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114号和116号元素诞生记:验证历时4年多

  10月24日,俄罗斯科学院中央大楼,第114号和116号两个新化学元素的命名仪式在此举行。

  这就像是一场宗教洗礼:“神父”是来自国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)的主席巽和行,“新生儿”是化学元素周期表的两个新元素第116号和第114号元素,“教堂”是位于俄罗斯科学院中央大楼的金色礼堂。

  10月24日,在这间具有巴洛克风格的大厅里,坐满了200多位来自世界各地的科学家和政界人士:既有俄罗斯弗廖罗夫核反应实验室和美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家,也有俄罗斯科学院的代表和美国利弗莫尔市市长,还有波兰、南非等国驻俄罗斯的大使。

  这些大人物齐聚一堂的原因,是为两个新生儿“上户口”。在这个被莫斯科人誉为“金脑袋”的大楼里,巽和行宣布了两兄弟元素的大名:老大116号元素叫Livermorium (简称Lv),以纪念美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室所在的利弗莫尔市;老二114号叫Flerovium(简称Fl),以纪念苏联原子物理学家格奥尔基·弗廖罗夫。

  巽和行的话语刚落,背后的投影屏幕上赫然显示出这两个新元素的符号和简称。会场掌声四起,兄弟俩终于在化学元素周期表这幢大楼里安家落户了。

  这场隆重命名仪式的召开,也意味着科学界关于116和114两个新成员的质疑和争议尘埃落定。此前,宣称成功制得这两个新元素的科研机构不止一家,也引起了不少争议。

  “对俄罗斯来讲,这场仪式在俄罗斯科学史上也有着重要意义。”参加该命名仪式的IUPAC执行主管特里·伦纳对中国青年报记者说。

  只要控制“子弹”和“标靶”的大小和撞击的速度,就有可能制造出类似的新元素

  在这场命名仪式之前的一个半世纪里,俄国化学家门捷列夫于1869年编制的化学元素周期表,经过了多次修订和拓展,从最初的63种元素扩展到现在的100多种。刚刚入住元素周期表的兄弟俩,按照质子数分别被排在了114号和116号。

  当时的化学家们应该想不到, 在大名鼎鼎的92号铀元素被发现之后,周期表竟一直延续了20多位。曾有人断言,105号元素是“真正的尽头”,因为随着核电荷的增大,质子间的排斥力也将远超过核力,会导致衰变的发生。

  不过,这个“断言”没能维持几年,106至109号元素就陆续被合成。如今,就连114号和116号都在周期表上落户了。

  它们都是在俄罗斯弗廖罗夫核反应实验室发现的。这个以前苏联原子物理学家格奥尔基·弗廖罗夫命名的实验室,曾宣布104号至107号等“超铀元素”的发现。来自美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的科学家们加入了两个新元素的合成实验。

  “俄罗斯科学家用于发现114号元素和116号元素的方法在业界久负盛名。”伦纳表示。包括114号和116号在内,科学家已经制造出约30个人工合成元素。它们在自然界里不存在(或者是痕迹量的),一般通过两种元素的高速撞击来制得。它们一部分是超重元素,即原子序数大于110的化学元素。

  制作方法听起来并不难:让两个较轻的原子核互相撞击,以制取较重元素的核子。但是实验过程并不容易,据伦纳介绍,目前只有为数不多的国家和科学家掌握这方面的知识和技术,实验成本也非常昂贵,只有六七个实验室具备这样的条件。

  俄美联合研究小组分别于1999年6月和2000年7月在实验室中合成了两个新元素。他们利用回旋加速器,用含有20个质子的钙原子核,轰击含有96个质子的放射性元素锔,从而制得116号重元素的原子核。

  116号元素生成之后,几乎立刻衰变成第114号元素,并释放出含2个质子、2个中子的粒子。而114号元素又会进一步衰变成更轻的元素。当然,114号元素也可直接通过钙原子核轰击94号元素钚而制得。

  伦纳打比方说,我们可以将其中一个较轻的元素想象成子弹,将另一个看作靶子,子弹与靶子撞击之后会产生很多碎片,新元素就在其中。“在以后的试验中,科学家只要控制子弹和标靶的大小和撞击的速度,就有可能制造出类似的新元素。”

  来自劳伦斯利弗莫尔国家实验室的化学家肯·穆迪透露,元素114和元素116实际上只是“副产品”——它们一开始是在偶然的实验对撞中产生的,随后科学家才着手进行专项合成,“当时我们每周都能撞出一个(元素114或元素116)原子”。

  位于莫斯科州杜布纳市的弗廖罗夫核反应实验室不甘示弱。其新闻发言人在回答记者提问时夸口说:“我们的实验室已不是第一次体验到这种快乐了——15年前,当元素周期表中第105号元素改名为‘杜布纳’时,我们就体会过这种快乐。这次命名证明,只有我们的学者在我们的加速器上才能获得这个元素。”

  评估过程十分困难,但命名过程相对简单

  不过,在114号和116号诞生的10多年里,兄弟俩一直属于“黑户”。一直到去年6月11日,IUPAC才正式确认了它们的存在。

  命名的问题随之而来。科学家们根据它们所在的元素周期表位置,将其称为114号元素和116号元素,并按照国际惯例,暂时给它们取了个拉丁文的小名。

  不过,由于合成超重元素的重大科学意义,竞争也异常激烈。最先合成或发现元素的实验室,对其命名往往有建议权。

  据报道,弗廖罗夫核反应实验室所属的俄罗斯杜布纳联合核研究所最初提出,以弗廖罗夫的姓氏命名114号新元素,以新元素的诞生地莫斯科州之名命名116号新元素。但这种企图包揽命名权的做法遭到了美国合作方的抵制。为表达不满,美方提出了“达芬奇”、“伽利略”以及“利弗莫尔市”作为备选。

  这并不是两国科学家第一次争夺命名权。早在1964年,当时的苏联杜布纳联合核研究所宣布发现了104号元素,但实验数据在随后的20年里被一再修正。1969年,美国加州大学伯克利分校的研究小组也“决定性地”合成了104号元素。前者建议将104号元素命名为“kurchatovium”,以纪念苏联“原子弹之父” 伊戈尔·库尔恰托夫;后者则提出命名“rutherfordium”,以纪念美国“原子物理之父” 欧内斯特·卢瑟福。

  最终,化学元素命名权威机构IUPAC的判定:104号命名为Rutherfordium。这一局,美国胜出。

  这一回,IUPAC似乎谁也不想得罪。伦纳表示,114号和116号元素几乎是同时发现的,这是第一次,也正好将元素的命名权进行“理想地分配”:俄美科学家各持一个名字。

  但他对中国青年报记者澄清,他并没有听说过所谓的命名风波,“有可能俄罗斯方面也提供了116号元素的备选名称”。他强调,IUPAC才是最后做决定的机构:双方分享荣誉,这样才是公平的。

  实际上,命名过程本身相对来讲很简单。命名所遵循的原则也不复杂:只要该名字之前没有用过,并且名字和符号足够清楚明确,“不要太离谱儿就行”。在经过科学家的建议,并将建议的名字在网站上公示5个月之后,IUPAC就可以拍板决定了。

  新元素特别是超铀元素的命名,大多用来纪念卓有建树的科学家。比如科学家在1944年通过用亚原子粒子轰击钚的方法,所得到的第96号元素被命名锔,就是为了纪念居里夫妇。而102号元素锘是为了纪念诺贝尔,112号则是为了纪念哥白尼。

  相比元素命名,评价的过程却很困难。IUPAC与IUPAP组成6人联合专家小组,需要对实验的各个方面进行反复验证:实验能否重复、结论是否正确。科学家们对114号和116号元素的验证,从一开始,到10月24日命名仪式,中间持续了4年多的时间。

  “万一出错了,我们担不起这个责任。”伦纳很是严肃。

  没有最终的元素,只有更重的元素

  命名仪式结束之后,巽和行教授对记者表示:“目前,我们已经组建了联合工作组,优先工作方向是进一步开展第113、115、117和118号元素的评估工作。我们只能等待,但我们也不知道到底要等多长时间,也许是6个月,也许要两年。”

  这些新元素也由杜布纳联合核研究所制成。不过它们还没有拿到入住元素周期表的入场券,未获IUPAC的官方认定,也没有名字。

  和114号和116号一样,它们都是超重元素,极其不稳定,存在时间最多只有几秒钟,追踪和分析都非常困难。例如116号“利弗莫尔”的寿命仅仅只有几毫秒,之后便衰变成114号“弗廖罗夫”;而弗廖罗夫在存在半秒钟之后,很快就会衰变成112号“哥白尼”。

  由于时间太短,难以捕捉,对它们进行实验都很困难,目前还停留在理论求证阶段。

  但它至少证明了之前的核理论预言是正确的。这一理论预言预测在质子数为114、中子数为184的“双幻数核”298、114附近的原子核将具有较高的稳定性,围绕它可能存在着由成百个超重元素核组成的“稳定岛”,有可能被合成出来,这些核被称为超重核。原子核为超重核的元素称为超重元素。

  在命名仪式上,弗廖罗夫核反应实验室负责人尤里·奥卡聂相表示:“第114和第116号元素是‘稳定岛’上飞来的第一拨鸟。通过这一系列发现,我们已经看到了上升,感觉到距离稳定岛越来越近了。”他还强调:“我们的最终目标不是获得某个新的元素,而是证明,我们所猜测的‘稳定岛’的真实存在。”

  “利弗莫尔”的出现,以292的原子量轻松夺取了原本属于112号元素的“最重元素”的霸主地位。但是它能保持多久,还要看117号和118号什么时候能够得以确认。

  “其实,更重的119号,乃至后面的元素都有被发现的可能,”伦纳说,“只是需要重新开始数以百万计次的实验,才能找到新的元素。”

  就在多年前门捷列夫制定元素周期表的时候,他也留下了很多空格,并大胆地预测:“属于这些空位的元素将来一定会被发现。”

  114号和116号元素正式拥有了自己的名号,那只是它们英语名字,也是标准名称。至于它们的中国名字被命名成什么,“不在国际纯粹与应用化学联合会的权限范围之内”。伦纳表示,“这个决定权在中国科学机构的手中”。(原标题:给新元素上个户口)