元素的世界——錒系後元素

2021-01-20 有機合成

從7月底到現在,xdjm們把周期表中的元素從1號寫到了103號。前面的元素每一個都有自己的一段神話,每一種元素在科學研究和生產生活中都有用武之地。它們有著各種各樣的化學性質,能組成各種各樣的物質,具有各種各樣的用途。可是今天給大家介紹的錒系後元素,可要讓大家失望了——別說性質和用途,就是想多看它幾眼,都很困難呢。

自從人們發現了還算比較穩定的鈾(U)元素,一直認為這就是周期表的終點(那時對於物質結構的了解遠不如今天這樣深刻)。後來,有些人嘗試,在U後面還有沒有新的元素呢?如何去創造元素呢?人們發現,如果用質子流、alpha粒子流或其他原子核的粒子流去轟擊原子核,可以得到比原來的原子序數更大的原子,也就是說,可以用這種方法創造新元素。人們確實這樣做了。請看:
1969年,在具有傳奇色彩的UC Berkeley(好牛的地方哦……),用動能為69MeV的C-13轟擊Cf-249,得到了104號元素Rf。(同樣可以用動能為71MeV的C-12轟擊Cf-249或動能為113~115MeV的氖核轟擊鈽靶)它僅僅存在了0.15~0.3s就衰變成其它元素。之所以起名字叫Rf,是為了紀念E. Rutherford,一位原子論者的先驅。
1970年,在前蘇聯的杜布納實驗室,用Ne-22轟擊Am-243,得到了105號元素Db。
1974年,在UC Berkeley和Dubna,人們同時得到了106號元素Sg。
1976年,還是在Dubna,蘇聯人用Cr-54轟擊Bi-204,得到了107號元素Bh。只存在了千分之二秒就衰變。1997年IUPAC命名為Bh是為了紀念哥本哈根的英雄Bohr。
1984年,在當時西歐德國的重離子研究實驗室,人們得到了108號元素Hs。之所以這樣命名,是因為拉丁文的Hassias意思為「Hess」,即為德國。
早在1982年,在同樣一個地方,用Fe-58轟擊Bi-209,得到了109號元素Mt。這是為了紀念瑞典女科學家Lise Meitner,她發現了元素鏷,並分離出了鈾核,並且給「裂變」下了一個明確的定義。
……

創造元素的工作還在繼續。人們同時也在自然界中尋找新元素。對於那些有著特殊質子數和中子數的原子核,人們相信會有較長的半衰期,它們被稱為「超重元素」。尋找超重元素的途徑主要有兩個:一是在組成地球的物質中發現(這需要半衰期大於10E+9年),二是在宇宙線中探索(這需要半衰期大於10E+5年)。對於那些不可能穩定存在的原子核,人們只能是用轟擊的辦法在實驗室合成(現在的前沿是採用「高能質子次級反應」,據說產率可以達到5000個/月)。這也註定了他們的命運只能是科學家的「玩物」而不能有任何實際用途,因為它們一生下來就要死了。這一類的原子,因為「朝生暮死」,所以要有特殊的方法檢測。一般是通過探測原子核的裂變徑跡或裂變產物,以間接證明某一種原子核確實「存在過」(注意是過去時)。它們的性質,一般不能用常規的化學方法去研究,因為在表徵過程當中,它已經衰變了。這些元素性質的獲得,一般是採用計算化學的手段,如自恰場方法(常用的是Hatree-Fock-Slater法),可以獲得元素近似的性質。

周期表還在不斷地被延長,它有終點麼?這便是我下面要討論的問題。在討論元素周期表終點之前,首先先向大家介紹錒系後元素的命名。

Nomenclature of Transactinides

一般說來,是由發現者給元素命名,然後由國際純粹與應用化學學會(IUPAC)予以確認。可是如果兩個人同時發現怎麼辦呢?就有這樣的故事。我們提到過的104號元素即是其中一例。Dubna和UC Berkeley兩個地方同時宣稱自己發現了新元素。蘇聯人將它命名為Ku,以紀念前蘇聯科學家庫爾恰託夫。而美國人命名為Rf,以紀念科學家盧瑟福。無獨有偶,1976年,這兩個實驗室又分別用不同的方法得到了107號元素,前蘇聯人稱之為Bh,以紀念丹麥科學家波爾,而美國人稱之為Ha,以紀念德國科學家哈恩。美、蘇兩國科學家對104、107號元素的命名最開始都沒有得到IUPAC的公認,使這兩個「難兄難弟」「出生」幾十年,還沒有正式的名字。直到1997年IUPAC給予了最終確認。

為了解決新元素的命名問題,國際化學協會無機化學組曾於1977年8月召開會議,主持人N. N. Greenwood宣布了這一系統命名法:從104號元素以後,不再以人名、國名來命名,而是根據新元素的原子序數來命名。即元素名稱由其原子序數的每一個數碼的拉丁文數詞組成,即0 —— nil,1 —— un,2 —— bi,3 —— tri,4 —— quad,5 —— pent,6 —— hex,7 —— sept,8 —— oct,9 —— eun。然後在字尾再加上一個尾綴ium,如104號元素為Unnilquadium。元素符號由開頭三個字母組成,如106號元素為Unh,107號元素為Uns,……但這項決定沒有約束力。所以說104號元素以後,至今沒有全世界統一的名稱及符號。

1998年4月,張青蓮教授為慶祝我們北京大學建校100周年提供的元素周期表上,104號以後的元素分別為:104 —— Rf(音「盧」),105 —— Db(音「杜」),106 ——Sg(音「喜」),107 —— Bh(音「波」),108 —— Hs(音「黑」),109 —— Mt(音「麥」)。110號以後的元素才按上述規則命名:110 Uun、111 Uuu、112 Uub。

The End of Element Table: Yes or No?

關於元素周期表的延伸,最開始人們認為有兩個方向:H之前和U之後。在原子結構未搞清楚之前,人們確實設想有比氫原子量小的元素。門捷列夫本人也曾有過這樣的想法。1902年,已是晚年的門捷列夫在氫的前面列出了兩種元素X和Y。他認為X就是以太,在科學尚無法解釋光、熱、電本質之前,人們一直認為以太可以作為物質相互作用的媒介,可以傳播光、熱、電及萬有引力,門捷列夫把以太當作一種很輕的元素,並稱它為Newtonium,以紀念牛頓。而Y元素,門捷列夫認為是日冕大氣層中存在的一種元素。他還計算出,X和Y的原子量分別為0.17和0.4,都比氫的原子量1要小,故應該排在H的前面,使周期表向前擴充。

1906年,南斯拉夫的一位化學家用「Nw」和「Cn」兩個符號代表這兩個元素,並把它排在周期表最前面。但是,這兩種元素一直沒有被發現。
現在我們知道,H元素的原子核中只有1個質子(同位素原子中還有0-2個中子),核外只有1個電子,原子結構是最簡單的,它的前面不可能再有元素。電子、中子等粒子被發現後,曾經有人把它們放在元素周期表中,列在H的前面。但電子、中子等粒子並不是元素,周期表是化學元素周期表,而非基本粒子周期表。如今,我們面對著近300種基本粒子,就像門捷列夫當年面對63種元素一樣,也應該理出個頭緒。不過,這不是周期表的擴充,而應該完全是另外一項工作。總之,周期表不能再向前擴充了。那麼,能否向後擴充呢?

使用質子或alpha粒子轟擊某種元素的原子,以生成原子序數更大的元素的原子。這是通常製造新元素的方法。可是理論證明,這樣的方法只能製取101號以前的元素。科學家們改進了加速器,使它能夠加速含有6~8個質子的粒子,如碳和氧的離子,用它們去做轟擊源。比如已經發現的109號元素Mt,就是以鐵離子為炮彈轟擊鉍靶整整15天才得到的,但它的壽命非常短,僅僅存在了0.5微秒,就衰變成107號元素Bh,緊接著又放出一個alpha粒子變成105號元素Db。

新發現的元素,隨著原子序數的增大,壽命越來越短,即越不穩定。92號元素U的半衰期是7.13E+8年,98號元素為470年,99號元素1年,100號元素82天,105號40秒,106號0.9秒,108號1微秒。根據這個趨勢預測,即使今後還能人工合成新元素,合成它的同時,也就消失了,難以製得,也難以鑑定。因此有人預言,最多還能搞出10種左右的元素,元素周期表就到達它真正的終點了。

然而,近年來對於元素原子核的穩定性的研究又有了新的進展,提出了「超重元素穩定島」的假說。認為元素的穩定性隨原子序數增大到一定的區間,元素又會穩定起來,即可能存在著一大批穩定的超重元素,特別是114號、126號、184號等元素將特別穩定,因為上述數字為「幻數」(有滿殼層的原子核)。這也就意味著元素周期表還遠沒有到達終點。

無論如何,有這樣三點是要引起注意的:第一,118號元素應該排在18族。作為稀有氣體這一族,以前的元素在室溫都是氣態。仿照滷素族的規律,118號元素會不會在室溫呈現液態或固態?(前提是118號元素足夠穩定以形成單質)如果這樣的話,我們就可以拿到「稀有液體」或「稀有固體」。119號元素應排在1族。作為鹼金屬,以前的元素都是固態並且熔點逐漸降低。仿照這個規律,119號元素會不會在室溫下呈現液態?形成除Hg以外的第二個常溫液態金屬?(前提仍然是119號元素足夠穩定以形成單質)如果這樣的話,那么元素的世界又多了幾分特殊性。這是真的麼?

第二,隨著電子數目的進一步增多,5g亞層和6f亞層要被填入電子。這帶來的問題是,將有更多的元素擁有像鑭系元素和錒系元素那樣的電子排布。也許我們會有更多的「系」排出來。另外,第8周期即將填入5g電子,這會在現有的元素周期表2族和3族之間插入更多的元素。也許到那個時候,這樣的系列,就像現在的過渡金屬系列那樣,不必單列出來,而是直接列在周期表中。也就是說,現有的長式周期表要變得更長,變成32族以便包含所有的f區元素,而把g區元素列在下面,就像現在的鑭系錒系一樣(其中每個g系列的元素在周期表中只佔一個空格)。或者乾脆,變成50族以便包含所有的g區元素,這樣的周期表將會變得非常寬,而且兩邊的族包含的周期數要比中間的族更多。或者,取消族的概念,直接按周期「中心對齊」排列成若干行,傳統的族在這樣的周期表中是斜線。第1行2個元素,第2-3行8個元素,4-5行18個元素,6-7行32個元素,8-9行50個元素……這是真的麼?

第三,如果「穩定島存在」,是不是說,具有那些原子序數的元素,是比較穩定的,容易被探測的,可以在周期表中佔有一席之地。而那些不夠穩定的,不能在完全衰變之前被檢出的(因為儀器分析同樣有響應時間,如果響應時間比半衰期長,自然不能檢出,也不知道是不是真正被合成出來了),到底真正存在不存在呢?如果認為存在,既然檢不出來,他們在哪裡?如果不存在,豈不是有些空格要空出來,而第8周期以後只有很少量的空格被填上元素,造成元素周期律的不連續性?這是真的麼?

……

類似這樣的疑問還有很多。總之,元素周期表的終點將是一個十分神秘的話題,等待著我們去思索、討論和創造。

晚上十點的時候,flyingbaby JJ告訴我說再扯一些感受,於是就有了下面這一段話:

今天的元素實在沒有什麼性質可介紹,所以就扯了很多與錒系後元素無關的,大家見諒~~~元素寫到今天,兩個多月的時間我們遍歷了元素周期表,可以說是一道豐盛的大餐。兩個月的時間堅持下來也挺不容易的,謝謝xdjm們為我們寫下so多妙筆生花的文章。我為我自己是CCME的一員而感到驕傲!^_^

本文參考了一些書目,並加入了作者的些許觀點,敘述與表達如有不妥之處,還望各位指出,請直接發到這裡或我的信箱。非常願意與大家討論,謝謝。


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