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119號元素的基態電子配置。
門捷列夫元素周期表
杜布納研究所的科研團隊。
元素周期規律宇宙的基本規律之一
說起人工合成119號元素,我們還要從門捷列夫和他的元素周期表講起。140多年前,俄國化學家門捷列夫把當時已經發現的63種元素按照原子量的大小進行了某種排列,制成了這張(如圖)著名的元素周期表,從而發現了各種元素及其化合物的性質存在著周期性變化的規律,這是一項十分了不起的發現。
當我們翻閱過去這張表,表里還留有一些空格,門捷列夫堅定地認為:每個空格里應該有一種符合這張表格規律的未知元素來占有。
到今天,現代的元素周期表與原先的周期表已經有了本質的變化,各元素已經不再按照原子量由輕到重來排列,而是按照原子序數(即是原子核內質子數目的多少)來排列。今天,人類已經能夠從微觀的角度,根據每個元素原子核內的質子數、中子數、外層電子的層數和最外層電子數的多少等等原子的內在基本規律,來正確地解釋周期表中各元素及其化合物性質的周期變化的趨勢。可以說,現在的元素周期規律就是宇宙的基本規律之一。
宣布要合成119號元素的俄羅斯杜布納聯合原子核研究所是一個有名的機構?,F在最新的元素周期表中有6個就是早些時候在杜布納實驗室合成的,其中118號元素的合成是在2006年10月。
高速撞擊融合合成新元素的常規方法
門捷列夫元素周期表中當時沒有發現的元素,后來陸續都被人們發現了。不但如此,后來的科學家還根據這個表的規律,“制造”出了自然界中原本不存在的新元素。
元素周期表第92號元素(鈾)之后“居民”的特點就是它們大都不穩定,大都是些很容易發生衰變的“居民”。它們在自然界并不存在(準確地說,是在地球上沒有發現它們),或者說它們占在“房間”里的時間非常非常短,有個別甚至是“一眨眼不到的功夫”就變成另一個居民而“溜”走了!
因此,從鈾之后的第93號到118號元素,除镎(Np)和钚(Pu)在地球上有極微量存在外,其它都是那些至今在地球上未能被發現的元素,要通過人為創造條件分別發現它們。
人工合成新元素,科學家們通常采用這樣的辦法:經過分析計算“選出”兩個相對較“輕”的元素,讓它們的原子核相互高速碰撞。在這個過程中,有些就被撞得粉碎了,但也會有部分原子核由于相互撞擊而“融合”到一起,“合成”為一個新的核。這正是我們所要的結果:一個新元素的誕生。
我們以在德國重離子研究中心GSI 所做的合成112號元素(Cn)的實驗為例,來說明這個合成過程??茖W家把原子序數為30的鋅原子設法變成離子,讓它們成束,然后把它們注入GSI的120米長的粒子加速器內,沿直線方向加速到差不多接近“1 / 10光速”的速度,直接撞擊在原子序數為82的鉛制成薄靶上。兩個原子高速碰撞的結果是多數都被粉碎了,但還有少量融合在一起形成新的原子,那就是原子序數為30+82=112的Cn。
近年來,俄羅斯的科學家聯合美國科學家也是用類似的方法,在它們的重離子加速器中相繼合成了113、114、115、116和118號元素。
合成新元素還有其他一些方法,限于篇幅我們這里就不一一介紹了。
幾率低、衰變快 “合成”新元素不容易
合成新元素的原理,說起來并不復雜,然而要真正實現,當然并不容易。
困難首先在于,每次碰撞實驗真正能產生“融合”的機會很微小,給探測工作帶來極大困難。科學家的任務就是設法做到“多產出”,以便能夠把握這個新元素。
其次,因為這些超重元素極易衰變,雖然科學家們試圖努力地發現它們,也已經看見了一些結果,但是還不能說是穩定地抓到了,因為他們的半衰期太短。所以在指定的時間內得到這種新元素的數量非常少,也使得監測它們的儀器設備很難發揮作用??梢钥隙ㄒ稽c,如果這些元素的壽命長的話,它們就應該存在于自然界,或者存在于宇宙線撞擊地球的什么地方。
第三,要有先進的監測手段。要監測得到,首先是要求儀器靈敏度高、響應時間特別快,同時,實驗數據要能用于證明這肯定就是新元素周期表中那個期望中的“居民”。
第四,還必須能重復地得到相同結果。未能重復就不算成功,等到新元素的發現的確被他人的實驗重復,相關機構才承認它真實存在,才能命名。