比鈾還重的元素

天王星是1781年由德國著名天文學(xué)家赫歇耳發(fā)現(xiàn)的，它繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道稍微有些反常。天文學(xué)家斷定：在天王星軌道外面，一定還有某顆末被發(fā)現(xiàn)的行星在對天王星施加引力。年輕的英國天文學(xué)家亞當(dāng)斯和法國天文學(xué)家勒維耶根據(jù)牛頓萬有引力定律，各自獨立地計算出了這顆假想行星的位置。

　　1846年，德國天文學(xué)家加勒將望遠鏡對準寶瓶星座內(nèi)勒維耶所指的那一點，果然發(fā)現(xiàn)了一顆新行星，它被命名為海王星。海王星的發(fā)現(xiàn)轟動一時，是天文學(xué)史上的一個奇跡，至今令人贊嘆。

　　但是，在化學(xué)元素中的“天王星”—鈾的后面，還有更重的元素存在嗎？自從門捷列夫確定了鈾的最重元素地位以后，人們就開始提出這個問題。經(jīng)過許多科學(xué)家的長期努力，終于證明鈾后面確實存在著更重的元素。不過，化學(xué)元素中的“海王星”的發(fā)現(xiàn)，要比行星中的海王星的發(fā)現(xiàn)困難得多，也遲得多。

　　從發(fā)現(xiàn)天王星到發(fā)現(xiàn)海王星，前后經(jīng)歷了六十多年，而從發(fā)現(xiàn)鈾(原意天王星)到發(fā)現(xiàn)镎(原意海王星)，前后卻經(jīng)歷了一百五十多年。

　　在自然界探索超鈾元素的工作很早就開始了。人們原先認為，92號元素鈾與鉻同族，所以推測93號元素應(yīng)與錳同族，性質(zhì)上更類似于錸。因此1925年就曾有人在商品錳和軟錳礦中探索93號元素，但未獲成功。

　　1934年，捷克化學(xué)家科布立克從瀝青鈾礦中分離出一種“錸的類似物”。重量分析測得其“原子量”為240，因此他認定這就是93號元素并進行了命名，聲稱瀝青鈾礦中含此元素達1％。科布立克把樣品寄給當(dāng)時公認的稀土元素分析方面的權(quán)威、元素錸的發(fā)現(xiàn)者諾達克夫婦，以便作最后的鑒定。但是諾達克夫婦鑒定結(jié)果表明，這種物質(zhì)根本不是什么93號元素或其它未知的新元素，而實際上只是一種存在于礦石中的鎢、釩和銀的復(fù)雜混合物。

　　在探索未知事物的過程中，探索者的伴侶常常是失敗而不是成功。但是暫時的挫折從未能動搖探索者前進的決心。

　　此起彼伏，年輕的意大利學(xué)者費米在羅馬開辟了一條新的道路，用中子轟擊鈾的方法來合成超鈾元素。如前所述，費米的工作導(dǎo)致了鈾核裂變這一重要現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)。雖然費米、伊倫，居里和哈思等沒有能發(fā)現(xiàn)真正的超鈾元素，然而鈾核的裂變并不排斥存在超鈾元素的可能性。以后的工作證明，費米的道路確實是一條通向發(fā)現(xiàn)超鈾元素的成功的道路。

　　1938年底發(fā)現(xiàn)核裂變現(xiàn)象后，人們的注意力都集中在裂變現(xiàn)象的研究上，而把超鈾元素的問題擱在一旁了。裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)前，費米等把裂變產(chǎn)物誤當(dāng)成超鈾元素，而這時又有個別科學(xué)家犯了相反的錯誤，把真正的超鈾元素誤當(dāng)成裂變產(chǎn)物，放過了作出重大發(fā)現(xiàn)的機會。可是，美國科學(xué)家麥克米倫在核裂變的狂熱中保持了冷靜的頭腦，終于完成了費米等未竟的事業(yè)。

　　當(dāng)時(1939年裂變現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)后不久)，麥克米倫正是采用中子轟擊鈾薄片的方法，來研究裂變產(chǎn)物的射程。他注意到，大部分裂變產(chǎn)物從薄片上反沖出來，但是半衰期為23分鐘和2.3天的兩種放射性物質(zhì)留在薄片內(nèi)。

　　這23分鐘的放射性物質(zhì)已經(jīng)知道是鈾239，它是由鈾238俘獲一個中子生成的。但這2.3天的放射性物質(zhì)是未知的，它究竟是什么呢？若是裂變產(chǎn)物，它就應(yīng)從薄片中反沖出來，它不反沖，就說明它可能也是簡單中子俘獲過程的一個產(chǎn)物。換句話說，麥克米倫推測它有可能是一個超鈾元素。1940年的春天，他與艾貝爾森合作，用化學(xué)的方法證實，這種半衰期為2.3天的放射性物質(zhì)，確是一種新元素—93號元素的一個同位素。

　　就這樣，超鈾元素的探索導(dǎo)致了裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)；而裂變現(xiàn)象的進一步研究，卻又導(dǎo)致了超鈾元素的真正發(fā)現(xiàn)。鑒于鈾的名稱由天王星而來，按照太陽系行星的次序，下一個便是海王星，于是麥克米倫和艾貝爾森把93號新元素命名為镎(原意海王星，元素符號Np)。

　　镎的發(fā)現(xiàn)，終于動搖了鈾的最重元素的地位，開辟了超鈾元素這一全新的領(lǐng)域。

　　麥克米倫和艾貝爾森當(dāng)時制得的镎同位素是镎239。現(xiàn)在知道，镎239是β放射體，它衰變?yōu)?4號元素的一個同位素钚239(它就是我們前面介紹過的一種重要的裂變物質(zhì))。

　　钚239仿佛已是垂手可得的了，但當(dāng)時麥克米倫和艾貝爾森只是考慮了這種可能性，由于钚239放射性較弱，未能把它鑒定出來。同年，西博格和麥克米倫等在用氘核轟擊鈾時發(fā)現(xiàn)了钚。

　　在镎和钚發(fā)現(xiàn)后，又用人工核反應(yīng)的方法制取了95號元素镅(Am)、96號元素鋦(Cm)、97號元素锫(Bk)和98號元素锎(Cf)。在氫彈爆炸的產(chǎn)物中發(fā)現(xiàn)了99號元素锿(Es)和100號元素鐨(Fm)。后來又用重離子反應(yīng)陸續(xù)合成了101號元素鍆(Md)、102號元素鍩(No)、103號元素銠(Lr)以及104～107號元素。

　　蘇、美兩國科學(xué)家，都認為自己是104號和105號元素的發(fā)現(xiàn)者，按照國際慣例，新元素的發(fā)現(xiàn)者對新元素有命名權(quán)，這樣就使這兩個元素目前各有兩個名稱。蘇聯(lián)科學(xué)家用104號元素紀念蘇聯(lián)核物理學(xué)家?guī)鞝柷⊥蟹颍�美國科學(xué)家則用它紀念核物理學(xué)的奠基者盧瑟福；美國科學(xué)家用105號元素紀念核裂變現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)者哈恩，而蘇聯(lián)科學(xué)家用它紀念原子物理學(xué)的奠基者玻爾。

　　這種情況的出現(xiàn)，不但反映了蘇、美兩國科學(xué)家在超鈾元素領(lǐng)域內(nèi)的激烈爭奪，而且說明了合成和鑒定這些元素決不是一件容易的事。就拿101號元素鍆來說吧。在1955年發(fā)現(xiàn)這個元素的實驗中，美國科學(xué)家吉奧索等全力以赴，背水一戰(zhàn)，把他們當(dāng)時所擁有的大約十億個锿253原子全部用來作為靶子，并用強大的α粒子流進行轟擊。即便是這樣，一次轟擊時間為三小時的實驗，估計也只能產(chǎn)生一個101號元素的原子。他們在頭八次實驗中，確實總共只不過得到了十七個101號元素的原子。地球誕生以來的幾十億年中，地球上大概從來沒有一種物質(zhì)，曾以這么微小的量存在過吧！

　　由此可知，鑒定和研究這些元素是多么困難，這往往是在一次實驗中得到一個或幾個原子的基礎(chǔ)上進行的。要進行研究，在實驗中起碼要得到一個原子，但并非所有實驗每次都能產(chǎn)生一個原子的！

　　超鈾元素在它們被發(fā)現(xiàn)后不久，就找到了極為重要的用途。正象我們已知道的，钚239是一種極為重要的裂變物質(zhì)，可以用作核反應(yīng)堆的燃料和原子彈的裝藥。另外還有幾種超鈾同位素如鋦245、镅242(同核異能態(tài))等也是裂變物質(zhì)，而且它們的臨界質(zhì)量很小，如镅242(同核異能態(tài))的臨界質(zhì)量就只有23克，因此可以用來制造具有特殊用途的超小型反應(yīng)堆和原子彈。有人猜測，所謂的中子彈有可能是用這類超小型原子彈引爆的小型氫彈。

　　超鈾元素的另一個重要用途是作為輻射能源，制造核電池。其中钚238制造的核電池已在地面、水下、太空和醫(yī)學(xué)等許多方面得到了應(yīng)用。例如美國“阿波羅”登月飛船的宇航員，曾先后把五個钚238制造的核電池安放在月球上，為月面科學(xué)試驗站提供動力。這種核電池輸出功率為70瓦左右，重不到20公斤，能在月面惡劣的環(huán)境中正常工作，使用壽命一年以上。又如以钚238為能源的心臟起博器，已在1970年首次植入人體，獲得成功，現(xiàn)正在逐步推廣。

　　超鈾元素都是放射性的，許多超鈾同位素都是性能優(yōu)良的輻射源。例如镅241作為低能γ源，可用來進行X熒光分析；作為α源可用來創(chuàng)造火災(zāi)報警器、避雷器等；還可用來制造用途廣泛的中子源。又如锎252，它自發(fā)裂變時放出大量的中子，是一種理想的中子源。可以制成每秒幾個中子到每秒一百萬億個中子的不同強度的中子源。高強度的锎252中子源，在強度上可以與小型反應(yīng)堆相匹敵，而且結(jié)構(gòu)緊湊，便于攜帶。

　　從以上列舉的幾個簡單例子，我們就可以看到，超鈾元素的用途是多么重要、多么廣泛，比起鈾來，真可謂青出于藍而勝于藍了。

　　超鈾元素的人工合成，使人們掌握了超鈾元素的性質(zhì)，從而給探索自然界超鈾元素的工作指明了方向。

　　1942年，西博格等第一次確證了钚在自然界的存在。他們用共沉淀法和氧化—還原循環(huán)，從400克瀝青鈾礦中分離出了微量的钚239，并用放射化學(xué)法作了特征性鑒定。

　　按照钚239的半衰期(約24,000年)，原始的钚239是不可能在地球上存在的，它們早已“死絕”了。這就怪了，它們是從哪兒來的呢？原來，地球上天然放射性物質(zhì)放出的α粒子，與輕元素發(fā)生核反應(yīng)，會產(chǎn)生中子；宇宙射線中也有一些中子射到地球上來；鈾和釷等很重的重元素發(fā)生自發(fā)裂變，也會放出一些中子。總之，地球上存在天然的中子源，這種中子與鈾238作用，就會象在反應(yīng)堆中那樣，生成钚239。鈾礦中的钚239就是以這種方式產(chǎn)生的，它的含量十分微小，一般只為鈾的千億～萬億分之一。

　　由于钚239是由鈾238俘獲中子而生成的，顯然，也就說明镎239在自然界的存在，只是其含量比钚239還要低幾個數(shù)量級。而存在量較大一些的是镎237(半衰期為214萬年)，它是由鈾238與快中子反應(yīng)生成的。有人曾鑒定出，在某瀝青鈾礦中，镎237的含量約為鈾的一萬八千億分之一。

　　上述的钚和镎的同位素，都是由天然核反應(yīng)產(chǎn)生的(估計由天然核反應(yīng)可能生成直至100號元素鐨的一系列元素)，或許可以說它們不能算是真正的天然元素。但是有些超鈾同位素卻由于本身的半衰期相當(dāng)長，而至今在地球上仍有微量存在。

　　钚244就是一例。钚244的半衰期為八千萬年，約等于地球年齡的六十分之一，也就是說，從地球形成到現(xiàn)在，钚244的量已經(jīng)減少了約2^60倍。而2^60與10^20。相接近，所以也可以說钚244的量減少了10^20倍。可見，目前地球上即使能找到钚244，其量也已經(jīng)是微乎其微的了。

　　1971年，美國一個研究小組從約85公斤的氟碳鈰鑭礦中，分離出了極少量的钚244。他們先用萃取法純化，得到9升原始溶液，再以钚236和钚242作示蹤劑，用萃取法和離子交換法濃集钚244。钚244的量用質(zhì)譜法測得為兩千萬個原子，相當(dāng)于每噸氟碳鈰鑭礦約含一萬億分之一克。由于钚244的發(fā)現(xiàn)，就完全有理由認為钚是天然元素了。

　　另一個有可能獨立地存在于地球上的超鈾同位素是鋦247。它的半衰期約為兩億五千萬年。曾有人報道過，在較年輕的、鈾235相對富集的礦物中，發(fā)現(xiàn)有鋦247的痕跡，還發(fā)現(xiàn)有其衰變產(chǎn)物镅243和钚239的痕跡。

　　從以上敘述可以看到，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，既動搖了鈾的最重元素的地位，也動搖了鈾的最重天然元素的地位。但是至少從太陽系的范圍而言，天然超鈾元素的存在量是很微小的，能大量得到的天然元素仍數(shù)鈾最重，至少目前還看不出提取比鈾還重的天然元素會有什么實際價值。向元素周期表后面的發(fā)展，將依然是以鈾為基礎(chǔ)的。因此，稱鈾為最重的天然元素仍不失其合理性。

　　如果考察一下超鈾元素的半衰期，我們就會看到，隨著原子序數(shù)的增加，半衰期急劇地變短。據(jù)此推算，到了110號元素，其半衰期為十萬分之一秒；到115號元素，半衰期就只有百億分之一秒了。按照這種趨勢，可能合成的新超鈾元素的數(shù)目顯然是已經(jīng)屈指可數(shù)了，充其量不過十個左右。

　　看來，元素周期表很快就要到盡頭了。但是，“山窮水盡疑無路，柳暗花明又一村”，根據(jù)現(xiàn)代核物理理論的推測，超鈾元素的半衰期隨著原子序數(shù)的增加而急劇下降以后，還有回升的可能性。即預(yù)測超鈾元素的后面還存在一批很重的所謂“超重元素”，其半衰期可能為千百年，甚至長達幾千萬年、幾十億年。

　　超重元素的可能存在，主要是根據(jù)核結(jié)構(gòu)的殼層模型推測的。我們先看一看原子結(jié)構(gòu)的情況。在原子中隨著核外電子一個殼層一個殼層的填充，元素的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生周期性的變化，形成了元素周期表中一個一個的周期。每個周期的結(jié)束元素，即惰性氣體，具有滿殼層的電子結(jié)構(gòu)，核外電子數(shù)分別是2、10、18、36、54和86。它們顯得特別穩(wěn)定，一般不與其它元素起化學(xué)反應(yīng)。

　　在原子核的結(jié)構(gòu)方面，也有類似的情況。原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)每增加到一定的數(shù)目時，就構(gòu)成一個滿殼層。具有滿殼層的原子核特別穩(wěn)定。滿殼層的質(zhì)子數(shù)或中子數(shù)稱為殼層數(shù)或幻數(shù)。已知的質(zhì)子和中子幻數(shù)是2、8、20、28、50和82，對于中子，126也是幻數(shù)。當(dāng)原子核內(nèi)質(zhì)子數(shù)相中子數(shù)都是幻數(shù)時，則核就顯得更為穩(wěn)定，這種原子核稱為雙幻核。例如，氧16(由8個質(zhì)子和8個中子組成)就是一個雙幻核，它特別穩(wěn)定，是地球上存在量最大的一個同位素。又如鉛208(由82個質(zhì)子和126個中子組成)也是一個雙幻核，它是最重的一個穩(wěn)定同位素。

　　計算結(jié)果表明，下一個質(zhì)子幻數(shù)為114，中子幻數(shù)為184，因此原子序數(shù)(即質(zhì)子數(shù))為114、質(zhì)量數(shù)(即質(zhì)子數(shù)加中子數(shù))為298的原子核是一個雙幻核。這個雙幻核應(yīng)該具有特殊的穩(wěn)定性。而推測圍繞著這個雙幻核，在原子序數(shù)為108～126、中子數(shù)為176～196區(qū)域內(nèi)，可能存在一批比較穩(wěn)定的超重核。這一區(qū)域通常形象地稱為超重元素“穩(wěn)定島”。

　　我們可以想象，所有已知元素的同位素構(gòu)成了一個穩(wěn)定性半島，山峰和山脊表示更高的穩(wěn)定性。過了穩(wěn)定性半島，就是不穩(wěn)定性海洋(即原子核壽命極短或根本不可能存在原子核的區(qū)域)，海中有一個孤島，即所謂超重元素穩(wěn)定島，它表示存在一些相當(dāng)穩(wěn)定的超重核。

　　據(jù)推測，超重元素可以用來制作沒有放射性的超小型核武器和無放射性的熱核武器引爆裝置。同時，超重元素的研究，將給某些自然科學(xué)學(xué)科帶來新的突破，為元素周期律、原子核結(jié)構(gòu)、元素起源和天體演化等等，提供更加充分的科學(xué)論證。

　　超重元素的研究具有如此重大的理論意義和實際意義，所以受到世界各國的普遍重視。從六十年代中期起，許多國家的科學(xué)家為了登上超重元素穩(wěn)定島，作了巨大的努力。這包括兩方面的工作：一是用人工的方法合成超重元素，二是在自然界尋找天然存在的超重元素。

　　使用人工合成的方法要想登上穩(wěn)定島，就必須越過不穩(wěn)定性海洋。這就意味著，除了用很重的元素作靶子外，還必須使用很重的離子作為轟擊炮彈，使原子序數(shù)一下子就增加很多，直接進入穩(wěn)定性超重區(qū)域。這就需要加速很重的、包括鈾在內(nèi)的重離子。為了能得到較為穩(wěn)定的超重核，要選擇合適的同位素作轟擊炮彈和靶子，使生成的超重核的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)都是幻數(shù)，或者接近幻數(shù)。為此，科學(xué)家們設(shè)計了各種類型的核反應(yīng)。

　　有人認為，最有希望的一個反應(yīng)應(yīng)該是兩個鈾238核相互碰撞的核反應(yīng)。不過據(jù)稱，這個反應(yīng)已經(jīng)有人試過，結(jié)果是令人失望的。鈾轟擊鈾，產(chǎn)生了許許多多的放射性同位素，唯獨沒有找到超重元素。

　　由于預(yù)言超重元素的半衰期可能長達一億年，甚至一百億年，這表明，它們也可能在自然界天然存在。因此，在試圖人工合成超重元素的同時，探索天然超重元素的工作也在以一個更大的規(guī)模進行著。為了尋找天然存在的超重元素，科學(xué)家們采用了最先進的探測方法，找遍了天推海角。他們在各種特殊的礦物中找，在來自地球深處的溫泉水中找，在大洋底部取出的錳結(jié)核中找，在月球上帶回的巖石樣品中找，在“天外來客”隕石和宇宙射線中找，總而言之，在一切被認為有希望找到超重元素的物質(zhì)中找。

　　經(jīng)過十多年的努力，雖然關(guān)于發(fā)現(xiàn)超重元素的消息不時傳來，也曾掀起過一陣陣激動，但肯定的結(jié)果至今尚未得到。這可能是由于實驗技術(shù)和探測手段目前尚未達到足夠高水平的緣故，或許是因為理論預(yù)測是錯誤的，根本不存在什么超重元素的“穩(wěn)定島”，那當(dāng)然就談不上有什么“新大陸”可發(fā)現(xiàn)了。

　　但是退一步講，即使是后一種情況，我們只要回憶一下從費米開始的探索超鈾元素的過程，就不禁要問，難道超重元素的探索就決不可能引出比裂變現(xiàn)象更為重要的現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)嗎？要知道，費米那時是用中子轟擊鈾，而現(xiàn)在是用鈾襲擊鈾—用最重的天然元素轟擊最重的天然元素！