蔡如鵬

新元素的發(fā)現(xiàn)使周期表再一次擴(kuò)大，化學(xué)元素的規(guī)律可能已經(jīng)進(jìn)入了一片新的疆域

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

僅兩個(gè)多月后，2006年歲末，來(lái)自德國(guó)達(dá)姆施達(dá)特重粒子研究所的消息說(shuō)，科學(xué)家們?cè)谀抢锍晒铣稍刂芷诒砩?08號(hào)元素的超長(zhǎng)壽命同位素270。

對(duì)于化學(xué)元素周期表來(lái)說(shuō)，這兩個(gè)超重的原子核具有非凡的意義——元素周期律可能由此進(jìn)入了一片新的天地。

人工元素的合成歷程

1945年，美國(guó)橡樹嶺國(guó)立實(shí)驗(yàn)室的3位化學(xué)家在鈾的裂變產(chǎn)物中分離出第6l號(hào)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(hào)元素鈾就結(jié)束了。

但事實(shí)上，這并不是結(jié)束。現(xiàn)在看來(lái)，它更像是一個(gè)新的開始。

1919年，英國(guó)科學(xué)家盧瑟福用α粒子(氦核)轟擊氮等元素的原子核，實(shí)現(xiàn)了歷史上第一次人工核反應(yīng)，并發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子。從此，用高能粒子轟擊原子核的把戲在物理學(xué)界流行開來(lái)，并且轟擊越來(lái)越有力。為了得到更強(qiáng)力的“炮彈”，物理學(xué)家制造越來(lái)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(huì)制造出新的元素。美國(guó)科學(xué)家麥克米倫在用中子轟擊鈾的實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)了比鈾原子序數(shù)更大的93號(hào)元素镎，這幾乎可以說(shuō)是一次意外。不久，化學(xué)家西博格又找到了94號(hào)元素钚。

镎和钚的發(fā)現(xiàn)，使科學(xué)家開始有意用轟擊原子核的辦法來(lái)制造新元素——由于它們?cè)谥芷诒碇信旁阝欀?，被統(tǒng)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(xué)的勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，可謂一枝獨(dú)秀。在那里，制造出了一個(gè)接一個(gè)的超鈾元素。

1944年，西博格通過(guò)轟擊钚，得到了95號(hào)和96號(hào)元素，分別命名為镅(以美國(guó)所在的美洲命名)和鋦(以居里夫婦命名)。當(dāng)他們制造出足夠量的镅和鋦時(shí)，再以中子來(lái)轟擊這些元素，于1949年成功地制造出97號(hào)元素锫。1950年制造出98號(hào)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(xué)獎(jiǎng)。

到1961年，以勞倫斯?伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室為中堅(jiān)力量，科學(xué)家們將元素周期表延伸到了103號(hào)元素。但此后，由于蘇聯(lián)杜布納核聯(lián)合研究所的加入，在這一領(lǐng)域出現(xiàn)了兩強(qiáng)相爭(zhēng)的局面。

從104號(hào)到106號(hào)元素，美蘇科學(xué)家互不相讓，先后都宣布制造出了這些元素。

德國(guó)達(dá)姆施達(dá)特重粒子研究所的出現(xiàn)，無(wú)疑給原本激烈的競(jìng)爭(zhēng)注入了新的活力。德國(guó)人從上世紀(jì)80年代起，先后制造出了107、109、108、110號(hào)元素，使兩強(qiáng)爭(zhēng)霸的格局變成了三足鼎立。

尋找“幻數(shù)”元素

到目前為止，合成工作已經(jīng)進(jìn)行到118號(hào)元素，不過(guò)還只有111號(hào)以前的元素得到國(guó)際化學(xué)聯(lián)合會(huì)的認(rèn)可并正式列入元素周期表，其他元素尚需進(jìn)一步證實(shí)。

超鈾元素每往后推進(jìn)一個(gè)格子，都比前一個(gè)更加艱難。因?yàn)?，隨著原子序列的增加，元素會(huì)變得越來(lái)越不穩(wěn)定，在極短的時(shí)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(hào)元素半衰期不超過(guò)半毫秒，不到一眨眼的功夫它就沒了，科學(xué)家根本沒法知道它什么樣，更談不上對(duì)它進(jìn)行研究了。只能推測(cè)，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(xué)家在上世紀(jì)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(nèi)部的核子(質(zhì)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(shù)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(wěn)定，因?yàn)槟切┰雍俗钔鈱尤杂小翱瘴弧比菁{核子。

這就意味著超鈾元素的穩(wěn)定性并不是完全隨著原子序數(shù)的增大而穩(wěn)步下降，有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)“意外”，而這些意外的發(fā)生就取決于原子核每一層的空位數(shù)量?？茖W(xué)家們稱這些特別的數(shù)字為“幻數(shù)”，意思是“有魔力的、不可思議的數(shù)字”。

物理學(xué)家相信，盡管超鈾元素普遍不穩(wěn)定，但仍有可能存在一些相對(duì)穩(wěn)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(wěn)定島”。

“穩(wěn)定島”的魔力

雖然118號(hào)新元素存在的時(shí)間只有0.9毫秒，但這絲毫沒有影響科學(xué)家的熱情，因?yàn)檫@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(xué)家提出的“穩(wěn)定島”假說(shuō)。

而的同位素270的制造成功，更是向“穩(wěn)定島”又靠近了一步。在制造出270之前，科學(xué)家就推測(cè)質(zhì)子數(shù)108和中子數(shù)162可能是雙幻數(shù)。事實(shí)也正是如此。研究人員雖未能準(zhǔn)確記錄它們產(chǎn)生的時(shí)間，無(wú)法直接測(cè)量出它們的壽命，但間接估計(jì)，半衰期接近22秒，比起半毫秒(最初獲得的元素的半衰期)來(lái)，可真算得上長(zhǎng)壽了。

目前，科學(xué)家預(yù)期了不少幻數(shù)，比如114號(hào)元素的同位素298、120號(hào)元素等。但這僅僅是個(gè)開始，人們對(duì)穩(wěn)定島仍然所知甚微。所能做的，就是繼續(xù)合成新的元素。2006年早些時(shí)候，杜布納核聯(lián)合研究所曾宣布，將人工合成第120號(hào)元素，以進(jìn)一步證實(shí)“穩(wěn)定島”假說(shuō)，盡管他們知道這項(xiàng)工作可能要“持續(xù)多年時(shí)間”。

為了證明“穩(wěn)定島”的存在，各國(guó)科學(xué)家花費(fèi)如此大的力氣，競(jìng)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(xué)化學(xué)學(xué)院教授唐有祺院士認(rèn)為，一旦搞清楚了穩(wěn)定島的中子、質(zhì)子的配比，在撞擊的時(shí)候就可有所調(diào)控，這樣可能會(huì)加快新元素的發(fā)現(xiàn)。

那么，合成新元素又是為什么呢？復(fù)旦大學(xué)化學(xué)系教授吳浩青院士的看法是：在實(shí)驗(yàn)室中合成極少數(shù)超重元素可能不會(huì)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(rèn)識(shí)元素的起源、元素存在的極限等，其科學(xué)意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于實(shí)用意義。

拋開這些不談，僅僅就人類的好奇心來(lái)說(shuō)，我們?cè)?jīng)揚(yáng)帆出海，現(xiàn)在正努力飛向太空，于是探尋元素王國(guó)的新疆域也是很自然的事情。誰(shuí)又敢說(shuō)，海的那邊沒有島嶼甚至是新大陸呢？