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linjunJR ?2021/03/12
氫彈試爆遠(yuǎn)圖。圖／Pixabay。
1952 年 11 月 1 日，美軍在太平洋中央的一座小島上，進(jìn)行第一次大規(guī)模氫彈試爆，猛烈的核融合反應(yīng)留下了許多難得一見(jiàn)的超重元素。加州的柏克萊實(shí)驗(yàn)室就是在這次的爆炸殘骸中發(fā)現(xiàn)了第 99 號(hào)元素「鑀」（Einsteinium）。70 年後的今天，同樣來(lái)自柏克萊的實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)首次成功量測(cè)到鑀元素，發(fā)表在 Nature 期刊。
鑀元素位於元素週期表的邊疆，儘管科學(xué)家曾確實(shí)觀測(cè)到它，直至今日人們對(duì)鑀的理解仍然只有一絲絲（連屑屑都沒(méi)有），這是因?yàn)殍P原子超不穩(wěn)定，沒(méi)多久就會(huì)衰變成原子序較小的其他元素，於是鑀元素不能像鈾礦那般由自然物質(zhì)裡萃取，鑀的人工合成製程也十分困難。標(biāo)準(zhǔn)的合成作法是使用大量中子轟炸鋦原子，再雙手合十，耐心等待一連串核融合反應(yīng)發(fā)生。
1960 年代的首次合成嘗試中，只成功產(chǎn)出 10-8 克（10 奈克）的鑀原子。儘管往後產(chǎn)量有緩慢進(jìn)步，但在這種亂槍打鳥(niǎo)的過(guò)程中，許多不同的核反應(yīng)都會(huì)參一腳，所以收集到的原子產(chǎn)物往往參雜許多其他元素，加上鑀易輻射衰變的特性，以至於一直沒(méi)有實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)能得到足夠量的鑀元素以進(jìn)行其化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量。
寫(xiě)黑板的愛(ài)因斯坦。圖／Pixabay。
鑀元素聽(tīng)來(lái)也許陌生，然而它的英文名字「Einsteinium」可是來(lái)自家喻戶(hù)曉的愛(ài)因斯坦本人（Albert Einstein），字源揭露了鑀的重要地位。鑀元素屬於週期表最後一列的錒系元素，這列沒(méi)人會(huì)背的元素其實(shí)一點(diǎn)兒也不無(wú)關(guān)緊要，在駕馭了它們的放射性質(zhì)後，錒系元素有能耐成為左右文明的重大角色。除了最常聽(tīng)到的鈾之外，釷（Thorium）和鉲（Californium）等元素都有廣泛的工業(yè)及醫(yī)學(xué)應(yīng)用；鈽（Plutonium）是核武器和核能源的必須要素，因此成為冷戰(zhàn)時(shí)期眾人爭(zhēng)奪的資源，也曾在電影「天能」裡面客串出場(chǎng)。
週期表中每一直行（稱(chēng)為族）及每一橫列（稱(chēng)為週期）的元素的化學(xué)性質(zhì)都存在特定規(guī)律；例如第一行的鹼金屬族，越往下脾氣就越暴躁；第二列越往右原子就越小顆等等。每一個(gè)新元素的發(fā)現(xiàn)，對(duì)鄰近的元素親戚而言，都是再重要不過(guò)的資訊。研究鑀元素能使我們理解整排錒系元素的模式規(guī)律，對(duì)各種放射性元素和同位素的個(gè)性特質(zhì)也能有更完整的圖像。
所以囉，打從元素週期表的概念被建立以來(lái)，往週期表的邊疆探索，就是核子物理和化學(xué)的重大目標(biāo)，這目標(biāo)也不停為科學(xué)帶來(lái)技術(shù)和觀念上的突破。今年 2 月，柏克萊實(shí)驗(yàn)室的 Rebecca Abergel 所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)發(fā)表了最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為鑀元素的化學(xué)性質(zhì)探測(cè)寫(xiě)下里程碑。
因?yàn)樯L集足量的純鑀金屬太困難了，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)乾脆丟棄傳統(tǒng)的 X 光晶體學(xué)方法，反而選用有機(jī)分子夾住鑀元素，再透過(guò)吸收光譜等方法探測(cè)鑀原子的鍵結(jié)長(zhǎng)度和其物理化學(xué)性質(zhì)。Rebecca Abergel 表示：「鍵結(jié)的長(zhǎng)度也許聽(tīng)起來(lái)沒(méi)多有趣，但它其實(shí)是重要的初步資訊，它能使我們了解這個(gè)元素和其他原子連結(jié)的型態(tài)，並預(yù)測(cè)它可能和其他原子產(chǎn)生何種反應(yīng)?！?/font>
要完成這項(xiàng)測(cè)量並不容易，除了要合成夠多的鑀原子，打造出合適的測(cè)量樣本，還得趕在鑀元素衰變前進(jìn)行所有實(shí)驗(yàn)。儘管團(tuán)隊(duì)選用的鑀-254 有兩百多天的半衰期，先前的研究計(jì)畫(huà)卻被疫情無(wú)情打斷。隔離期間不能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，製備好的鑀樣本也就慢慢地在實(shí)驗(yàn)室中衰變死掉。當(dāng)實(shí)驗(yàn)重啟時(shí)，絕大部分的樣本都已無(wú)法使用。所幸隔離前完成的結(jié)果夠完整，團(tuán)隊(duì)才能整理並發(fā)表階段性的研究結(jié)果。
「鑀」是通往週期表未知區(qū)域的重大關(guān)鍵。圖／Pixabay。
先前提到可以用中子束轟炸較輕的元素來(lái)合成鑀原子；同樣的，若能聚集到足量的純鑀，就能以中子束轟炸純鑀，合成出更重的原子。巨大的鑀原子握有通往週期表未知邊緣的秘密，若能將其完全馴服，就能往週期表的更遠(yuǎn)處推進(jìn)，解開(kāi)更多超重元素的謎團(tuán)?，F(xiàn)在我們的科學(xué)家有了「鑀」，科學(xué)於焉展開(kāi)。
