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新元素的路还有多长?


元素发现的历程

早在18世纪,人们在科学实验和生产实践中就发现了氢、氮、钛、铬、铜等28种化学元素。到了19世纪,人们通过电解、化学分析和光谱分析等技术又发现了40多种元素。1869年2月,俄国化学家门捷列夫将当时已发现的63种元素列成元素周期表,并留下一些空格,预示着这些元素的性质。在元素周期表的指导下,人们“按图索骥”找出了这些元素。
20世纪30~40年代,人们发现了92号元素,于是有人提出92号是否是周期表的最后—种元素。然而从1937~1967年间,科学家用人工合成法又把元素周期表尾巴拖到了第105号。这时又有人预言,105号元素该是周期表的尽头了,其理由是核电荷越来越大,核内质子数越来越大,质子间的排斥力将远远超过核子间力,导致它发生蜕变。然而不久,科学家又陆续合成了106~109号元素,这些元素存在的时间很短,如107号元素半衰期只有2微
秒,照此计算是否元素周期表到尽头了?
然而,一切还没有结束,1994~1996年间,德国科学家连续发现了第110~112号元素;1999年和2000年,科学家先后合成了114号和116号元素;2003年,又有了进一步突破,美俄科学家成功合成了第113号和第115号元素。
迄今为止,元素周期表中的位置从1到115已被实验证实的元素填满了,但现在已知自然界天然存在的元素只有94号元素钚之前的94种,其中钚和镎只有痕量存在,95号之后的超重元素都是科学家们在实验室中合成的,这些元素的寿命多数很短,而且似乎编号(原子序数)越大,寿命越短。在115种元素中,前109种元素已有了自己的英文名称、中文名称和相应的元素符号,110号之后的元素目前还没有被命名。
现在,科学家又在向元素的未知领域进军,最近,俄美正计划明年合成118号元素。这样,一个问题被提出来了:化学元素可不可以无限发现呢?它的发展有没有尽头呢?

新元素的梦想仍在继续

在20世纪的中期曾有人断言新的化学元素还可能会被发现,但数量不会超过10个,其理由是从93号元素以后都是人造的放射性元素(这些人造元素基本上是靠大型粒子加速器使一种元素的核“打入”另一种元素的原子核形成的),而放射性元素都有一个共同的特性,那就是号码越大,它的半衰期就越短(所谓半衰期,就是其一半原子核衰变成其他产物的时间),所以极不稳定。例如第92号铀原子核能够存在10亿年,但人工制造的第98号元素“锎”的半衰期是470年;第99号元素“锿”的半衰期只有19.3日;到了第103号元素“铹”的半衰期只有8秒钟;而在1976年被原苏联科学家发现的107号元素半衰期还不到1毫秒;更有甚者,1996年由德国科学家发现的112号元素只能存在0.00002秒。所以说号码越大的元素寿命越短,这就使发现它们的机会越来越小,越来越难发现。
但这个预言显然已经落伍了,从那以后新发现的元素已经超过10个,而且依据卢g前的发展势头,仍会有新的元素被发现。这是为什么呢?
原来物理学家很早以前就预测过,在这些不稳定的超重元素的“海洋”中,一定存在一个“稳定的原子岛”,即一种原子其中子与质子的数目和列呈特殊状态,从而使其产生后能维持更长时间,不会立即衰变。因此,“元素号码越大,它的半衰期就越短”这一结论并不一定适用于未被发现的所有元素。

魔幻般的元素“稳定岛”

从1969年起,理论物理学家就从理论上探索“超重元素”存在的可能性,他们认为在原子核中质子数和中子数为某个特定数值或两者均为这一数值时,原子核的稳定性就比平均值大,这些数值被称为“幻数”(即奇异的,有魔力的数字),迄今已知的幻数有20、28、50、82、114、126、184。这就是由幻数构成的超重元素稳定岛,因此,随着原子序数的递增,其原子核不一定不稳定,在109号元素之后还能合成一大批元素。
功夫不负有心人。1999年,俄美科学家果真合成了114号超重元素。新元素的质量数为289,生存时间竟达到30秒钟。这项研究成果不仅为门捷列夫的化学元素周期表增添了一名新的成员,而更重要的是这一发现彻底否定了许多人认为第105号元素之后的元素因其存在时间极短而难以合成的预言。
科学家的步伐并没有停止。2003年,俄美科学家再次合成了第115号和113号超重元素,科学家们在利用回旋加速器进行的实验中,用具有20个质子的钙元素的同位素反复轰击含95个质子的镅元素,结果4次成功地制成了4个第115号元素的原子。这4个原子在生成数微秒后衰变成第113号元素,1.2秒后进一步衰变成元素周期表上已知的第105号元素。
一些超重元素专家还预言,未来待发现的126号元素,也将会是一种极稳定的超重元素。没有人知道找到“稳定岛”元素后会发现什么,但找到“稳定岛”意味着在了解原子及其形成这一方面前进了一大步,可能会掀起一场物理学革命。

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未知的“新岛屿”

事物的发展并没有完结,人类的认识是无穷尽的。科学家根据理论推算,可以把元素周期表一直推到第218号元素,而更不可思议的是,根据计算,在现在尚未发现的超重岛之外,还会有一个岛外之岛,即再下一个具有双幻数的超超重元素——质子数164、中子数318的第164号元素。在它周围也还会有一批稳定的核素,如果将来人们一旦征服了超重岛,将有可能向这个超超重岛进军远航。
据计算,164号元素衰变一半所需的时间将是以亿年计算的,如果这种计算准确,就有可能从自然界中找到它们。它们的性质与自然界中最稳定的铅相类似,它们的核却蕴藏着巨大的核能,据估计,它们的能量将比现在已问世的氢弹爆发的能量还大千万倍,但却没有原子弹、氢弹那种对人类造成的雪崩式辅射的威胁,它们对人类的和平能源贡献将是无比巨大的,如果有朝一日人们真的找到了或合成了它们,那将会是多么激动人心啊!
然而,能否不断合成新元素至今还是一个谜案,科学家将上天(如到月球)入地(如海底)或反复在粒子加速器中进行实验,企图合成新元素,其结果将会如何,人们正拭目以待。
有趣的是,有些科学家还提出元素周期表还可以向负方向发展,这是由于科学上发现了正电子、负质子(反质子),在其它星球上是否存在由这些反质子和正电子以及中子组成的反原子呢?这种观点若有一朝被实践证实,周期表当然可以出现核电荷数为负数的反元素,负向发展也就顺理成章了。

 

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