超鈾元素發現的歷史及其命名經過

2020-12-05 高考網

  應用化學聯合會(IUPAC)審定通過,結束了20餘年來元素命名的紛爭。最近,新元素的中文名字被中國科學技術名詞審定委員會化學名詞審定分委員會審定,予以公開使用。從此,檢字表內又添新的漢字成員。新時代的倉頡們使命完成了,但是,化學教育工作者的任務開始了。如何完成任務呢?這還須從頭說起!因為命名與元素發現有關,也與元素在周期表中的位置有關。

  超鈾元素的發現

  1939年,美國加州大學的核物理學家麥克米倫(E.M.McMillan)在研究鈾核裂變時,為測量裂變碎片的路程設計了一個簡單實驗。他拿一疊錫箔紙,在最上一張放了薄薄一層氧化鈾,並用回旋加速器靶體所產生的快中子流照射。然後,用蓋革計數器測量每張錫箔紙的輻射強度。原以為,有氧化鈾薄層的阻擋,輻射強度會減弱,出乎意料的是,輻射強度反而增大了。這促使麥克米倫回到費米的設想上來,「可否認為,有一些中子被鈾吸收並沒有引起裂變,而是進一步發生β衰變,這豈不是產生93號元素?這種同位素和裂變碎片不同,是不會飛離氧化鈾的」。這時,華盛頓研究院的埃布爾森(P.H.Abelson)來到加州大學,判明它是鈾的同位素經過β輻射嬗變產物,其半衰期為2.3天。該核反應是

  他們仔細地研究了這種粒子,指出它是第93號元素的同位素,是一種超鈾元素。他們把這種元素命名為錼(Neptunium,元素符號是Np)。這來源於海王星(Neptune)一詞,而海王星的軌道是在天王星(Uranus)軌道之外(鈾是以天王星命名的)。

  用快中子或氘核輻射鈾,在美國加州大學伯克利分校很快就制出了錼的其他同位素。最重要的商品錼是237Np,半衰期長達2.2×109年,具有α放射性。

  1940年,美國化學家西博格(G.T.Seaborg)等用氘核轟擊鈾,制出了第94號元素鈽(Plutonium,元素符號是Pu),其反應是

  Pu又能發生裂變鏈鎖反應,是最重要的核反應堆燃料,其半衰期是22400年,具有α放射性。半衰期最長的鈽同位素是Pu,半衰期為8×107年,也是α放射性。用對鈾和錼的命名方法將第二個超鈾元素命名為鈽(Plutonium),它來源於冥王星(Pluto)一詞。

  鈽同位素與慢中子反應,其反應方式與鈾同位素235U的反應方式相同,即當它們分裂時,會產生很大的能量並釋放出一些中子。這樣,它就在戰爭中對原子彈的製造計劃起了重大作用。後來,製造方法得到改進,使鈽投入大規模生產。

  西博格等認識到,超鈾元素形成的特殊系列——錒系過渡元素系列類似於稀土元素的鑭系系列。於是,西博格和他的同事們得以預言未知的超鈾元素的化學性質,並能將它們分離出來。西博格的名字與若干超鈾元素的發現,即首次分離,聯繫在一起。

  由於西博格在超鈾元素方面的研究成果,他和麥克米倫分享了1951年諾貝爾化學獎。

  至於99號和100號元素,則是熱核爆炸的產物(1952年),它們的發現有些出乎意料。

  應該指出,這些發現應正確地歸功於幾個研究小組。過去,對成果歸屬問題曾發生過爭論。與西博格類似的工作已在前蘇聯由弗廖羅夫(G.Flerov)進行過。

  弗廖羅夫是前蘇聯核物理學家,畢生致力於發現和人工合成新元素及其同位素。他和同事們在回旋加速器中用重離子轟擊重的原子核,生成並分析了錒系和超錒系的102~107號元素的同位素。他們還宣稱首先鑑別出了超錒系的104號(1964年)和107號(1968年)元素。這一榮譽屬於誰,目前仍有爭議。但是他們在1987年宣布首次合成第110號元素肯定沒有被證實。其實這類事件在科學的徵途上所見不鮮,無損於弗廖羅夫這位優秀的核科學家的聲譽。

  在向超鈾元素進軍的徵途中,還要提到美國核物理學家吉奧索(A.Ghiorso)。1942年,他在西博格領導下從事鈽的研究,負責維修和設計儀器,在新元素的合成和鑑定方面,做出了一系列重大貢獻。1943年,他改進了高几何因子的計數技術,並用雲母片吸收法測量了α粒子的射程,促成了元素鋦和鋂的發現。1946年,隨西博格進行鉳和鉲的合成和鑑定研究,他發展了48道脈衝高度分析器,為這兩種元素的發現創造了條件。1952年,他和同事們從熱核爆炸的塵埃中分析超鉲組分,先後發現了元素鑀和鐨。1955年,發現了元素鍆。

  合成和鑑定鍆後面的元素更為困難。為此,吉奧索設計了直線重離子加速器。後來又提出了「將直線重離子加速器與高能加速器(Bevatron)相連接」的設想。根據這一設想,建成了世界上第一臺能加速重離子的高能加速器(Bevalac)。到1978年為止,他作為主要研究者,又合成了102~107號元素,並於1973年獲美國化學會核應用獎。

  1984年,聯邦德國達姆斯塔特重離子研究所的明岑貝格(G.Munzenberg)用被加速的鐵離子轟擊鉛靶,得到了108號元素。實驗中共記錄了三個265108原子,其壽命值分別為24毫秒、22毫秒、34毫秒。通過測定265108的衰變鏈子體253No的方法,明岑貝格由此確證了108號元素的合成,

  109號元素,是明岑貝格等人用被加速的鐵離子轟擊鉍靶合成的,那是在1982年。在長達一星期的合成實驗中,共使用了6×1017個離子,只獲得了一個新元素原子。用測量266109的衰變鏈子體的方法,最終確證109號元素的合成。

  從89號元素錒到103號元素鐒,形成了第二個稀土族——錒系元素。在元素周期表中,它們和鑭系相對應。這樣,四分之三世紀前門捷列夫提出的周期表又一次得到修正,這是對元素周期表的重大發展,是發現新的超鈾元素的指路明燈。

  1964年—1984年間,美國、前蘇聯和聯邦德國的核物理學家合成了104~109號元素。但是,它們的壽命太短,而且所得產量太少,難以充分研究它們的化學性質。根據錒系理論,103號元素鐒有14個5f電子(滿殼層),104號元素是錒系後的第一個元素,屬於6d過渡元素,應與其在周期表中同族的鉿相似,而不同於錒系元素。

  隨著對核性質認識的進展,對周期表高原子序一端的各元素的化學,有了更深入的認識。錒系的最後一個元素是鐒,這個預言是由於實驗表明第104號元素具有預期的IVB族元素的性質而得到肯定。這一例證,將對高Z值元素化學性質的預測置於一個更牢固的立足點上。

  命名問題

  西博格曾建議將95號元素命名為鋂(Americium,元素符號是Am)以對應於63號元素銪(Europium,元素符號是Eu);將96號元素命名為鋦(Curium,元素符號是Cm)紀念居裡夫婦,以對應於64號元素釓(Gadolinnium,元素符號是Gd)紀念芬蘭化學家加多林(J.Gadolin);將97號元素命名為鉳(Berkelium,元素符號是Bk)紀念超鈾元素髮祥地伯克利(Berkely),以對應於65號元素鋱(Terbium,元素符號是Tb)紀念稀土元素髮祥地伊特比(Ytterby)。從98號元素起沒有合適的對應名字,98號元素被命名為鉲(Californium,元素符號是Cf)以紀念美國加利福尼亞州。

  1952年發現了99號元素鑀(Einsteinium,元素符號是Es),1952年發現了100號元素鐨(Fermium,元素符號是Fm),它們的命名是為了紀念愛因斯坦(1955年逝世)和費米(1954年逝世)。1955年,101號元素被發現,為了紀念門捷列夫,將其命名為鍆(Mendelevium,元素符號是Md)。1957年,102號元素被發現,命名為鍩(Nobelium,元素符號是No),這是為了紀念斯德哥爾摩的諾貝爾研究所,也間接地紀念諾貝爾(A.B.Nobel)。1961年,103號元素被發現,為了紀念勞倫斯(那時他已去世),將它命名為鐒(Lawrencium,元素符號是Lr)。至此,錒系元素已全部被發現,亦即5f亞層的電子全部填滿,它們和鑭系元素相對應。

  但是,自104號元素起,在命名問題上出現分歧,前蘇聯科學家把他們合成的266104號元素命名為Kurchatovium,元素符號定為Ku,以紀念前蘇聯物理學家庫爾恰託夫(З.В.Кулвчатов);而美國科學家則把他們合成的261104號元素命名為Rutherfordium,元素符號定為Rf,以紀念英國原子物理學家盧瑟福。對105號元素,前蘇聯科學家把他們製得的260105號元素命名為Nielsbohrium,元素符號定為Ns,以紀念丹麥科學家玻爾;而美國科學家則堅持把他們發現的261105號元素命名為Hahnium,元素符號為Ha,以紀念核裂變的發現者,德國科學家哈恩。

  104號和105號元素的上述命名,都沒有得到國際公認。1977年8月,國際化學協會無機組宣布了一項決定(不過沒有約束力),從104號元素起,不再以人名、國名和地名來命名,而是根據新元素的原子序數來命名,即用拉丁文的數詞組合起來,然後在詞尾加上「ium」。

  這樣一來,104號元素的名稱就為Unnilquadium,符號是Unq。105號元素的名稱為Unnilpentium,符號是Unp。不過,這樣的規定沒有什麼約束力。各國的科學家,仍然根據自己元素發現優先權,作出自己認為恰當的命名。

  經過20多年的爭論,到了1997年,周期表上原子序數104號到109號這6個元素終於有了正式名稱。IUPAC執委會提出,104號元素應叫做Rutherfordium,105號至109號元素應分別叫做Dubnium、Seaborgium、Bohrium、Hassium和Meitnerium。

  這6個元素,除Dubnium是以前蘇聯杜布納聯合核子研究所所在地Dubna、Hassium是以聯邦德國達姆斯塔特重離子研究所所在地的州名命名外,其餘都是使用著名科學家的英文名字來命名的。詞尾的「ium」三個字母是化學元素名稱常用的後綴。到目前為止,元素周期表上前109個元素,都有了自己的名稱和相應的元素符號。

  最近,103號以後的6個元素的中文名稱,由中國科學技術名詞審定委員會化學名詞審定分委員會審定予以公開使用。它們是?(Rf)、?(Db)、?(Sg)、?(Bh)、?(Hs)、?(Mt)。

  過去,元素的發現者常有權為該元素命名。元素的名稱,也多採用一些著名科學家的名字來命名。用一個國家的科學家的名字來命名某個元素,常常被看作這個國家的巨大榮譽。也正是由於這個原因,104號至109號元素才遲遲沒有被命名。

  106號元素是美國科學家發現的。1994年,該元素的發現者們要求用元素的主要發現者——西博格的名字為其命名,但IUPAC拒絕了這一要求,理由是西博格還活著(註:西博格已與於1999年2月25日去世),不能用一個尚健在的人為一個化學元素命名。但美國人反對,因為1952年分別以愛因斯坦和費米的名字將99號、100號元素命名為Einsteinium和Fermium時,他們都健在。1997年8月,在日內瓦舉行的IUPAC會議終於同意這一要求,將106號元素命名為Seaborgium.

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