第117號元素

第117號元素

2014-05-22 15:42 作者：苗千來源：三聯生活周刊 2014年第21期

元素周期表的發表，標誌著人類對於自然界認識的深入，此後隨著科學的發展，元素周期表一再被更新。

「元素說」源遠流長，從古代開始就有很多人認為世間萬事萬物都是由幾種最基本的「元素」構成的。由此開始，不同的文明也發展出了自己的元素學說，其中最著名的當屬希臘數學家和哲學家畢達哥拉斯綜合前人的觀點，總結出了「四元素說」，認為世間萬物都是由土、水、氣、火四種基本元素組成。中國的「金木水火土」五行說也是古人出自對自然界的樸素觀察而得出的類似結論。在現代，人們通常認為俄國化學家德米特裡·伊萬諾維奇·門捷列夫在1869年首先獨立發表了元素周期表。這個周期表包含並且整理了當時人類已經發現的63種元素，按照原子序數排列，不僅如此，這張元素周期表還為一些當時尚未被發現的元素預先留下了位置。元素周期表的發表，標誌著人類對於自然界認識的深入，此後隨著科學的發展，元素周期表一再被更新。

在自然界中原子序數最大的原子核是鈾（Uranium），它由92個質子外加不同數目的中子構成，而更重的原子核則需要通過核聚變過程人工製造。在過去的幾十年裡，大量人工合成的新元素在世界各地的實驗室裡被製造出來。在國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）2013年5月1日公布的元素周期表中，最大已經排列到了116號元素鉝（Livermorium），但是113號和115號元素的位置仍然空缺。要確認一個新元素的發現，必須有不同的實驗室做出可重複的實驗，之後再經過謹慎的考慮，第114號和116號元素都是在2011年才被正式收入到元素周期表中，它們在此前都經過了長達3年的考查。

雖然可以在實驗室裡通過人工方式合成自然界中不存在的元素，但是人類顯然不可能合成無限多的原子核，原因就在於原子核內部的質子和中子數量越多，其狀態也就越來越不穩定，越容易發生放射性的衰變。在原子核內部，質子和中子等粒子通過強相互作用相互結合在一起，這種宇宙中最強的相互作用，其強度大約是電磁相互作用的100倍，但是，越來越多的質子和中子聚集在一起，帶正電荷的質子之間的斥力就越來越大，中子之間也會有一些排斥，強相互作用也就越來越難以束縛，不足以維持原子核的穩定。在人類已經發現或是製造出的3000多種原子核中（元素周期表中的原子序數由原子核內部帶正電荷的質子數決定，但在原子核中還可以有不同數目的電中性的中子與質子結合在一起，構成不同的原子核），只有288種是穩定的。2012年6月28日，田納西大學的物理學家馬裡奧·斯託伊特索夫（Mario Stoitsov）與合作者在《自然》雜誌上發表論文《原子核前景的極限》（The Limits of the Nuclear Landscape），探討質子與中子結合成為原子核在理論上的極限問題，他們認為，在理論上最多可能有7000種左右的不同原子核存在。

最近，位於德國達姆施塔特的亥姆霍茲重離子研究中心（GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research）的科研人員在實驗室內合成了第117號元素，雖然還沒有得到官方確認，這種元素甚至還沒有一個正式的名字，只能被稱為Ununseptium（簡稱Uus，這個單詞來源於拉丁文和希臘文中的117），但這是在「不同的實驗室，不同的地方，不同的方法」的條件下重複了之前的實驗成果，因此意義重大，這個目前人類發現的最重的原子核很可能會在不久之後得到官方的承認。

實驗進行得並不一帆風順，為了進行原子核對撞的實驗，在德國的科學家們需要獲得大量的鉳（Berkelium）元素，而只有美國的橡樹嶺國家實驗室才有條件通過核反應堆來製取大量的半衰期為330天的鉳元素。為了進行實驗，德國的科學家們花了兩年時間建造了一個可以儲存鉳的儲藏室，一直等到他們存儲了13毫克的鉳，才開始進行實驗。

第117號元素Ununseptium是在2010年首先由一組美國和俄國科學家組成的團隊在位於俄羅斯杜布納的聯合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research）合成的，而此次在亥姆霍茲重離子研究中心，科學家們原本希望製造出119號元素，他們計劃利用原子序數為22的鈦（Titanium）原子核與鉳原子核相撞，但之後他們決定利用原子序數為20的鈣（Calcium）原子核以十分之一光速的速度撞向原子序數為97的鉳原子核，兩個原子核通過碰撞形成了一個新的原子序數為117的新原子核。原子核越大，也就越趨於不穩定並且富有放射性。這個新原子核的半衰期只有0.05秒，在這次實驗中，科學家們總共也只成功製造出了4個117號原子核，一共只存在了0.1秒。它們很快就衰變成為其他粒子，因此科學家們只能通過它的衰變產物來分析這個新原子核的一些特性。

在117號原子核衰變的產物中，科學家們發現了鐒（Lawrencium）266原子核，這個粒子由103個質子和163個中子組成，在此前從來沒有被發現過，而且它的半衰期長達11個小時，成為最長壽的超重同位素之一。2014年5月1日，這個研究團隊在《物理評論快報》（PRL）雜誌上發表論文《Ca48+Bk249核聚變產生出117號元素：長壽命的α-衰變的Db270和對於Lr266的發現》（Ca48+Bk249 Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying Db270 and Discovery of Lr266），講述了他們的實驗發現。

這個117號元素的原子核具有怎樣的結構？目前科學家們還不清楚，隨著原子核越來越大，有物理學家分析，巨型的原子核有可能會呈現出一種中空的球形結構。那麼，人類在未來究竟有可能製造出最高多少原子序數的元素？這個問題也還沒有答案。也有物理學家認為，在太空中，中子星在極高的壓力下，有可能生成原子序數極高的元素，但目前人類還沒有從太空觀測中發現這些元素的痕跡。

（本文寫作參考了《科學美國人》、《物理評論快報》和《自然》雜誌的報導）

「元素說」源遠流長，從古代開始就有很多人認為世間萬事萬物都是由幾種最基本的「元素」構成的。由此開始，不同的文明也發展出了自己的元素學說，其中最著名的當屬希臘數學家和哲學家畢達哥拉斯綜合前人的觀點，總結出了「四元素說」，認為世間萬物都是由土、水、氣、火四種基本元素組成。中國的「金木水火土」五行說也是古人出自對自然界的樸素觀察而得出的類似結論。在現代，人們通常認為俄國化學家德米特裡·伊萬諾維奇·門捷列夫在1869年首先獨立發表了元素周期表。這個周期表包含並且整理了當時人類已經發現的63種元素，按照原子序數排列，不僅如此，這張元素周期表還為一些當時尚未被發現的元素預先留下了位置。元素周期表的發表，標誌著人類對於自然界認識的深入，此後隨著科學的發展，元素周期表一再被更新。

在自然界中原子序數最大的原子核是鈾（Uranium），它由92個質子外加不同數目的中子構成，而更重的原子核則需要通過核聚變過程人工製造。在過去的幾十年裡，大量人工合成的新元素在世界各地的實驗室裡被製造出來。在國際純粹與應用化學聯合會（International Union of Pure and Applied Chemistry）2013年5月1日公布的元素周期表中，最大已經排列到了116號元素鉝（Livermorium），但是113號和115號元素的位置仍然空缺。要確認一個新元素的發現，必須有不同的實驗室做出可重複的實驗，之後再經過謹慎的考慮，第114號和116號元素都是在2011年才被正式收入到元素周期表中，它們在此前都經過了長達3年的考查。

雖然可以在實驗室裡通過人工方式合成自然界中不存在的元素，但是人類顯然不可能合成無限多的原子核，原因就在於原子核內部的質子和中子數量越多，其狀態也就越來越不穩定，越容易發生放射性的衰變。在原子核內部，質子和中子等粒子通過強相互作用相互結合在一起，這種宇宙中最強的相互作用，其強度大約是電磁相互作用的100倍，但是，越來越多的質子和中子聚集在一起，帶正電荷的質子之間的斥力就越來越大，中子之間也會有一些排斥，強相互作用也就越來越難以束縛，不足以維持原子核的穩定。在人類已經發現或是製造出的3000多種原子核中（元素周期表中的原子序數由原子核內部帶正電荷的質子數決定，但在原子核中還可以有不同數目的電中性的中子與質子結合在一起，構成不同的原子核），只有288種是穩定的。2012年6月28日，田納西大學的物理學家馬裡奧·斯託伊特索夫（Mario Stoitsov）與合作者在《自然》雜誌上發表論文《原子核前景的極限》（The Limits of the Nuclear Landscape），探討質子與中子結合成為原子核在理論上的極限問題，他們認為，在理論上最多可能有7000種左右的不同原子核存在。

2010年由美國和俄羅斯科學家組成的國際研究團隊首次成功合成的117號元素示意圖

最近，位於德國達姆施塔特的亥姆霍茲重離子研究中心（GSI Helmholtz Center for Heavy Ion Research）的科研人員在實驗室內合成了第117號元素，雖然還沒有得到官方確認，這種元素甚至還沒有一個正式的名字，只能被稱為Ununseptium（簡稱Uus，這個單詞來源於拉丁文和希臘文中的117），但這是在「不同的實驗室，不同的地方，不同的方法」的條件下重複了之前的實驗成果，因此意義重大，這個目前人類發現的最重的原子核很可能會在不久之後得到官方的承認。

實驗進行得並不一帆風順，為了進行原子核對撞的實驗，在德國的科學家們需要獲得大量的鉳（Berkelium）元素，而只有美國的橡樹嶺國家實驗室才有條件通過核反應堆來製取大量的半衰期為330天的鉳元素。為了進行實驗，德國的科學家們花了兩年時間建造了一個可以儲存鉳的儲藏室，一直等到他們存儲了13毫克的鉳，才開始進行實驗。

第117號元素Ununseptium是在2010年首先由一組美國和俄國科學家組成的團隊在位於俄羅斯杜布納的聯合核研究所（Joint Institute for Nuclear Research）合成的，而此次在亥姆霍茲重離子研究中心，科學家們原本希望製造出119號元素，他們計劃利用原子序數為22的鈦（Titanium）原子核與鉳原子核相撞，但之後他們決定利用原子序數為20的鈣（Calcium）原子核以十分之一光速的速度撞向原子序數為97的鉳原子核，兩個原子核通過碰撞形成了一個新的原子序數為117的新原子核。原子核越大，也就越趨於不穩定並且富有放射性。這個新原子核的半衰期只有0.05秒，在這次實驗中，科學家們總共也只成功製造出了4個117號原子核，一共只存在了0.1秒。它們很快就衰變成為其他粒子，因此科學家們只能通過它的衰變產物來分析這個新原子核的一些特性。

在117號原子核衰變的產物中，科學家們發現了鐒（Lawrencium）266原子核，這個粒子由103個質子和163個中子組成，在此前從來沒有被發現過，而且它的半衰期長達11個小時，成為最長壽的超重同位素之一。2014年5月1日，這個研究團隊在《物理評論快報》（PRL）雜誌上發表論文《Ca48+Bk249核聚變產生出117號元素：長壽命的α-衰變的Db270和對於Lr266的發現》（Ca48+Bk249 Fusion Reaction Leading to Element Z=117: Long-Lived α-Decaying Db270 and Discovery of Lr266），講述了他們的實驗發現。

這個117號元素的原子核具有怎樣的結構？目前科學家們還不清楚，隨著原子核越來越大，有物理學家分析，巨型的原子核有可能會呈現出一種中空的球形結構。那麼，人類在未來究竟有可能製造出最高多少原子序數的元素？這個問題也還沒有答案。也有物理學家認為，在太空中，中子星在極高的壓力下，有可能生成原子序數極高的元素，但目前人類還沒有從太空觀測中發現這些元素的痕跡。

（本文寫作參考了《科學美國人》、《物理評論快報》和《自然》雜誌的報導）

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