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第117号元素

2014-05-22 15:42 作者:苗千来源:三联生活周刊 2014年第21期
元素周期表的发表,标志着人类对于自然界认识的深入,此后随着科学的发展,元素周期表一再被更新。
“元素说”源远流长,从古代开始就有很多人认为世间万事万物都是由几种最基本的“元素”构成的。由此开始,不同的文明也发展出了自己的元素学说,其中最著名的当属希腊数学家和哲学家毕达哥拉斯综合前人的观点,总结出了“四元素说”,认为世间万物都是由土、水、气、火四种基本元素组成。中国的“金木水火土”五行说也是古人出自对自然界的朴素观察而得出的类似结论。在现代,人们通常认为俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫在1869年首先独立发表了元素周期表。这个周期表包含并且整理了当时人类已经发现的63种元素,按照原子序数排列,不仅如此,这张元素周期表还为一些当时尚未被发现的元素预先留下了位置。元素周期表的发表,标志着人类对于自然界认识的深入,此后随着科学的发展,元素周期表一再被更新。
在自然界中原子序数最大的原子核是铀(Uranium),它由92个质子外加不同数目的中子构成,而更重的原子核则需要通过核聚变过程人工制造。在过去的几十年里,大量人工合成的新元素在世界各地的实验室里被制造出来。在国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry)2013年5月1日公布的元素周期表中,最大已经排列到了116号元素鉝(Livermorium),但是113号和115号元素的位置仍然空缺。要确认一个新元素的发现,必须有不同的实验室做出可重复的实验,之后再经过谨慎的考虑,第114号和116号元素都是在2011年才被正式收入到元素周期表中,它们在此前都经过了长达3年的考查。
虽然可以在实验室里通过人工方式合成自然界中不存在的元素,但是人类显然不可能合成无限多的原子核,原因就在于原子核内部的质子和中子数量越多,其状态也就越来越不稳定,越容易发生放射性的衰变。在原子核内部,质子和中子等粒子通过强相互作用相互结合在一起,这种宇宙中最强的相互作用,其强度大约是电磁相互作用的100倍,但是,越来越多的质子和中子聚集在一起,带正电荷的质子之间的斥力就越来越大,中子之间也会有一些排斥,强相互作用也就越来越难以束缚,不足以维持原子核的稳定。在人类已经发现或是制造出的3000多种原子核中(元素周期表中的原子序数由原子核内部带正电荷的质子数决定,但在原子核中还可以有不同数目的电中性的中子与质子结合在一起,构成不同的原子核),只有288种是稳定的。2012年6月28日,田纳西大学的物理学家马里奥·斯托伊特索夫(Mario Stoitsov)与合作者在《自然》杂志上发表论文《原子核前景的极限》(The Limits of the Nuclear Landscape),探讨质子与中子结合成为原子核在理论上的极限问题,他们认为,在理论上最多可能有7000种左右的不同原子核存在。
最近,位于德国达姆施塔特的亥姆霍兹重离子研究中心(GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research)的科研人员在实验室内合成了第117号元素,虽然还没有得到官方确认,这种元素甚至还没有一个正式的名字,只能被称为Ununseptium(简称Uus,这个单词来源于拉丁文和希腊文中的117),但这是在“不同的实验室,不同的地方,不同的方法”的条件下重复了之前的实验成果,因此意义重大,这个目前人类发现的最重的原子核很可能会在不久之后得到官方的承认。
实验进行得并不一帆风顺,为了进行原子核对撞的实验,在德国的科学家们需要获得大量的锫(Berkelium)元素,而只有美国的橡树岭国家实验室才有条件通过核反应堆来制取大量的半衰期为330天的锫元素。为了进行实验,德国的科学家们花了两年时间建造了一个可以储存锫的储藏室,一直等到他们存储了13毫克的锫,才开始进行实验。
第117号元素Ununseptium是在2010年首先由一组美国和俄国科学家组成的团队在位于俄罗斯杜布纳的联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research)合成的,而此次在亥姆霍兹重离子研究中心,科学家们原本希望制造出119号元素,他们计划利用原子序数为22的钛(Titanium)原子核与锫原子核相撞,但之后他们决定利用原子序数为20的钙(Calcium)原子核以十分之一光速的速度撞向原子序数为97的锫原子核,两个原子核通过碰撞形成了一个新的原子序数为117的新原子核。原子核越大,也就越趋于不稳定并且富有放射性。这个新原子核的半衰期只有0.05秒,在这次实验中,科学家们总共也只成功制造出了4个117号原子核,一共只存在了0.1秒。它们很快就衰变成为其他粒子,因此科学家们只能通过它的衰变产物来分析这个新原子核的一些特性。
在117号原子核衰变的产物中,科学家们发现了铹(Lawrencium)266原子核,这个粒子由103个质子和163个中子组成,在此前从来没有被发现过,而且它的半衰期长达11个小时,成为最长寿的超重同位素之一。2014年5月1日,这个研究团队在《物理评论快报》(PRL)杂志上发表论文《Ca48+Bk249核聚变产生出117号元素:长寿命的α-衰变的Db270和对于Lr266的发现》(Ca48+Bk249 Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying Db270 and Discovery of Lr266),讲述了他们的实验发现。
这个117号元素的原子核具有怎样的结构?目前科学家们还不清楚,随着原子核越来越大,有物理学家分析,巨型的原子核有可能会呈现出一种中空的球形结构。那么,人类在未来究竟有可能制造出最高多少原子序数的元素?这个问题也还没有答案。也有物理学家认为,在太空中,中子星在极高的压力下,有可能生成原子序数极高的元素,但目前人类还没有从太空观测中发现这些元素的痕迹。
(本文写作参考了《科学美国人》、《物理评论快报》和《自然》杂志的报道)

“元素说”源远流长,从古代开始就有很多人认为世间万事万物都是由几种最基本的“元素”构成的。由此开始,不同的文明也发展出了自己的元素学说,其中最著名的当属希腊数学家和哲学家毕达哥拉斯综合前人的观点,总结出了“四元素说”,认为世间万物都是由土、水、气、火四种基本元素组成。中国的“金木水火土”五行说也是古人出自对自然界的朴素观察而得出的类似结论。在现代,人们通常认为俄国化学家德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫在1869年首先独立发表了元素周期表。这个周期表包含并且整理了当时人类已经发现的63种元素,按照原子序数排列,不仅如此,这张元素周期表还为一些当时尚未被发现的元素预先留下了位置。元素周期表的发表,标志着人类对于自然界认识的深入,此后随着科学的发展,元素周期表一再被更新。

在自然界中原子序数最大的原子核是铀(Uranium),它由92个质子外加不同数目的中子构成,而更重的原子核则需要通过核聚变过程人工制造。在过去的几十年里,大量人工合成的新元素在世界各地的实验室里被制造出来。在国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry)2013年5月1日公布的元素周期表中,最大已经排列到了116号元素鉝(Livermorium),但是113号和115号元素的位置仍然空缺。要确认一个新元素的发现,必须有不同的实验室做出可重复的实验,之后再经过谨慎的考虑,第114号和116号元素都是在2011年才被正式收入到元素周期表中,它们在此前都经过了长达3年的考查。

虽然可以在实验室里通过人工方式合成自然界中不存在的元素,但是人类显然不可能合成无限多的原子核,原因就在于原子核内部的质子和中子数量越多,其状态也就越来越不稳定,越容易发生放射性的衰变。在原子核内部,质子和中子等粒子通过强相互作用相互结合在一起,这种宇宙中最强的相互作用,其强度大约是电磁相互作用的100倍,但是,越来越多的质子和中子聚集在一起,带正电荷的质子之间的斥力就越来越大,中子之间也会有一些排斥,强相互作用也就越来越难以束缚,不足以维持原子核的稳定。在人类已经发现或是制造出的3000多种原子核中(元素周期表中的原子序数由原子核内部带正电荷的质子数决定,但在原子核中还可以有不同数目的电中性的中子与质子结合在一起,构成不同的原子核),只有288种是稳定的。2012年6月28日,田纳西大学的物理学家马里奥·斯托伊特索夫(Mario Stoitsov)与合作者在《自然》杂志上发表论文《原子核前景的极限》(The Limits of the Nuclear Landscape),探讨质子与中子结合成为原子核在理论上的极限问题,他们认为,在理论上最多可能有7000种左右的不同原子核存在。

2010年由美国和俄罗斯科学家组成的国际研究团队首次成功合成的117号元素示意图

2010年由美国和俄罗斯科学家组成的国际研究团队首次成功合成的117号元素示意图

最近,位于德国达姆施塔特的亥姆霍兹重离子研究中心(GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research)的科研人员在实验室内合成了第117号元素,虽然还没有得到官方确认,这种元素甚至还没有一个正式的名字,只能被称为Ununseptium(简称Uus,这个单词来源于拉丁文和希腊文中的117),但这是在“不同的实验室,不同的地方,不同的方法”的条件下重复了之前的实验成果,因此意义重大,这个目前人类发现的最重的原子核很可能会在不久之后得到官方的承认。

实验进行得并不一帆风顺,为了进行原子核对撞的实验,在德国的科学家们需要获得大量的锫(Berkelium)元素,而只有美国的橡树岭国家实验室才有条件通过核反应堆来制取大量的半衰期为330天的锫元素。为了进行实验,德国的科学家们花了两年时间建造了一个可以储存锫的储藏室,一直等到他们存储了13毫克的锫,才开始进行实验。

第117号元素Ununseptium是在2010年首先由一组美国和俄国科学家组成的团队在位于俄罗斯杜布纳的联合核研究所(Joint Institute for Nuclear Research)合成的,而此次在亥姆霍兹重离子研究中心,科学家们原本希望制造出119号元素,他们计划利用原子序数为22的钛(Titanium)原子核与锫原子核相撞,但之后他们决定利用原子序数为20的钙(Calcium)原子核以十分之一光速的速度撞向原子序数为97的锫原子核,两个原子核通过碰撞形成了一个新的原子序数为117的新原子核。原子核越大,也就越趋于不稳定并且富有放射性。这个新原子核的半衰期只有0.05秒,在这次实验中,科学家们总共也只成功制造出了4个117号原子核,一共只存在了0.1秒。它们很快就衰变成为其他粒子,因此科学家们只能通过它的衰变产物来分析这个新原子核的一些特性。

在117号原子核衰变的产物中,科学家们发现了铹(Lawrencium)266原子核,这个粒子由103个质子和163个中子组成,在此前从来没有被发现过,而且它的半衰期长达11个小时,成为最长寿的超重同位素之一。2014年5月1日,这个研究团队在《物理评论快报》(PRL)杂志上发表论文《Ca48+Bk249核聚变产生出117号元素:长寿命的α-衰变的Db270和对于Lr266的发现》(Ca48+Bk249 Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying Db270 and Discovery of Lr266),讲述了他们的实验发现。

这个117号元素的原子核具有怎样的结构?目前科学家们还不清楚,随着原子核越来越大,有物理学家分析,巨型的原子核有可能会呈现出一种中空的球形结构。那么,人类在未来究竟有可能制造出最高多少原子序数的元素?这个问题也还没有答案。也有物理学家认为,在太空中,中子星在极高的压力下,有可能生成原子序数极高的元素,但目前人类还没有从太空观测中发现这些元素的痕迹。

(本文写作参考了《科学美国人》、《物理评论快报》和《自然》杂志的报道)

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