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119号元素的基态电子配置。

杜布纳研究所的科研团队。

  上月底,俄罗斯宣布要联合美国科学家,开始合成元素周期表里第119号元素(暂定名为Uue)的实验。消息一经宣布,便引起社会广泛关注

  元素周期规律 宇宙的基本规律之一

  说起人工合成119号元素,我们还要从门捷列夫和他的元素周期表讲起。140多年前,俄国化学家门捷列夫把当时已经发现的63种元素按照原子量的大小进行了某种排列,制成了这张(如图)著名的元素周期表,从而发现了各种元素及其化合物的性质存在着周期性变化的规律,这是一项十分了不起的发现。

  当我们翻阅过去这张表,表里还留有一些空格,门捷列夫坚定地认为:每个空格里应该有一种符合这张表格规律的未知元素来占有。

  到今天,现代的元素周期表与原先的周期表已经有了本质的变化,各元素已经不再按照原子量由轻到重来排列,而是按照原子序数(即是原子核内质子数目的多少)来排列。今天,人类已经能够从微观的角度,根据每个元素原子核内的质子数、中子数、外层电子的层数和最外层电子数的多少等等原子的内在基本规律,来正确地解释周期表中各元素及其化合物性质的周期变化的趋势。可以说,现在的元素周期规律就是宇宙的基本规律之一。

  宣布要合成119号元素的俄罗斯杜布纳联合原子核研究所是一个有名的机构。现在最新的元素周期表中有6个就是早些时候在杜布纳实验室合成的,其中118号元素的合成是在2006年10月。

  高速撞击融合 合成新元素的常规方法

  门捷列夫元素周期表中当时没有发现的元素,后来陆续都被人们发现了。不但如此,后来的科学家还根据这个表的规律,“制造”出了自然界中原本不存在的新元素。

  元素周期表第92号元素(铀)之后“居民”的特点就是它们大都不稳定,大都是些很容易发生衰变的“居民”。它们在自然界并不存在(准确地说,是在地球上没有发现它们),或者说它们占在“房间”里的时间非常非常短,有个别甚至是“一眨眼不到的功夫”就变成另一个居民而“溜”走了!

  因此,从铀之后的第93号到118号元素,除镎(Np)和钚(Pu)在地球上有极微量存在外,其它都是那些至今在地球上未能被发现的元素,要通过人为创造条件分别发现它们。

  人工合成新元素,科学家们通常采用这样的办法:经过分析计算“选出”两个相对较“轻”的元素,让它们的原子核相互高速碰撞。在这个过程中,有些就被撞得粉碎了,但也会有部分原子核由于相互撞击而“融合”到一起,“合成”为一个新的核。这正是我们所要的结果:一个新元素的诞生。

  我们以在德国重离子研究中心GSI 所做的合成112号元素(Cn)的实验为例,来说明这个合成过程。科学家把原子序数为30的锌原子设法变成离子,让它们成束,然后把它们注入GSI的120米长的粒子加速器内,沿直线方向加速到差不多接近“1 / 10光速”的速度,直接撞击在原子序数为82的铅制成薄靶上。两个原子高速碰撞的结果是多数都被粉碎了,但还有少量融合在一起形成新的原子,那就是原子序数为30+82=112的Cn。

  近年来,俄罗斯的科学家联合美国科学家也是用类似的方法,在它们的重离子加速器中相继合成了113、114、115、116和118号元素。

  合成新元素还有其他一些方法,限于篇幅我们这里就不一一介绍了。

  几率低、衰变快“合成”新元素不容易

  合成新元素的原理,说起来并不复杂,然而要真正实现,当然并不容易。

  困难首先在于,每次碰撞实验真正能产生“融合”的机会很微小,给探测工作带来极大困难。科学家的任务就是设法做到“多产出”,以便能够把握这个新元素。

  其次,因为这些超重元素极易衰变,虽然科学家们试图努力地发现它们,也已经看见了一些结果,但是还不能说是稳定地抓到了,因为他们的半衰期太短。所以在指定的时间内得到这种新元素的数量非常少,也使得监测它们的仪器设备很难发挥作用。可以肯定一点,如果这些元素的寿命长的话,它们就应该存在于自然界,或者存在于宇宙线撞击地球的什么地方。

  第三,要有先进的监测手段。要监测得到,首先是要求仪器灵敏度高、响应时间特别快,同时,实验数据要能用于证明这肯定就是新元素周期表中那个期望中的“居民”。

  第四,还必须能重复地得到相同结果。未能重复就不算成功,等到新元素的发现的确被他人的实验重复,相关机构才承认它真实存在,才能命名。

  119号元素周期表中位置不一般

  如前文所述,俄美科学家已经发现118号元素了。这个元素的位置刚好在周期表第七横行的末端,所有在它和它之前的房子里都有“居民”了。而且118号元素所在的纵列(族)里,从氦开始的元素全部都属于“惰性”元素,它们的最外层电子数都已被填满。科学家说这应是一种“最封闭”即最为稳定的外层结构。就是这种结构的特点令这一族元素最不活泼。

  再横看一下,这一周期已经到此为止了,发现新元素的任务似乎已经圆满无缺,还存在下一个元素119吗?如果还有所拓展,那周期表里自然就要开出新的一行──第八行(新周期),119号元素就是这一新行的“排头兵”!先不说它的性质,这本身就意味着,跟在后面一定还有更多新的“房间”,它们各自的“居民”有待被发现。所以,119这个位置很特别,如果真的成功发现它的“主人”,那我们对身边的物质世界的认识将继续被推进一大步,有谁会否认做这件事的意义呢!

  由此也引出了“周期表到底有没有尽头”的问题。从理论上看,虽然有人从原子核内部的核力与电磁力平衡的角度提出过分析和解释,但至今也不能预言稳定的原子核内最多可以容纳多少个质子和中子。这是一个进一步深入认识并正确解释物质世界的问题。

  ■链接

  人工合成新元素

  到底有意义吗?

  人类已经不是第一次以这样的方式寻找新的超铀元素,科学家这样特殊的“创作”,对帮助人类更深入地了解“我们周围这个物质世界究竟是怎样生成的”这个问题有非常大的意义。因为,探索、发现新元素是人类在不断探索自然界奥秘的过程的一部分,也是人类对自然界奥秘的认识在不断深化的过程。毫无疑问,发现(合成)这些超重元素的意义在于人类对物质世界的认识更加深入了。大自然的奥秘将进一步被揭开,我们又成功地扩展了物理世界的认知边界。

  至今,科学家还不能进一步说清他们发现超重元素的实验有什么实用价值。不过,有一点已经肯定:这些“超铀元素”中,钚-239已经被应用了,它其实是用铀238放在核反应堆中接受中子照射而最终生成的,它已经被人类广泛使用为核反应堆的燃料或生产核武器的关键原料。

  也许有人会因此而担心:虽然现在所“制造”的新的超重元素的数量极少,但有那么一天,当人类已能找到大量复制的方法之后,会不会又给人类自己带来某种新灾难?对于这种担心,我们会说,和人类已经做过的太多的事情相比,这是安全的。未来是属于新一代的,他们会利用各种新技术去创造新的生活,他们必将把这个世界变得更美好!

  (作者为中国科学院新技术开发局高级工程师、中国科学院老科学家科普演讲团成员)

本文来源:北京日报 作者:陈贺能

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