歷史 物理

週期表背後的物理學家(五) 愈來愈長的週期表 (上)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-01-03
點閱次數:124

  • 大家都學過週期表,但是你有注意過原子序最高的是哪一個元素嗎?如果你去翻你國中化學課本裏的週期表,跟現在的週期表相比,居然少了好多元素呢!如果你在家裏的舊書堆,找到哥哥姐姐甚至叔叔阿姨用過的化學課本,你會赫然發現他們當年讀的週期表還更短呢!這些近幾十年來所合成的新元素稱之為超重元素 (Super Heavy element 簡寫為SHE)。 超重元素的背後隱含了哪些有趣的物理? 為何合成超重元素如此困難?為何物理學家千方百計要挑戰原子序更高的超重元素? 這些都是大哉問呀!希望這次阿文能拋磚引玉,喚起大家對這個在臺灣相對冷門的領域的一些興趣。



    其實週期表中,天然的元素只到鈽(原子序94)。為什麼大自然沒有原子序比鈽高的元素呢? 這要從質子與中子如何形成原子核說起。質子與質子之間存在著庫倫斥力,而中子又不帶電,所以電磁力是無法解釋原子核的形成。事實上,原子核的形成是由於核子間強大的吸引力所造成的。這個作用力被稱為強作用力(The strong interaction)。強作用力雖然非常強大,作用範圍卻是非常短,(強作用力的作用範圍只有幾個費米(fm)。1fm=10-15 m)。所以當原子核大到一個地步的時候,每個核子只能跟周遭的核子藉強作用力相互吸引,質子間的長距離的庫倫斥力便會使原子核變的非常不穩定,進而導致核分裂。這使得巨大原子核壽命遠比小原子核來的短得多。

    然而物理學家也發現,某些原子核的平均束縛能特別大,也就是說這些原子核相較於其他原子核,顯得格外穩定。這是由於核子之間有非常強的所謂“自旋—軌道”耦合機制,所以原子核擁有類似原子中電子的殼層結構。 當這些”殼層”被填滿時,原子核就會特別穩定。1949家邁耶(Maria Goeppert Mayer)(圖一)和延森(Hans Jensen)(圖二)等人建立了原子核的殼層模型。他們兩人因此獲得1963年的諾貝爾物理獎。殼層的能階數稱為”魔數”或”幻數”(Magic number)目前已經確認的幻數有:2、8、20、28、50、82、126這七個幻數。自然界廣泛存在的氦、氧、鈣、鎳、錫、鉛元素的質子或中子數分別與2到82的魔數相對應。當質子數與中子數都是”魔數”時被稱為”雙魔核”。 例如自然界存在質子數82、中子數126的鉛同位素208Pb,就具有雙魔數,顯得異常穩定。

     
    fig1 (5)
    1949家邁耶(Maria Goeppert Mayer)(圖一)圖片來源:wikimedia common

     
     
    fig2 (2)
    延森(Hans Jensen)(圖二)圖片來源:wikimedia common
     

    1960年代晚期西博格(Glenn Theodore Seaborg) 延伸原子核的殼層模型延伸而提出”穩定島”理論。他認為即使當原子核變成非常巨大的時候,只要質子數是所謂”魔數”那麼殼層帶來的穩定作用,足以抵銷庫倫斥力而避免發生核分裂,而改以別的方式來衰變,使得半衰期長到足以在實驗室中被觀測到。 如果我們可以找到適當的輕核讓它們產生碰撞 ,當碰撞的產物是”魔核”甚至於”雙魔核”(質子數與中子數都是魔數)時 ,就形成了半衰期較長的超重元素, 這是人工合成超重元素之所以可能的原因 。


    然而要在實驗室合成超重元素其實困難重重: 首先科學家發現巨大的原子核會產生嚴重的變形,所以殼層模型需要被修正,而相應的”魔數”也會改變。所以要成功合成新的元素需要足夠好的理論來選擇適當的靶與粒子束。再者拿來當作靶的同位素往往要不是非常不穩定,要不然就是很難在實驗室製造出足夠的量。更慘的是通常合成的新元素,很快就會循各種途徑衰變掉。要確定衰變產物才能決定新元素正確的質子數與中子數。可是往往這些衰變產物常常是首次被製造出來,這使得確定衰變產物往往困難重重。但偏偏這是決定性的一個步驟。所以要確定合成的是一個新元素還真是一件曠日廢時,工程浩大的事業。

    上次阿文介紹了在二戰時製造的五種超鈾元素﹐這些都是拜二戰時美國舉全國之力大量投入資源到原子彈計畫之賜,才有如此快速的進展。這一次阿文要為各位看官一口氣介紹從二戰之後到今天,在實驗室合成的其他二十二種人工合成元素。大致上我們可以分成三個時期:五零年代柏克萊勞倫斯實驗室獨領風騷,六零年代,俄羅斯的杜布納聯合核研究所(JINR)與柏克萊實驗室展開激烈的競爭。八零年代,德國德國達姆施塔特的Gesellschaft für Schwerionenforschung (GSI)也加入這場競賽,形成了三強鼎立的局面。我們將照著人工元素的發現被確定的年代來介紹,還請各位看官耐著性子,一個一個看下去:

    鉳(Bk原子序97)與鉲(Cf 原子序98)

    1949年12月,西博格、阿伯特·吉奧索和Stanley G. Thompson使用加州大學柏克萊分校的1.5米直徑的迴旋加速器,成功地合成並分離出鉳。發現團隊為97號元素命名時,也參考了元素週期表中上方的鑭系元素的命名方式,以發現所在的柏克萊(Berkeley),將第97號元素命名為Berkelium(符號Bk),就像它的化學同系物鋱Tb(Terbium,原子序65)是以礦物發現所在地瑞典伊特比(Ytterby)命名的一樣。幾個月後,1950年2月9日前後,同一團隊在柏克萊又合成了鉲元素(Cf 原子序98)。 他們是利用1.5米直徑迴旋加速器將α粒子加速至35 MeV,射向一微克大小的242 Cm靶,以此產生245 Cf。 這次實驗只產生了大約5千個鉲原子,這些原子的半衰期為44分鐘。研究小組在1950年3月17日發佈了該項發現。之前第95至97號元素是利用類似於對上的元素之命名方式而命名的。但是位於98號元素上方的鑭系元素鏑(Dysprosium)名稱原意為「難取得」,所以研究人員決定打破此前的非正式命名規則,而以加州命名為Californium 。1958年,科學家首次對濃縮鉲進行了實驗。在對239 Pu進行中子照射連續5年之後,科學家在樣本中發現了從249 Cf到252 Cf的各個同位素。1960年代,位於美國田納西州橡樹嶺的橡樹嶺國家實驗室利用其高通率同位素反應爐(HFIR)產生了少量的鉲。到1995年為止,HFIR的實際鉲年產量為500毫克。

    鑀(Es原子序99)與鐨(Fm原子序100)

    鑀在1952年12月由阿伯特·吉奧索等人於柏克萊實驗室連同阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)和洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)合作發現。但這兩種元素卻不像鉲與鉳在加速器中合成,而是從氫彈核爆落塵中分析發現的。含有鑀的樣本采自「常春藤-麥克」(Ivy Mike)核子試驗的輻射落塵。該次核子試驗於1952年11月1日在太平洋埃內韋塔克環礁上進行,是首次成功引爆的氫彈。飛機搭載濾紙飛過爆炸殘餘的雲,濾紙再交由吉奧索等人進行分析。對爆炸落塵的初步檢驗發現了一種新的鈽同位素244 Pu,而這只能通過238 U吸收6顆中子,再進行兩次β衰變才會形成。 當時一般認為,重原子核多次吸收中子較為罕見, 但244 Pu的形成意味著鈾原子核可能會捕獲更多的中子,從而產生比鉲更重的元素。在核子試驗進行地點受污染的珊瑚礁也被送到美國進行處理及分析,又從中提取了更多放射性物質。似新元素的分離是在微酸性(pH ≈ 3.5)的檸檬酸/銨緩衝溶液中利用離子交換法在高溫下進行的。最後得出的鑀元素只有不到200個原子。不過,從253Es的特有的α衰變能量(6.6 MeV),還是能夠探測到鑀的存在。253Es是在238 U原子核捕獲了15顆中子,再經過7次β衰變後形成的,半衰期為20.5天。之所以能夠捕獲這麼多中子,是因為核爆時所產生的高中子通量,使新產生的同位素能夠在衰變為較輕的元素之前就吸收大量中子。中子捕獲最初只會提高該核素的質量數,而不會提高其原子序;之後的β衰變再將中子轉變為質子以增加原子序。這個新元素以愛因斯坦命名,是首次以在世的科學家來命名。愛因斯坦在1955年過世。

    鐨(Fm)是在同一次核子試驗中發現的另一種新元素。由於正值冷戰時期,因此這些新元素的發現被美國軍方列為機密,直到1955年才被公佈。這樣的快速多次中子捕獲使天體物理中的R-過程得到了驗證。R-過程是捕獲多個中子的過程,能夠解釋某些重元素(原子序在鎳以上的元素)是如何在超新星爆炸中合成的,這是宇宙中許多穩定元素的來源。 

    同時,位於柏克萊及阿貢實驗室利用14 N和238 U之間的核反應以及對鈽和鉲進行強烈的中子照射,也產生了鑀(和鐨)的一些同位素。研究結果在1954年發佈。報告中附有聲明,注明此前已有過對這些元素進行的研究。

    有關「常春藤麥克」核彈的研究在1955年才解密。伯克萊的團隊曾擔心,在其機密研究結果公佈之前,別的研究團隊會通過離子撞擊法發現較輕的鐨同位素。事實上,瑞典斯德哥爾摩諾貝爾物理研究所的一個團隊也獨自發現了該元素。他們以氧-16離子撞擊238 U目標,合成了同位素250Fm(半衰期為 30分鐘),並於1954年5月發佈了這項發現。但是,人們還是承認柏克萊團隊較早發現鐨元素,因此該團隊擁有對該元素的命名權。他們決定將其命名為Fermium,以紀念原子彈之父,恩里科·費米。

    鍆(Md原子序101)

    鍆的合成首次由柏克萊團隊在1955年初完成。該團隊使用60寸迴旋加速器以α粒子撞擊253Es創造了256Md(半衰期為87分鐘)。 256Md是第一個單一原子合成的同位素。鍆的首批17個原子是用離子交換吸附洗脫法分離的。過程當中,鍆的化學表現與銩(Tm 原子序69)相似,這是因為它們是同系物。

    鍆的合成只是1952年開始,用中子照射鈽,將其轉化為較重的錒系元素的計畫的一環。為了預測是否可以生產鍆,柏克萊團隊先粗略地計算。產生的原子數約等於目標材料原子數,目標橫截面,離子束強度和轟擊時間的乘積。該計算表明,用中子照射鈽很容易地產生253Es,照射一年將產生十億個鑀原子,其三周的半衰期意味著101號元素的實驗可以在產生鑀之後一周內進行。但是,有必要升級讓迴旋加速器獲得每秒所需的α粒子強度; 為此西博格申請了必要的經費。第一次實驗是在1954年9月進行的。當時看不到鍆的α衰變;第二次實驗則是在1955年2月19日舉行,這一次終於成功了。實驗團隊以發明的俄國化學家門得列夫命名。1955年,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)接受了“mendelevium”的名稱,其標誌為“Mv”,在下一屆1957年在巴黎召開的IUPAC大會中改為“Md”。

    鐒(Lr 原子序103)

    與前述的幾個元素相比,103號元素的發現顯得更加曲折,尤其是俄羅斯杜布納聯合核研究所(JINR)在1957年成立後,合成新元素儼然成了美蘇冷戰的戰場,1958年,柏克萊團隊聲稱發現了元素102。同時,他們還試圖通過轟擊與14N離子一起使用的相同鋦靶來合成元素103。可惜由於靶被破壞,因此未對該實驗做後續跟蹤。後來,在1960年,柏克萊實驗室試圖通過用10 B和11 B轟擊252 Cf來合成103號元素。但未成功。

    1961年2月14日柏克萊團隊宣稱成功地合成了103號元素。它是藉著自重離子直線加速器(HILAC)的10 B和11 B核轟擊三毫克靶所產生的,該靶由鉲的三種同位素組成。柏克萊團隊報告說,他們合成了同位素257103,它發出一個8.6 MeV的α粒子而衰變,半衰期為8±2 s。

    然而JINR的科學家批評道:257 103只能通過發出三個中子產生,這將導致生成曲線(Yield curve)收窄,但柏克萊團隊的生成曲線卻很寬。柏克萊團隊回應可能原因是,產生元素103的事件數量很少所致。但俄國方面不信服這個解釋。柏克萊團隊以迴旋加速器發明者勞倫斯(Ernest Orlando Lawrence,1901-1958)將它命名為“lawncium”,符號為“Lw”。 IUPAC無機化學命名委員會接受了這個名稱,但將符號改為“Lr”。這一決定後來被JINR團隊批評是太倉促了。

    杜布納團隊的工作在1965年轟擊243 Am創造了256 Lr,並從其衰變產物中間識別出252 Fm的兩種衰變能量:分別對應到256 Lr和257 Lr。儘管多次嘗試,但他們始終無法確認257 Lr的半衰期是8秒。 杜布納在1969年和柏克萊在1970年各自進行了進一步實驗,證明了新元素的錒系化學屬性。1970年,杜布納團隊報告合成了255 103,半衰期為20 s,α衰變能為8.38 MeV。然而,直到1971年,柏克萊的團隊才成功地進行了一系列旨在測量質量數從255到260的同位素核衰變特性的實驗,證實了柏克萊和杜布納的所有先前結果,除了柏克萊小組第一次產生的同位素應該是258Lr而不是257Lr。所有的疑慮最終在1976年和1977年測量了從258 Lr發射的X射線能量之後才被消除。

    1992年,IUPAC 後鐨(Trans-fermium)工作組(TWG)正式承認杜布納和柏克萊的團隊是鐒的共同發現者,他們認為,儘管1961年的柏克萊實驗是發現鐒的重要一步,但尚未完全令人信服; 杜布納在1965年,1968年和1970年的實驗非常接近確認合成所需的信心水準,但只有1971年的柏克萊實驗才澄清並證實了先前的觀察結果,並確認了103號元素。既然“鐒”這個名稱已經使用了很長時間,所以IUPAC保留了它,並且在1997年8月,IUPAC批准了名稱lawrencium和符號“Lr”。

    鍩 (No 原子序102)

    102元素的發現可以說是一波三折,來自瑞典,美國和蘇聯的團體都曾聲稱發現它,而且美俄雙方針對誰才是真正的發現者展開了長期的爭論,恰恰反映了當時冷戰的氣氛。第一次宣佈發現元素102的是1957年瑞典諾貝爾研究所團隊。他們用13 C離子轟擊了一個鋦靶二十五小時之久,每半小時轟擊一次。五十次轟擊中有十二次包含了會發射(8.5±0.1)MeVα粒子的樣品。它的半衰期是10分鐘,並被認定是251102或253102,該團隊提出了新元素的名稱鍩nobelium (No),立即得到了IUPAC的批准。

    然而次年柏克萊團隊重複了這項實驗,卻未找到能放出8.5 MeVα粒子的產物。後來的實驗更表明,沒有比259No更輕的同位素(在瑞典實驗中沒有產生更重的同位素)的半衰期能超過3分鐘,所以推斷瑞典團隊的結果很可能來自225 Th,它具有8分鐘的半衰期,並且很快經過三重的α衰變到213 Po,它具有8.53612 MeV的衰變能量。由於在反應中很容易產生釷225Th,而且無法用化學方法將它分離,因此,瑞典團隊後來撤回了他們的主張。

    接下來102號元素卻成了美俄雙方角力的戰場:首先在1958年,柏克萊團隊宣佈合成了102元素。該團隊用13 C和12 C離子轟擊鋦靶(95% 244 Cm和5% 246 Cm)。他們無法確認瑞典聲稱的8.5 MeV事件,但卻能夠檢測出250 Fm的衰變,他們認為這是由254102衰變而來的產物,其半衰期約為3 秒 。1959年,該團隊繼續他們的研究並聲稱他們能夠產生一種同位素,該同位素主要通過發射8.3 MeV的α粒子而衰變,半衰期為3 s,伴隨著30%的機會以核分裂方式衰變。該產物最初被認定是254 102,但後來改為252102但是,他們也注意實驗結果無法令人滿意。柏克萊團隊決定採用瑞典團隊的名稱“nobelium”作為元素名稱。符號為”No”。

    另一方面,杜布納團隊也在進行旨在合成元素102的實驗。 1958年,他們用16O離子轟擊239Pu和241Pu。觀察到一些能量剛剛超過8.5 MeV的α衰變,並且它們被認定為102號元素的同位素。但是1960年後期的實驗證明這些其實都只是背景效應。1961年,柏克萊聲稱在鉲與硼和碳離子的反應中發現了103號元素。他們還聲稱他們合成了元素102同位素,它的α衰變的半衰期為15秒,α衰變能量為8.2 MeV。他們將此同位素認定為255 102而沒有給出理由。後來的實驗顯示那其實是257 102。

    美俄雙方的拉鋸一直持續著。1963年杜布納證實了在柏克萊採用的反應的確可以產生254102,但它的半衰期卻是50±10秒。1964年,JINR又通過從238 U靶與氖離子的反應來合成102號元素,並檢測它的同位素α衰變產物。他們檢測到同位素250 Fm和252 Fm。 252 Fm被發現被當做是256102也被合成的證據:不過他們也注意到252Fm亦可通過同時發射中子與α粒子,直接被產生,所以必須確保252 Fm不能直接被捕獲。他們檢測到256 102的半衰期為8s,遠高於現代的值(3.2±0.2)s。

    之前合成鍩的實驗一直無法得到令人滿意的結果,所以杜布納在1966年改弦易張,採用15 N 離子轟擊243 Am 以及用22 Ne 轟擊238 U來生成254 102,確定了它的半衰期為(50±10)s。確實比柏克萊聲稱的3秒要長得多。1966年12月,柏克萊小組重複了杜布納實驗,並利用這些數據最終正確決定了他們之前合成的同位素的質量數。可以說這一次的實驗真正確認了第102號元素的存在。

    1967年在柏克萊和1971年在橡樹嶺國家實驗室工作的實驗充分證實了元素102的發現並澄清了早先的觀察結果。1969年,杜布納團隊對元素102進一步進行了化學實驗,並得出結論認為它表現為鐿(Yb,原子序70)的同系物。俄羅斯科學家還提出了新的元素joliotium(Jo)的名稱,紀念剛去世的法國化學家Irène Joliot-Curie,這造成了一個命名爭議幾十年來無法解決。直到1992年,IUPAC-IUPAP的TWG重新評估了各方的主張,結論是只有從1966年開始的杜布納工作才算是正確檢測並指定衰變為原子序數為102的原子核。因此,杜布納團隊被正式確認為鍩的發現者,儘管鍩也有可能在1959年在柏克萊被發現。這一決定飽遭柏克萊團隊批評,甚至認為TWG將101至103元素的重新開放命名的決定是“徒勞無功”,而杜布納則倒是欣然同IUPAC的決定。不過當1994年IUPAC嘗試解決元素命名爭議時,它最後還是批准了將102號元素稱為nobelium(No),因為30年來它已經在文獻中得到確認,並且諾貝爾這位化學家也值得以這種方式被紀念。爭論才算塵埃落定。

    1944年西博格曾提出錒系理論。預言了這些重元素的化學性質和在週期表中的位置。這個原理指出,錒和它之後14個連續不斷的元素在週期表中屬於同一個系列,現稱錒系元素。至此所有的錒系元素都被合成了。然而週期表並沒有停在這裏。下一回的阿文開講要告訴您科學家如何合成了完整的第七週期,敬請期待!

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    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目


    延伸閱讀:

    周期表背後的物理學家(一) :第三任瑞利男爵
    週期表背後的物理學家(二) 光譜學家們
    週期表背後的物理學家(三) 天然放射性元素登場
    週期表背後的物理學家(四)巧奪天工的人工合成元素(上)


    ​​​​​​​本文作者:高崇文 (中原大學物理系教授)



     
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