，發(fā)現(xiàn)了锝。據(jù)測定，一克鈾全部裂變以后，大約可提取26毫克锝。另外，人們還對從別的星球上射來的光線進(jìn)行光譜分析，發(fā)現(xiàn)在其他星球上也存在锝。

科學(xué)家如今已發(fā)現(xiàn)質(zhì)量數(shù)90～110的全部锝同位素。锝是銀灰色金屬，具有放射性。十分耐熱，熔點(diǎn)高達(dá)2 200℃，在-265℃時電阻會全部消失，變成一種沒有電阻的金屬!锝99是核醫(yī)學(xué)臨床診斷中應(yīng)用最廣的醫(yī)用核素，自然界僅發(fā)現(xiàn)極少量的锝99。

從核反應(yīng)堆中制得的钷(61號元素)

钷元素是元素周期表的另一個“另類”，和其相鄰的元素都很穩(wěn)定，而它卻沒有自己穩(wěn)定的同位素。1941年，美國俄亥俄州科學(xué)家通過照射釹和鐠，得到的產(chǎn)物從屬性上看很像是61號元素。然而20世紀(jì)40年代的技術(shù)很難提取這種稀土金屬。因此。第61號元素钷的發(fā)現(xiàn)經(jīng)歷了數(shù)年時間。1945年，美國田納西州橡樹嶺克林頓實(shí)驗(yàn)室的研究人員馬林茨基、格倫丁寧和克里爾在鈾裂變產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了61號元素。他們應(yīng)用了新的離子色層分離法把它分離出來，并研究了它。新元素并命名為钷，名稱來自希臘神話中偷取火種給人類的英雄普羅米修斯。

1965年，研究人員從6 000噸鈾礦中取得350毫克钷，是鈾自動分裂的產(chǎn)物。這樣，地殼中也找到了它。

迄今已合成28個钷的同位素，钷-147的壽命是2.6234年，β輻射弱，因而被用來制造像藥片一樣大小的原子電池。由于這種能源很安全，而且作用的時間長，具有钷-147的電池首先應(yīng)用在助聽器和輕便的無線電接接收器中。

中子轟擊鈾制得的元素：镎(93號元素)和钚(94號元素)

1940年，美國加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家用中子轟擊鈾獲得镎，而镎接著又經(jīng)過一個衰變的過程轉(zhuǎn)化成钚。1941年，加州大學(xué)伯克利分校科學(xué)家制成了重要的钚239同位素，它是制造原子彈的重要原料。二戰(zhàn)末期，美國投于日本長崎代號“胖子”的原子彈，就是以钚239作核裝藥。

金屬钚是銀白色的，與氧氣、水蒸氣和酸作用，但不與堿反應(yīng)。它和鈾一樣用于核燃料和核武器?，F(xiàn)在已經(jīng)可以獲得成噸的钚。1945年，西博格比較了镎和钚，認(rèn)為它們與鈾的性質(zhì)相似，同時又與稀土元素中釤相似，在1945年發(fā)表了他編排的元素周期表，建立了與鑭系元素相同的錒系元素，把它們一起放置在元素周期表的下方，成為今天形式的元素周期表，并留下94號元素以后一系列的空位留待發(fā)現(xiàn)。

據(jù)說，钚是世界上最毒的物質(zhì)。一片阿斯匹林大小的钚，足以毒死2億人，5克的钚足以毒死全人類。钚的毒性比砒霜大4 86億倍，它的威力勝過核武器。

最責(zé)元素锏：1克價值10億美金(98號元素)

1950年，美國核化學(xué)家格林·西博格等人用氦離子轟擊鋦產(chǎn)生锎。1952年，科學(xué)家在氫彈試爆的殘骸物中也發(fā)現(xiàn)了锎元素的存在。該元素是世界上最昂貴的元素，1克價值10億美元。锎在地殼中并不存在，因?yàn)樗暮瞬环€(wěn)定。從1950年發(fā)現(xiàn)，直到1958年才得到了可稱量的锎。在1971年，科學(xué)家

們才制得純锎金屬。直到1975年，全世界才大約有1克的锎，可見锎是多么難以制得。用途最為廣泛的是锎252同位素，它能以驚人的速度釋放中子，每分鐘達(dá)到1.7億個。這一特性使锎元素非常危險，但是卻能廣泛應(yīng)用于分析金銀等的純度、檢測金屬疲勞度、啟動核反應(yīng)堆和探測地雷等方方面面。

人工放射性106號元素

隨著更加強(qiáng)大的粒子加速器的問世，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了生產(chǎn)高能元素的新途徑。1974年，美國勞倫斯伯克力國家實(shí)驗(yàn)室利用他們的超重離子線性加速器，用氧18離子轟擊锎-249制造出了第106號元素。幾乎同時，蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合核子研究所的弗廖羅夫和奧加涅相等用加速器加速的鉻離子轟擊鉛靶，反應(yīng)合成了質(zhì)量數(shù)為259的106號元素的同位素。他們鑒定259以自發(fā)裂變的方式衰變，半衰期為千分之七秒。

“活”了不到1毫秒的118號元素

2006年10月16日，美國勞倫斯·利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家與俄羅斯科學(xué)家合作，利用俄方的回旋加速器設(shè)備，成功合成了1 18號超重元素，并觀察到其存在了不到1毫秒時間。

至今為止，這兩大研究所已經(jīng)成功發(fā)現(xiàn)了5種元素：113號，114號，115號，116號和118號。

科學(xué)家兩次將大量鈣-48離子加速，用來轟擊人造元素锎-249，從而制造出3顆新原子。每顆新原子的原子核包含118個質(zhì)子和179個中子。它先衰退為116號元素，在一毫秒之后，它立即衰退成第114號元素，然后又衰退成第112號元素，最后分裂成兩半。

科學(xué)家們觀察到了1 18號超重元素的原子“衰變鏈”過程，證實(shí)了這一新的超重元素的存在。這種擁有118個質(zhì)子的元素是目前已知最重的元素，也是第一種人造惰性氣體。這種超重元素存在的時間極其短暫，約有0.9毫秒，即萬分之九秒，之后即迅速衰變?yōu)樵恿枯^小的其他元素：先是從118號元素衰變?yōu)?16號元素，接著繼續(xù)衰變?yōu)?14號元素，然后又衰變?yōu)?12號元素，最后一分為二。

目前，這一新元素尚未被正式命名。這一新元素只有在獲得國際化學(xué)家學(xué)會的認(rèn)可后才會被正式命名，排在它之前的113號、114號、11 5號以及116號元素至今都未正式命名。

合成更多新元素

自然界存在從氫到鈾共92種元素，按其原子序數(shù)，在元素周期表上從1排到92。自然界多數(shù)超重元素原本并不存在，而是科學(xué)家通過撞擊較輕的原子合成的?？茖W(xué)家很想知道，人工到底能合成多少元素。并一直致力于這方面研究。

但是，這一過程極其困難，美國科學(xué)家考恩拉德·戈?duì)柌伎嗽f，創(chuàng)造一種新元素就如同發(fā)現(xiàn)“核物理學(xué)領(lǐng)域的桂冠”。對化學(xué)元素家族來說，每增加一個新的成員，都讓人類經(jīng)歷一番漫長的等待，而且越是往后，新化學(xué)元素出現(xiàn)的機(jī)會就越少。但是，人類對化學(xué)元素的認(rèn)識是沒有止境的。到現(xiàn)在為止，我們還不清楚化學(xué)元素周期表的終點(diǎn)在哪里。