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开采成分周期表:那个超重成分是怎么办出来的?

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【2019年,是联合国“化学元素周期表国际年”(www.iypt2019.org),也是国际纯粹化学和应用化学联合会成立100周年。1月29日,联合国教科文组织总部巴黎举办“化学元素周期表国际年”启动仪式,宣布将在今年举办一系列主题活动,纪念俄国科学家门捷列夫编制化学元素周期表150周年。启动仪式上推出的项目“1001项发明:从炼金术到化学的旅程”将为世界各地的学校提供教学材料和科学实验方案,加强年轻人对化学及其应用的了解。1月31日出版的《自然》和2月1日出版的《科学》不约而同都推出了“元素周期表”特辑(参见Nature
565, 535 ,doi: 10.1038/d41586-019-00281-z,Science 363,6425,DOI:
10.1126/science.aaw6790)。本文主要内容来自这两个专辑的十多篇文章。】

现在,元素周期表已经和很多人当年在中学课本上见到的模样大不相同。随着科学家们的努力,原本残缺的第七行已经被一个个名字古怪的超重元素填满。这些元素周期表上的新成员是实验室里转瞬即逝的人造品,是科学家们费力“撮合”的产物,它们到底是怎么合成出来的?

114号元素和116号元素现已正式获得官方认可,成为元素周期表这个庞大家族中最具重量级的一员。这两种新元素的原子放射性极强,稳定存在的时间均不到1秒,此后便很快衰变为更轻的原子。但研究人员却似乎从中获得了某种启示,他们距离制得可以稳定存在几十年以上的超重元素又更近了一步,构建周期表中“稳定岛”
(译者注:20世纪60年代,核物理学家提出了“稳定岛”假说,预言在第114号元素附近存在着超重原子核稳定区域,该区域内的原子能够长时间存在。)的神话也很快就会变成现实。

化学元素周期表是科学史上最重要的成就之一,它不仅体现了化学的本质,而且也体现了物理学和生物学的本质。它不仅仅是对宇宙中所有已知原子进行排序的表,展现的是一系列来之不易的我们对世界物质多样性的认识,以及我们对原子结构的伟大发现。它已经超越了化学本身,涉及对科学的方方面面,从本质上可以帮助我们更好地理解科学,激发我们探索未知世界。

怎么做个新元素?

(绅士西格玛/译)制造超重元素的基本理论就是,将两个预先选择好的原子核结合到一起,让它们加起来正好能包含你所希望制造的超重元素质子数。比如说,为了制造含有115个质子的新元素“moscovium”,科学家们就把钙(20个质子)与镅(95个质子)结合到了一起。但是——可能你已经猜到了——实际过程可没那么简单。

图片 2杜布纳联合原子核研究所(俄罗斯)的科学家在同步加速器器前工作,这是捕获超重元素的关键设备之一。图片来自:Joint
Institute for Nuclear Research

核聚变仅发生在极端条件下,例如在太阳的核心。为了让原子核结合,我们不得不克服原子核之间因为带正电的质子而产生的静电斥力。在实验室中,这意味着我们要让其中一个原子核加速到相当高的能量(大约10%的光速),然后让它轰击另一个原子核(靶原子核)。

当加速过的原子核撞击靶原子核,大多数时候它们会立刻分开,但极少数时候(非常,非常偶尔),两个原子核会聚合到一起。这是个小概率事件,而且要造的元素越大,融合起来越困难。

这是因为,能对抗电磁力、将原子核里的质子和中子拉到一起的力(强核力)虽然强大,但它的作用距离却很短。你尝试塞进一个原子核的质子和中子越多,就越有可能是电磁力的排斥作用胜出,使得原子核被撕裂。

科学家尝试变换各种“子弹”和“靶子”原子的组合,并对它们进行连续好几个月的融合试验,但最终能检测到的新元素往往只有寥寥数个原子——假如确实有的话。

即使碰撞创造出了新元素,它通常也非常不稳定,一瞬间就会裂变。富含中子的起始同位素能够阻止这一进程的发生。它们能够帮助稳定新生成的元素,让原子核通过中子发射的方式散发能量。

多年来,不断地有一些科学证据表明这两种新元素的存在,然而却始终没有获得官方的认可。直到最近,由来自国际纯化学与应用化学联盟(IUPAC)和国际纯物理与应用物理联合会(IUPAP)的科学家们组成的专门委员会在进行了为期三年的评估之后,终于接纳了这两位新成员,它们在元素周期表中也占据了一席之地。

今天,元素周期表在世界各地的化学实验室和教室里随处可见。从某种意义上,它已经成为“我们在这里做科学研究”的一个象征。1869年,当德米特里•门捷列夫(Dmitri
Mendeleev)发表他的第一份周期表草稿时,科学界只知道63种元素,现在有118个元素了。人们自然会问:它还会继续扩展吗?扩展面临哪些困难?它的形状会发生变化吗?什么时候是它扩展的尽头?实验原子物理学的局限性在哪里?等等。

元素生产线

生产人造元素,你需要一个离子源,一个回旋加速器来加速这些离子,一个接受轰击的“标靶”,以及分离器和检测器。美国劳伦斯伯克利国家实验室(Lawrence
Berkeley National
Laboratory)的回旋加速器每一秒会输出大约1014个高度带电状态的离子(例如Ca10+,这种超高价离子损失了相当多的电子),并把它们加速到大约30000千米/秒。

离子束从回旋加速器飞出,迎头撞上一个高速旋转的“标靶”圆盘。旋转圆盘是非常重要的——假如不转动,高能离子流很快就会在上面烧出一个洞。

图片 3圆盘上有作为“靶子”的起始元素。

在“标靶”之后,电磁分离器会从数以百万计的的碰撞中分离出新产生的元素。分离器的工作原理类似质谱仪——调整好的磁场只会让我们所需的特定荷质比的粒子通过。能顺利通过分离器过滤的粒子,接下来就会到达检测器了。

事实上,自1999年以来,已有好几个研究小组陆续宣称自己已经成功制得了114号元素。但在此之中,委员会裁定有效的只有两个联合研究小组,它们互相协作并分别于2004年和2006年进行了一系列科学实验,且首次提供了有关114号元素存在的足以令人信服的科学性依据。这一系列科学实验也同时被用于证明116号元素的存在与否。

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新元素那么短命,怎么确定它真的诞生了?

这些新元素可能不会存在多久,不过当它们衰变时,会有一个特征性的模式。大多数超重元素会发出α粒子(也就是氦原子核)。每一次α衰变会导致2个质子和2个中子从原子核中分离,残留下来的更轻的原子核还将进行新一轮衰变。这样一来,元素就产生了一条独特的“衰变链”。

图片 5科学家正在研究117号元素的衰变链

然而,这些原子经常会衰变成某种已知元素的未知同位素,这些新同位素的衰变链也是未知的。因此,研究者们还要合成这些同位素,观察它们的衰变链,然后再与新元素聚变实验的数据进行匹配。

当科学家们合成出至少若干个新元素原子时,他们会把发现提交到国际纯化学和应用化学联合会(IUPAC)。接下来,在IUPAC正式确认之前,另一个实验室还会对这些实验进行重复。

互相碰撞

北京大学化学与分子工程学院实验室墙上的元素周期表

我们能造出更稳定的元素吗?

大多数超重元素非常不稳定,科学家们连造出能坚持几分钟的超重元素都不太可能。不过自从1960年代开始,科学家们就预测,一些超重元素同位素会有比其他同类大出好几个数量级的半衰期,这就是所谓的“稳定岛”。

科学家认为,原子核也像核外的电子一样,由不同能级的“壳层”组成。特定数量的质子和中子将形成一个特别稳定的原子核,这样的特定数目被称为“幻数”。一个同时拥有幻数质子和幻数中子的原子核就是“双幻核”。

图片 6与其他设备相比,检测器是个头较小的部分。

究竟都有哪些数字是“幻数”?现在对此所知还不是很多,不同的计算方式会得出不同的结果。不过,有证据表明184是一个中子的幻数。正在研究114号元素𫓧(flerovium)同位素的研究者已经发现,随着同位素中子数增加,半衰期也会延长。而到目前为止,人工合成最重的同位素𫓧-289依然与幻数差了9个中子。

上述两个联合研究小组分别是位于俄罗斯杜布纳的联合核子研究所以及美国加州的劳伦斯·利弗摩尔国家实验室,由尤里·奥冈尼西恩和肯·穆迪各自挂帅开展一系列科学实验。

1.元素周期表的诞生

提到元素周期表,人们自然会想到门捷列夫。事实上,在他之前的十多年,有许多人已经开始着手对元素进行类似的部分二维排列了,包括四位西欧人和一位住在美国的丹麦化学家。1869年2月,俄罗斯首都圣彼得堡大学的普通化学教授德米特里•伊万诺维奇•门捷列夫(1834-1907)发表了他的分类,包括了当时所有已知元素,
他从三角函数中借用“周期”这个词来表示化学元素属性的重复。门捷列夫的这个版本目前被科学界公认为是现代元素周期表的鼻祖。

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门捷列夫1869年2月的元素周期表(图中缩写Di代表Didymium,一种由Carl
Mosander于1841年发现的稀土元素,被认为是一种元素。从1874年开始,一系列化学家怀疑didymium实际上可能是物质的混合物,1885年,卡尔•奥尔•冯•威尔斯巴赫通过分离结晶,分离出两种新元素,很快被称为Praseodymium和Neodymium。,稀土一直是门捷列夫头痛的元素。表中他认为原子量可疑的加了问号)。

门捷列夫的元素周期表与今天的元素周期表看上去大相径庭。从门捷列夫1869年提出的“基于原子量和化学亲和力的元素体系的尝试”到如今国际纯粹与应用化学联合会批准的“元素周期表”,不仅仅是设计上的不同,从根本上是我们对物质理解的根本转变。如今的IUPAC表上的数字代表元素的原子序数,即每个原子核中质子的数量。这些带正电的粒子决定了轨道上电子的数量,这些电子的结构又在很大程度上决定了其化学性质。

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国际纯粹与应用化学联合会网站上的元素周期表(来源:

19世纪,物质的原子结构学说获得了广泛的认同。在此基础上,化学原子论则引入了定量分析的方法,使无机化学走向系统化。1803年,道尔顿将希腊思辨的原子论改造成定量的化学原子论。1811年,意大利物理学家阿伏伽德罗提出了分子的概念。

1860年9月,在德国南部城镇卡尔斯鲁举行了由各国化学家参加的国际化学会议,这是化学史上的一次极其重要的会议,就原子量问题展开了热烈的讨论。会上,意大利化学家斯坦尼斯劳•坎尼扎罗(Stanislao
Cannizzaro)散发了他1858年的论文,呼吁重视阿伏加德罗定律,原子-分子论最终得以确立,原子量的测定工作从此也走上了正规。随着大量元素的发现以及原子量的精确测定,人们开始讨论元素性质与原子量的变化关系,为元素周期表的诞生奠定了坚实的基础。

门捷列夫生于西伯利亚,是家中17个兄弟姐妹的最后一个。在母亲的支持下,他1850年进入圣彼得堡师范学院,以第一名的成绩完成了学业,随后赴法国和德国深造。他1860年在海德堡附近做博士后,碰巧参加了1860年的那次著名的卡尔斯鲁国际化学大会,会上坎尼扎罗的论文给他留下了深刻的印象。次年他回国在圣彼得堡工艺学院任教,1865年被聘为圣彼得堡大学化学教授。1869年,在圣彼得堡化学协会例会上,他由于生病请人代为宣读了他的论文“元素性质与原子量的关系”,提出了元素周期表,同时将论文副本寄给了欧洲各国的同行。其时,德国化学家迈耶尔也于1869年提出了他的元素周期表,只是元素数目少一些,但揭示的规律性基本上与门捷列夫相同。

但门捷列夫的突出贡献在于,他不仅列出了当时已知的63种元素,还根据规律和预测留下了一些空位。图中,被门捷列夫列为带有问号原子量的三种元素:45、68和70,门捷列夫将把这些命名为EKA硼、EKA铝和EKA硅,并详细预测了它们的化学性质,很快就被发现为钪、镓和锗。预测的成功巩固了门捷列夫在欧洲的声誉和他作为周期系统主要发现者的地位(尽管如此,他在1882年与朱利叶斯•洛塔尔•迈耶(Julius
Lothar
Meyer)分享了英国皇家学会的戴维勋章)。门捷列夫一下子成为了国际知名化学家、俄罗斯的科学英雄。可惜的是,1906年,门捷列夫以一票之差没能获得诺贝尔化学奖,但他不朽的科学业绩将永载科学史册。

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除了1869年发表在《化学期刊》的周期表外,门捷列夫在1868-1872年之间至少还发表了7张以上的周期表。此后,门捷列夫还多次修订了他的元素周期表,下图是1871年和1904年周期表版本。

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门捷列夫的1871年和1904年周期表(下,左列是惰性气体)

19世纪中叶,惰性气体、放射性、同位素、亚原子粒子和量子力学在都是未知的。1940年,镧系元素(原子序数57的镧到71的镏)和锕系元素(原子序数89的锕到103的铹)相继被发现,今天的元素周期表大约是在1950年前后逐渐开始形成的。

元素周期表还能扩到多大?

各种预测众说纷纭,不过元素周期表的大小确实存在上限。随着质子数增长,内层电子会更难抵挡带正电的巨大原子核的吸引。当最内层电子进入原子核内,原子也就不复存在了。

物理学家理查德·费曼预测,元素周期表会在137号元素的地方终结。他的依据是自己对带电粒子间电磁相互作用强度的计算。然而,费曼的预测假设原子核是完美的球形,这一点并不一定正确。在几十年前,有科学家预测非常重的元素可以有椭球型的原子核,并且这种椭球形的原子核最多能容纳170个中子。(编辑:窗敲雨)

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