專業 物理

 巧奪造化之功的超重元素

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撰文者:高崇文
發文日期:2021-06-22
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  • 眾所皆知,化學元素周期表是按著原子序排列的。那麼周期表有盡頭嗎?照理說是有的。因為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,作用範圍只有幾個費米 (fm)。(1 fm = 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,所以周期表原則上是不可能無止盡地延長下去的。




    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。殼層的能階數稱為「魔數」(Magic number)。目前已經確認的幻數有:2、8、20、28、50、82、126這七個魔數。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,因此顯得異常穩定。


     
    fig1 (18)



    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,還是足以抵銷庫倫斥力的作用,使得它的半衰期長到足以被觀測到。如果我們可以找到適當的輕核讓它們碰撞 而產生「魔核」甚至於「雙魔核」(質子數與中子數都是魔數),就形成了半衰期較長的超重元素,這就是人工合成超重元素的理論根據 。


    然而要在實驗室合成超重元素其實非常困難: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。所以要合成新的超重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不是非常不穩定,不然就是很難在實驗室製造出足夠的量。而且就算合成了新元素,也很難確認。因為它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。但這些衰變產物常常是首次被製造出來,確認它們需要化學家的幫助,偏偏這又是決定性的步驟。所以合成一個新元素並且確認它,可真是不容易。


    雖說如此,科學家還是已經利用加速器在實驗室造出了許多元素,其中原子序數超過103 (鐒) 的元素被稱為超重元素。這些元素不存在於大自然,至少至今都還沒在地球,或是在星體的光譜上發現。我就選出其中六個較具代表性的元素來介紹:



     
    fig2 (16)



    鐒 (Lr;原子序103) 

    俄羅斯杜布納聯合核研究所 (JINR) 在1957年成立前,美國是惟一有能力合成人工新元素的國家,但是自從JINR成立後,合成新元素的競賽,特別是針對新元素的命名權,儼然成了美蘇冷戰的戰場,鐒的發現就是這一串爭執的起點。


    1961年2月14日Berkeley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10B和11B核轟擊三毫克靶所產生的,該靶由鉲的三種同位素組成。Berkeley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。Berkeley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”。


    然而JINR的科學家批評道:257103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Berkeley團隊的生成曲線卻很寬。Berkeley團隊回應可能原因是,產生元素103的事件數量很少所致。但俄國方面並不信服。JINR團隊的工作在1965年轟擊243Am創造了256Lr,並從其衰變產物中間識別出252Fm的兩種衰變能量:分別對應到256Lr和257Lr。儘管多次嘗試,但他們始終無法確認257Lr的半衰期是8秒。 


    JINR在1969年和Berkeley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,JINR團隊報告合成了255103,半衰期為20 s,α衰變能為8.38 MeV。然而,直到1971年,Berkeley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Berkeley和JINR所有先前的結果,並指出Berkeley小組第一次產生的同位素應該是258Lr而不是257Lr。所有的疑慮最終是在1976年和1977年測量了從258Lr發射的X射線能量之後被消除。


    1992年,IUPAC 後鐨 (Trans-fermium) 工作組 (TWG) 正式承認JINR和Berkeley的團隊是鐒的共同發現者,他們認為,儘管1961年的Berkeley實驗是發現鐒的重要一步,但尚未完全令人信服;JINR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Berkeley實驗才澄清並證實了先前的觀察結果,並確認了103號元素。而既然「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月批准了名稱lawrencium和符號“Lr”。



    鍩  (No;原子序102) 

    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出帶 (8.5±0.1) MeV的α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Berkeley團隊重複了這項實驗,卻未找到能放出能量為8.5 MeV的α粒子。所以推斷瑞典團隊的結果很可能來自225Th,它具有8分鐘的半衰期,並且很快經過三重的α衰變到213Po,它的能量約8.53612 MeV。由於在反應中的確很容易產生釷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在1958年,Berkeley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254102,但後來改為252102但是,他們也注意實驗結果無法令人滿意。Berkeley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,JINR團隊也在進行合成元素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,Berkeley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255102,卻沒有給出理由。後來的實驗顯示那其實是257102。


    之前合成鍩的實驗一直無法得到令人滿意的結果,所以JINR在1966年改弦易張,採用15N 離子轟擊243Am 以及用22 Ne 轟擊238 U來生成254102,確定了它的半衰期為 (50±10) s。比Berkeley聲稱的3秒要長得多。1966年12月,Berkeley小組重覆了JINR的實驗,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才真正確認了第102號元素的存在。


    1967年在Berkeley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,JINR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JINR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,JINR團隊被正式確認為鍩的發現者。這一決定飽遭Berkeley團隊批評,不過當1994年IUPAC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被廣泛使用
    ,化學元素周期表是按著原子序排列的。那麼周期表有盡頭嗎?。爭論才算塵埃落定。


    1944年西博格曾提出錒系理論。預言了這些超鈾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在實驗室中被合成了。然而人工新元素的競賽並沒有終止,而是進入到下個回合。


    鑪 (Rf;原子序104) 

    鑪 (Rutherfordium) 是第一個錒系後元素。與之前的鍩與鐒一樣,它的發現過程也是充滿了美蘇角力的痕跡。JINR於1964年宣布首次發現鑪。他們用22Ne離子撞擊242Pu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259Rf。1969年,美國的Berkeley團隊以12C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蘇聯原子彈之父的伊格爾·庫爾恰托夫。而美方科學家則建議使用Rutherfordium來紀念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JINR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隨後回應說他們已經審視過美方提出的各項意見,但認為沒有理由撤回先前有關發現順序的結論。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。


    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。而隨著冷戰在九零年代結束,合成新元素也不再帶有濃濃的政治味,而美俄的對抗也逐漸改變成合作了。另一方面,亞洲的日本也開始參加這場原先屬於美俄德三方的競賽,讓這個領域更加熱鬧了。


    (Og;原子序118) 

    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核的所需計算,其中也包括了Og。1999年,Berkeley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Berkeley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。 Victor Ninov也因此被解雇。這讓整個實驗室顏面盡失。

    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JINR和LLNL合作團隊2006年的研究結果後宣布:尚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。


    2015年12月,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終於承認確實發現了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是因為294Og和286Fl衰變產物的性質在2009年和2010年得到Berkeley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),以肯定奧加涅相在超重元素研究上的重大貢獻。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。


    之所以取為oganesson 是因為除氦 (helium) 以外,稀有氣體的名稱均以「-on」當作結尾。2016年11月28日,「oganesson」成為118號元素的正式名稱。

    鉨 (Nh;原子序113) 

    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之間的核融合反應,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,可能的原因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。

       
    (Ts;原子序117)

    至今最後一個確定的新元素是Ts。它的發現可謂一波三折。最先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,但他們宣稱產量不足,不提供這一元素。但美國團隊在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而生產了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,因此這樣本居然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:共有兩條衰變鏈,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。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的存在。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301Ts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。也許在不久的未來,元素周期表又要更新了!


    作者:高崇文
    中原大學物理系 教授



     
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