人工合成119號元素:地球上的下一個新生?(圖)

119號元素的基態電子配置。

門捷列夫元素周期表

杜布納研究所的科研團隊。

　　元素周期規律 宇宙的基本規律之一

　　說起人工合成119號元素，我們還要從門捷列夫和他的元素周期表講起。140多年前，俄國化學家門捷列夫把當時已經發現的63種元素按照原子量的大小進行了某種排列，製成了這張（如圖）著名的元素周期表，從而發現了各種元素及其化合物的性質存在著周期性變化的規律，這是一項十分了不起的發現。

　　當我們翻閱過去這張表，表裡還留有一些空格，門捷列夫堅定地認為：每個空格裡應該有一種符合這張表格規律的未知元素來佔有。

　　到今天，現代的元素周期表與原先的周期表已經有了本質的變化，各元素已經不再按照原子量由輕到重來排列，而是按照原子序數（即是原子核內質子數目的多少）來排列。今天，人類已經能夠從微觀的角度，根據每個元素原子核內的質子數、中子數、外層電子的層數和最外層電子數的多少等等原子的內在基本規律，來正確地解釋周期表中各元素及其化合物性質的周期變化的趨勢。可以說，現在的元素周期規律就是宇宙的基本規律之一。

　　宣布要合成119號元素的俄羅斯杜布納聯合原子核研究所是一個有名的機構。現在最新的元素周期表中有6個就是早些時候在杜布納實驗室合成的，其中118號元素的合成是在2006年10月。

　　高速撞擊融合 合成新元素的常規方法

　　門捷列夫元素周期表中當時沒有發現的元素，後來陸續都被人們發現了。不但如此，後來的科學家還根據這個表的規律，「製造」出了自然界中原本不存在的新元素。

　　元素周期表第92號元素（鈾）之後「居民」的特點就是它們大都不穩定，大都是些很容易發生衰變的「居民」。它們在自然界並不存在（準確地說，是在地球上沒有發現它們），或者說它們佔在「房間」裡的時間非常非常短，有個別甚至是「一眨眼不到的功夫」就變成另一個居民而「溜」走了！

　　因此，從鈾之後的第93號到118號元素，除錼（Np）和鈽（Pu）在地球上有極微量存在外，其它都是那些至今在地球上未能被發現的元素，要通過人為創造條件分別發現它們。

　　人工合成新元素，科學家們通常採用這樣的辦法：經過分析計算「選出」兩個相對較「輕」的元素，讓它們的原子核相互高速碰撞。在這個過程中，有些就被撞得粉碎了，但也會有部分原子核由於相互撞擊而「融合」到一起，「合成」為一個新的核。這正是我們所要的結果：一個新元素的誕生。

　　我們以在德國重離子研究中心GSI 所做的合成112號元素（Cn）的實驗為例，來說明這個合成過程。科學家把原子序數為30的鋅原子設法變成離子，讓它們成束，然後把它們注入GSI的120米長的粒子加速器內，沿直線方向加速到差不多接近「1 / 10光速」的速度，直接撞擊在原子序數為82的鉛製成薄靶上。兩個原子高速碰撞的結果是多數都被粉碎了，但還有少量融合在一起形成新的原子，那就是原子序數為30+82=112的Cn。

　　近年來，俄羅斯的科學家聯合美國科學家也是用類似的方法，在它們的重離子加速器中相繼合成了113、114、115、116和118號元素。

　　合成新元素還有其他一些方法，限於篇幅我們這裡就不一一介紹了。

　　機率低、衰變快 「合成」新元素不容易

　　合成新元素的原理，說起來並不複雜，然而要真正實現，當然並不容易。

　　困難首先在於，每次碰撞實驗真正能產生「融合」的機會很微小，給探測工作帶來極大困難。科學家的任務就是設法做到「多產出」，以便能夠把握這個新元素。

　　其次，因為這些超重元素極易衰變，雖然科學家們試圖努力地發現它們，也已經看見了一些結果，但是還不能說是穩定地抓到了，因為他們的半衰期太短。所以在指定的時間內得到這種新元素的數量非常少，也使得監測它們的儀器設備很難發揮作用。可以肯定一點，如果這些元素的壽命長的話，它們就應該存在於自然界，或者存在於宇宙線撞擊地球的什麼地方。

　　第三，要有先進的監測手段。要監測得到，首先是要求儀器靈敏度高、響應時間特別快，同時，實驗數據要能用於證明這肯定就是新元素周期表中那個期望中的「居民」。

　　第四，還必須能重複地得到相同結果。未能重複就不算成功，等到新元素的發現的確被他人的實驗重複，相關機構才承認它真實存在，才能命名。

　　119號元素 周期表中位置不一般

　　如前文所述，俄美科學家已經發現118號元素了。這個元素的位置剛好在周期表第七橫行的末端，所有在它和它之前的房子裡都有「居民」了。而且118號元素所在的縱列（族）裡，從氦開始的元素全部都屬於「惰性」元素，它們的最外層電子數都已被填滿。科學家說這應是一種「最封閉」即最為穩定的外層結構。就是這種結構的特點令這一族元素最不活潑。

　　再橫看一下，這一周期已經到此為止了，發現新元素的任務似乎已經圓滿無缺，還存在下一個元素119嗎？如果還有所拓展，那周期表裡自然就要開出新的一行──第八行（新周期），119號元素就是這一新行的「排頭兵」！先不說它的性質，這本身就意味著，跟在後面一定還有更多新的「房間」，它們各自的「居民」有待被發現。所以，119這個位置很特別，如果真的成功發現它的「主人」，那我們對身邊的物質世界的認識將繼續被推進一大步，有誰會否認做這件事的意義呢！

　　由此也引出了「周期表到底有沒有盡頭」的問題。從理論上看，雖然有人從原子核內部的核力與電磁力平衡的角度提出過分析和解釋，但至今也不能預言穩定的原子核內最多可以容納多少個質子和中子。這是一個進一步深入認識並正確解釋物質世界的問題。

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　　人工合成新元素

　　到底有意義嗎？

　　人類已經不是第一次以這樣的方式尋找新的超鈾元素，科學家這樣特殊的「創作」，對幫助人類更深入地了解「我們周圍這個物質世界究竟是怎樣生成的」這個問題有非常大的意義。因為，探索、發現新元素是人類在不斷探索自然界奧秘的過程的一部分，也是人類對自然界奧秘的認識在不斷深化的過程。毫無疑問，發現（合成）這些超重元素的意義在於人類對物質世界的認識更加深入了。大自然的奧秘將進一步被揭開，我們又成功地擴展了物理世界的認知邊界。

　　至今，科學家還不能進一步說清他們發現超重元素的實驗有什麼實用價值。不過，有一點已經肯定：這些「超鈾元素」中，鈽-239已經被應用了，它其實是用鈾238放在核反應堆中接受中子照射而最終生成的，它已經被人類廣泛使用為核反應堆的燃料或生產核武器的關鍵原料。

　　也許有人會因此而擔心：雖然現在所「製造」的新的超重元素的數量極少，但有那麼一天，當人類已能找到大量複製的方法之後，會不會又給人類自己帶來某種新災難？對於這種擔心，我們會說，和人類已經做過的太多的事情相比，這是安全的。未來是屬於新一代的，他們會利用各種新技術去創造新的生活，他們必將把這個世界變得更美好！

　　陳賀能（作者為中國科學院新技術開發局高級工程師、中國科學院老科學家科普演講團成員）