歷史 物理

期表背後的物理學家(六) 愈來愈長的周期表(下)

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撰文者:高崇文
發文日期:2020-01-03
點閱次數:131
  • 上次阿文介紹了整個鑭系元素被合成的過程。接著科學家再接再厲又合成了整個第七個週期。這一次阿文要將從第一百零四號元素到一百一十八號元素的發現過程講過一輪。還請各位看官仔細瞧瞧。


    鑪(Rf 原子序104)

    鑪(Rutherfordium)在元素週期表中,是第一個錒系後元素。與之前的鍩與鐒一樣,它的發現過程充滿了美蘇角力的痕跡。

    杜布納聯合核研究所(JINR)於1964年宣布首次發現鑪。他們用22 Ne離子撞擊242 Pu靶,讓產物與四氯化鋯(ZrCl4)產生反應後將其轉變為氯化物,再用溫度梯度色譜法把鑪分離出來。該團隊偵測到核分裂,其半衰期數值最初並沒有被準確量度,但後來的計算則指出,發生衰變的應該就是259 Rf。1969年,美國的柏克萊團隊以12 C離子撞擊鉲,確定合成了鑪,並測量了257Rf 的α衰變。1973年美國的實驗得到獨立的證實。俄方科學家建議使用Kurchatovium作為該新元素命名以紀念譽為蘇聯原子彈之父的伊格爾·庫爾恰托夫(圖一)。而美方科學家則建議使用Rutherfordium來紀念原子核物理學之父的紐西蘭物理學家歐內斯特·盧瑟福。雙方各執己見,一直無法達成共識。一直到1992年,IUPAC/IUPAP超鐨元素工作組(TWG)認為雙方是同時合成了第104號元素,所以雙方應該共同享有這份名譽。美國的團隊回覆了TWG,認為TWG過分重視杜布納團隊的研究結果。他們也指出,俄方團隊曾在過去20年以內多次修改其報告細節,俄方對此也沒有否認。美方還強調,TWG過於看重俄方團隊所進行的化學實驗,並指責TWG的委員會成員缺乏足夠的資歷。TWG隨後回應,稱已經審視過美方提出的各項意見,並認為沒有理由撤回先前有關發現順序的結論。 

     
    fig1-2
    圖一、伊格爾·庫爾恰托夫(圖片取自Wikipedia)




    兩年後,IUPAC建議使用Dubnium(名稱源自杜布納,Dubna)作為104號元素的名稱,因為rutherfordium已被建議作為106號元素的名稱,而IUPAC也認為應該承認杜布納團隊對此領域研究的貢獻。然而,到了1997年,有關的團隊解決了命名糾紛,並最終採用了現名Rutherfordium,符號 Rf。

    𨧀(Db 原子序105)

    𨧀(Dubnium)是位於第7週期和5族元素。化學實驗証實它是鉭(Tantalumm原子序73)的較重的5族同系物。JINR在1968年報告發現了這個元素。他們以22Ne離子撞擊243Am,發現了能量為9.40 MeV和9.70 MeV的α粒子。他們認為兩者指向同位素260Db或261Db。兩年後,杜布納的團隊把產物與NbCl5反應後,對所得的

    氯化物使用溫度梯度色譜法分離了兩項反應產物。團隊在揮發性氯化物中,辨認出一次2.2秒長的核分裂,有可能來自261DbCl5。同年,在柏克萊加州大學,由阿伯特·吉奧索領導的團隊以15 N離子撞擊249 Cf,合成260 Db。260 Db的α衰變半衰期測得為1.6秒,衰變能量為9.10 MeV,衰變產物為256 Lr。1971年,JINR利用改善了的試驗設備重覆他們之前的實驗,証實了之前的結論。1976年,他們繼續用溫度梯度色譜法研究這個反應,並辨認出產物五溴化𨧀-260(260DbBr5)。 1992年,IUPAC/IUPAP鐨後元素工作小組評估了兩個團隊的報告,並決定雙方的研究成果同時證實對元素的成功合成,因此雙方應共同享有發現者的稱譽。蘇聯團隊建議名稱Nielsbohrium(Ns),以紀念丹麥核物理學家尼爾斯·波爾。美國團隊則提出把新元素命名為Hahnium(Ha),以紀念德國化學家奧托·哈恩。所以Hahnium一名在美洲及西歐廣為科學家們所用,並出現於許多的文獻中;而Nielsbohrium用於前蘇聯和東歐集團國家。為了解決爭議,IUPAC於1994年曾提出採用名稱joliotium(Jl),紀念法國物理學家弗雷德里克·約里奧-居里。此名原先由蘇聯團隊提議為102號元素的名稱。但是美俄雙方都不滿意。直到1997年,IUPAC表示,柏克萊實驗室已經在多個元素的名稱中得到了承認(如鉳、鉲、鋂),而且元素104和106已依美方要求命名為鑪(以盧瑟福命名)和𨭎(以西博格命名),因此應在105號元素的命名上承認俄羅斯團隊對發現104、105及106號元素所作出的貢獻。所以將105號元素命名為Dubnium。

    𨭎 (Sg原子序106)

    1974年柏克萊實驗室使用超重離子直線加速器用18O離子撞擊249Cf靶,並產生出新的同位素263Sg。美國團隊提出將新元素命名為Seaborgium(Sg),以紀念美國化學家西博格。這個名稱引起了爭議。1994年,一個IUPAC委員會提出將元素命名為rutherfordium(鑪的現稱),並且認為元素不能以尚在世的人物來命名。引起美國化學學會強烈抗議。他們指出,在愛因斯坦在世時命名的einsteinium(鑀)已經設下了先例。所以1997年106號元素的現稱seaborgium才得到了IUPAC的採用。八零年代前,合成超重元素就好像是美俄冷戰的戰場,雙方你來我往,好不熱鬧。但是隨著位於德國達姆施塔特亥姆霍茲重離子研究所(Gesellschaft für Schwerionenforschung, 簡稱GSI)加入之後,局面馬上為之改觀。GSI成立於1969年。而它的加速器是在1975年完成。接下來六個超重元素都是由GSI拔得頭籌呢!

    Bh原子序107

    以Peter Armbruster和Gottfried Münzenberg為首的GSI團隊於1981年首次確定性地成功合成這個元素。他們將54 Cr原子核加速撞擊209 Bi(鉍 原子序83)靶,並製造出5個262 Bh原子。之前JINR曾宣稱發現了這個元素的同位素,但未被承認。IUPAC/IUPAP鐨後元素工作小組在其1992年的報告當中將GSI團隊列為的正式發現者。GSI團隊建議將該元素命名為Nielsbohrium,符號為Ns,以紀念丹麥物理學家尼爾斯·波爾。JINR的科學家曾建議把第105號元素命名為Nielsbohrium,後來JINR團隊與德國團隊就此對107號元素的命名達成了共識。 但是在1994年,IUPAC的一個委員會建議將107號元素命名為Bohrium,而非Nielsbohrium,因為此前並沒有以科學家的全名為元素取名的先例。發現者擔心這樣的名稱會和Bohrate(酸鹽)和Borate(硼酸鹽)混淆而反對。但最終的投票結果仍然決定使用Bohrium。1997年,Bohrium一名成為了國際承認的107號元素的命名。


    䥑( Mt 原子序109)與 Hs (原子序108)

    1982年8月29日GSI團隊用58Fe離子轟擊209Bi合成了一個266Mt原子。兩年後,同一個研究隊以58Fe原子核撞擊鉛靶,製造出3個265Hs原子。雖然之前JINR都宣稱成功地合成了這兩個元素,但是沒有GSI的結果那樣具決定性。GSI團隊建議採用Meitnerium為109號元素之名以紀念奧地利物理學家莉澤·邁特納(Lise Meitner)。1997年IUPAC正式將其命名為Meitnerium,這是惟一單獨以女性科學家命名的元素(鋦以居禮夫婦命名)。GSI建議用Hassium作為108號元素的名稱,取自研究所所在地德國黑森州的拉丁語名(Hassia)。 1994年,IUPAC的一個委員會建議把元素108命名為Hahnium(Hn),但這違反把命名權留給發現者的慣例。在GSI團隊抗議之後,IUPAC承認了現在名稱Hassium(Hs)。


    鐽(Ds原子序110)與錀(Rg 原子序111)

    鐽(Darmstadtium)是由GSI的Sigurd Hofmann等人於1994年11月9日,在線性加速器內利用62Ni和64Ni轟擊208Pb而合成的。製成的同位素有269 Ds和271 Ds,其中271 Ds比較穩定。一個月後他們在線性加速器內利用64Ni轟擊209Bi而合成錀。這次實驗成功產生了三顆272 Rg 原子,迅速衰變成其他元素。

    2003年8月,IUPAC正式將110號元素命名為Darmstadtium,以紀念發現這元素的重離子研究所所在地達姆施塔特,其實GSI位於達姆施塔特以北的Wixhausen小區)。由於110也是德國報警時所撥的號碼,鐽又有另外一個外號:Policium(警察元素)。至於111號元素就沒這麼順利了。IUPAC/IUPAP聯合工作小組(JWP)在2001年時認為沒有足夠證據證明當時確實發現了錀。GSI的小組在2002年重複實驗,再檢測到三個原子。JWP在2003年才決定承認GSI團隊對此新元素的發現。111號元素在2004年11月1日被命名為Roentgenium(Rg),紀念1895年發現X射線的德國科學家威廉·倫琴。

    鎶(Cn 原子序112)

    GSI團隊1996年首次合成出鎶元素。他們在重離子加速器中用高速運行的70Zn原子束轟擊208 Pb靶,獲得一顆半衰期僅為0.24毫秒的277Cn原子。2002年GSI重複相同的實驗,再次得到一個鎶原子。IUPAC在經過長期驗證後,於2009年6月正式承認第112號元素的合成,並隨後邀請Sigurd Hofmann領導的團隊為112號元素提出一個名稱。2009年7月17日,該團隊提議將112號元素命名為Copernicium,縮寫Cp,以紀念著名天文學家哥白尼(Copernicus)。 IUPAC在此後6個月的時間內進行審議,聽取科學界的意見,並於2010年1月公布審議的結果。 2009年9月,《自然》雜誌上的一篇文章指出符號Cp曾用於鎦元素(Lutetium)的舊稱(Cassiopeium)。根據目前IUPAC對元素的命名規則,新元素的提議名稱是不得與其他元素名稱或符號重複。所以IUPAC把提議中的符號Cp改為Cn(Copernicium)。 鎶是最後一個由GSI發現的超重元素,接下來可是說是JINR獨領風騷的時代。JINR在二十世紀末,在亞美尼亞科學家尤里·特索羅克維奇·奧加涅相(Yuri Tsolakovich Oganessian,1933-)領導下再一次成了超重元素領域的急先鋒,陸續發現了從113到118一系列的元素。奧加涅相也是繼西博格之後第二位在世時名字被用來命名化學元素的人。讓我們來看看他是如何辦到的: 

    鈇 (Fl原子序114)

    1998年12月JINR的科學家使用48Ca離子撞擊244Pu靶,合成一個鈇原子。該原子以9.67 MeV的能量進行α衰變,半衰期為30秒。該原子其後被確認為289Fl。這項發現在1999年1月公布。然而,之後的實驗都未能重現所觀測到的衰變鏈。因此這顆原子的真正身份仍待確認,1999年3月,同一個團隊以242Pu代替244Pu靶。這次,他們成功地合成了兩個鈇原子,原子以10.29 MeV的能量進行α衰變,半衰期為5.5秒。這兩個原子被確認為287Fl,但其他地方無法重製這個結果。JINR團隊在1999年6月重複進行244Pu的反應,產生兩個鈇原子,原子以9.82 MeV能量進行α衰變,半衰期為2.6秒。研究人員一開始把所產生的原子認定為288Fl,2002年12月進行的研究工作則將結論更改為289Fl。2009年1月,柏克萊團隊才證實287Fl和286Fl的存在。接著在2009年7月,GSI又證實288Fl和289Fl的存在。2011年6月11日,IUPAC才證實鈇的存在。 IUPAC在2012年5月30日正式採用Flerovium(Fl)為114號元素之命以紀念蘇聯原子物理學家格奧爾基·弗廖羅夫(Georgy Nikolayevich Flyorov,1913-1990),他也是JINR的創立者。 

    鉝(Lv原子序116)

    勞倫斯利莫耳國家實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL)的Ken Hulet(1926-2010)團隊在1977年第一次試圖合成116號元素﹐他們嘗試用48Ca 去碰撞248Cm,但當時偵測不到任何鉝原子。後來JINR與GSI團隊也做了類似的嘗試,也都沒有成功。直到西元1990年代,JINR完成了靈敏度高出3個數量級的長期實驗的準備,錒系元素靶與48Ca的碰撞合成了從112至118號元素。

    2000年7月19日,JINR的科學家使用48Ca離子撞擊248Cm靶,探測到鉝原子的一次α衰變,能量為10.54 MeV。結果於2000年12月發布。由於292Lv的衰變產物和已知的288Fl關聯,因此這次衰變起初被認為源自292Lv。然而其後科學家把288Fl更正為289Fl,所以衰變來源292Lv也順應更改到293Lv。他們於2001年4至5月進行了第二次實驗,再發現兩個鉝原子。研究團隊在2005年4月至5月重複進行實驗,並探測到8個鉝原子。衰變數據證實所發現的同位素是293Lv。 2009年5月,JWG在報告中指明,發現了的鎶同位素包括283Cn。283Cn是291Lv的衰變產物,因此該報告意味著291Lv也被正式發現。原先鉝被提議以俄羅斯莫斯科州(Moscow Oblast)名為Moscovium,但由於元素114和116是俄羅斯和美國勞倫斯利福莫耳國家實驗室研究人員合作的產物,而元素114已經根據俄羅斯的要求命名,因此元素116最後以實驗室所在地美國利弗莫爾市(Livermore)命名為Livermorium(Lv)。

    (Og原子序118)

    尼爾斯·波爾在1922年寫道,118號元素在元素週期表上應位於氡以下,成為第七種惰性氣體。阿里斯蒂德·馮·格羅塞在1965年發表的論文中則是預測了118號元素的性質。人工合成元素的方法在1922年還未被研發出來,同樣,在1965年還沒有出現穩定島這一理論概念,因此這兩項是具有先見之明的理論預測。

    1998年末,波蘭物理學家Robert Smolańczuk發表了聚合原子核來合成超重原子的所需計算,其中也包括了Og。 1999年,柏克萊團隊的研究人員利用這些計算,宣布製成了鉝和Og。翌年,由於其他的實驗室及勞倫斯柏克萊國家實驗室本身都未能重複這些結果,研究團隊因此撤回了這項發現。2002年6月,實驗室主任宣布原先兩個元素的發現結果,是建立在第一作者Victor Ninov所假造的數據上的。真沒面子! Victor Ninov也因此被解雇。2002年,一個由美國和俄羅斯科學家所組成的團隊在JINR首次真正探測到Og原子的衰變。這個團隊是由奧加涅相帶領,成員來自LLNL的科學家。團隊並沒有即時公布此項發現,因為294Og的衰變能量與212mPo吻合,而後者是超重元素合成過程中聚變反應的常見雜質。要等到2005年第二次實驗之後,團隊才正式宣布發現新元素。然而2011年,IUPAC在評估過杜布納和利福莫耳合作團隊2006年的研究結果後宣布:「不滿足正式發現的條件。」
    為了確定產生的是294Og,科學家再用48Ca離子束撞擊245Cm靶,製成290Lv原子核。然後比較290Lv和294Og的衰變鏈是否吻合。290Lv原子核極不穩定,14毫秒後便衰變成286Fl,再經自發裂變或α衰變成為282Cn,最後發生自發核分裂。 

    2011年,GSI研究中心在利用248Cm+54Cr反應試圖合成120號元素時,觀測到一個295Og原子,但無法確切判斷所觀測到的是299120和295Og的衰變鏈。數據顯示,295Og的半衰期為181毫秒,比294Og的0.7毫秒長得多。 

    2015年12月,國際純化學和應用化學聯合會(IUPAC)及國際純粹與應用物理學聯合會(IUPAP)所組成的聯合工作小組承認確實發現了118號元素,並肯定發現者為JINR和LLNL合作團隊。此次能夠承認發現的原因包括,294Og和286Fl衰變產物的性質在2009年和2010年得到柏克萊實驗室的證實,JINR團隊又於2012年再次觀測到294Og的衰變鏈,且衰變參數與先前所測量的相符。2016年6月, IUPAC宣布118號元素的發現者考慮把它命名為「oganesson」(符號Og),以肯定奧加涅相(圖二)在超重元素研究上的重大貢獻。之所以取為oganesson 是因為除氦(helium)以外,稀有氣體的名稱均以「-on」。奧加涅相投身核物理研究六十年,從106號到118號元素就是直接利用他所研發的方法來合成的。2016年11月28日,「oganesson」成為118號元素的正式名稱

     
    “奧加涅相事後對新元素以他命名表達了以下的感想:
    這對我來說是一項榮譽...我的子孫都已在美國定居多年,但我的女兒給我寫了信,說她在聽聞這個消息之後,一宿未眠,因為她一直在哭。” 


    fig9-2
    圖二、尤里·特索羅克維奇·奧加涅相(圖片取自Wikipedia)



    鏌(Mo原字序115)

    2004年2月2日,由JINR和LLNL聯合組成的科學團隊表示成功合成了鏌。他們使用48Ca離子撞擊243Am目標原子,產生了4個鏌原子。這些原子通過發射α粒子,284Nh衰變需時約100毫秒。 科學家在2004年6月和2005年12月的實驗中,通過量度自發核分裂成功確認了鏌同位素。數據中的半衰期和衰變模式都符合理論中的268Db,證實了衰變來自於原子序為115的原子核。但是在2011年,IUPAC認為該結果不足以稱得上是確認發現。直到2013年,由瑞典隆德大學物理學家Dirk Rudolph領導的團隊在GSI,通過將鈣同位素撞擊鋂的方法再次合成了鏌,IUPAC才承認了這個新元素。115號元素有兩個命名提議,一個是根據法國物理學家保羅·朗之萬命名為langevinium,另一個提議是根據Dubna研究所所在地莫斯科州命名為moscovium。IUPAC於2016年11月28日正式採用後者。符號為Mo。

    鉨(Nh 原子序113)

    2003年8月,JINR與LLNL的聯合團隊在鏌的衰變產物中首次探測到鉨。2004年2月1日,他們發表了這一項發現。
    2004年7月23日,日本理化學研究所(理研;RIKEN)的森田浩介使用209Bi和70Zn之間的冷融合反應,探測到了一個278Nh原子。他們在2004年9月28日發表這項發現。理研小組在2005年4月2日又合成了一個鉨原子,衰變數據與第一次的不同,但這可能是因為產生了穩定的同核異構體。 由於日本科學家未充分觀察該元素轉化為其他元素的情形,因此未被承認。2007年美俄合作小組對衰變產物268Db進行化學實驗,進一步證實了鉨的發現。日本理研於2012年9月26日第三次宣布合成出了113號元素,方法是利用加速器使鋅和鉍原子相互碰撞。2015年12月31日,理研終於取得本元素的命名權,並被IUPAC認為他們的實驗符合「發現元素」標準,這也是首次由亞洲國家取得新元素命名權。2016年6月8日,IUPAC宣布計劃根據理化學研究所的建議將113號元素命名為「Nihonium」,符號為Nh。此名稱於2016年11月28日正式獲得認可。不過這並不是第一次日本人為元素命名,早在1908年化學家小川正孝宣布發現了第43號元素,並將其命名為「Nipponium」(Np),以紀念其本國日本(Nippon)。然而,後來的分析則指出,他所發現的是75號元素,而非43(即鎝)。

    Ts原子序117

    JINR團隊於2004年提議進行合成117號元素的實驗。 他們嘗試用48Ca粒子束轟擊鉳靶。JINR粒子加速器上可是世界上用於合成超重元素的最強大的粒子加速器。但由於美國橡樹嶺(Oak Ridge)國家實驗室是世界上唯一能夠製成鉳的實驗室,而他們宣稱產量不足,未能提供這一元素。美國團隊在2008年重啟了製造鉳的計劃,並與俄羅斯團隊建立了合作關係。計劃產生了22微克的鉳,這樣的量足以進行JINR提議的實驗。鉳樣本經90天冷卻後,再經90天的化學純化過程後, 這些鉳必須及時送往俄羅斯,因為鉳-249的半衰期只有330天,即鉳的量每330天因衰變而減半。實驗必須在鉳靶運輸算起的六個月之內進行,否則當樣本量過小時實驗就無法進行了。2009年夏,這些鉳被裝在五個鉛製容器中,”搭上”紐約至莫斯科的航班送到俄羅斯。令人傻眼的是俄羅斯海關居然兩次以文件不全為由拒絕了樣本的通關,因此樣本前前後後五次飛越大西洋,一共花費了幾天時間。成功通關之後,它被送往烏里揚諾夫斯克州季米特洛夫格勒(Dimitrovgrad, Ulyanovsk Oblast),在那裡鉳被固定在鈦薄片上,然後火速運往杜布納,安裝在JINR的加速器上。實驗在2009年6月展開,到了2010年1月,Flerov Laboratory of Nuclear Reactions首次在內部宣佈成功探測到原子序為117的新元素的放射性衰變:總共兩條衰變鏈,前者經6次α衰變後自發核分裂,後者經3次α衰變後自發核分裂。2010年4月9日,團隊在《物理評論快報》(Physical Review letter)上刊登該項發現的正式論文。這兩條衰變鏈分別屬於294Ts和293Ts同位素。由於當時所有Ts衰變產生的同位素都尚未被確認,所以這項結果不能用於向JWP申請證實元素的發現。2014年5月2日,GSI的科學家宣佈證實了Ts的發現。不僅如此,他們還發現了新的266Lr。該同位素是270Db的α衰變產物半衰期為11小時,是所有超重元素的已知同位素中壽命最長的。266Lr可能就位於穩定島的「岸邊」。這使得Ts的存在可以說是無可置疑了。IUPAC於2016年6月8日建議將此元素命名為Tennessine(Ts),源於橡樹嶺國家實驗室所在的田納西州,此名稱於2016年11月28日正式獲得認可。

    杜布納團隊相信,這一元素的成功合成直接證明了穩定島的存在。量子穿隧模型的計算預測,有多個Ts的同位素都能進行半衰期長達40毫秒的α衰變,其中以296Ts最為顯著。另一項利用液滴模型的研究得出了相似的結果,而且還發現,質量比301 Ts高的同位素有穩定性增加的趨勢。這些都足以鼓舞科學家繼續嘗試合成更重的超重元素。 也許再過幾年你打開你小孩的化學課本 你會發現周期表又變長了呢!


    參考資料:
    (一)中文 英文維基相關條目

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    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
    週期表背後的物理學家(五) 愈來愈長的週期表 (上)
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