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不一样的元素故事:生荣殁“鎄” |《自然-化学》专栏

日期: 来源:Nature Portfolio收集编辑:Nature Portfolio


本文是《自然-化学》元素故事系列的第90篇文章:鎄(āi)的解密


原文作者:乔安妮·雷德芬(Joanne Redfern),英国科普作家、医学作家

雷德芬为我们讲述第99号元素的故事:它是如何在美国的秘密试验中被发现的;为何它的名字是对创造它的技术的警示。 

1952年11月1日,在一场代号“麦克”的绝密实验中,美国引爆了“香肠”——世界上的首颗氢弹。爆炸将太平洋岛屿伊鲁吉拉伯岛(Elugelab)整个地夷为平地,但这次实验并非只有毁灭;因为同时有两种新元素在爆炸中诞生,即之后被命名为“鎄”和“镄”的两种元素。此次核爆威力巨大,甚至胜过第一、二次世界大战中所有使用过的高能炸药的威力总和[1]。在一瞬间,大量的中子(大约1024–1025 cm−2,参考文献[2])冲进炸弹中的铀原子堆里。有些铀原子一个就能捕获15个中子而形成极重的铀同位素,随后进一步快速经历7次β衰变,就生成了原子序为99、原子量为253的新元素。


包含第99号元素的放射性碎片从爆炸中喷涌而出,迅速壮大成60英里宽的蘑菇云。为了解更多关于热核爆炸的科学原理,美国政府派出战斗机飞越蘑菇云,通过贴在机翼箱上的特殊滤纸收集放射性尘埃[2]。具体的分析由加州大学伯克利分校的艾伯特·吉奥索和他的同事们进行,据吉奥索所说,结果大大出乎意料[3]。


吉奥索的团队检测到一个独特的辐射信号,并断定属于当时还未知的第99号元素。后来他们又从邻近岛屿上收集到的放射性珊瑚碎片中检测到相同的信号(以及第100号元素的)。由于样品中所含第99号元素的量极少(总共不超过200个原子[4]),更显得这次发现难能可贵。令人沮丧的是,因为“麦克”实验的细节被定为机密,研究组被禁止向外报道该发现。


为避开禁令,吉奥索小组着手通过其它方法制备第99号元素。他们发现使用氮离子轰击铀-238能产生一个短寿的第99号元素同位素,于是他们在1954年发表了该发现,并添加注释承认之前已存在有关于该元素的研究[5]。几个月后,“麦克”实验解密了,这使得吉奥索终于能够在1955年[6]发表了他们先前的发现。他也有幸将其命名为“鎄”(einsteinium,Es)。

爱因斯坦警告开发氢弹的危险(1950年2月12日)。来源:Keystone-France / Gamma-Keystone / Getty Images

如今科学家通过在核反应堆中用中子轰击钚,然后令生成的同位素进行β衰变而得到鎄。这是一个缓慢的过程。事实上,直到1961年(距其最初被发现已有9年),科学家们才获得了足够量的鎄,进而观察到它的银白色金属形态[4]。


鎄不仅仅稀少,还因会自毁而难以研究。它有几乎20种不同的同位素,且均具有放射性。最稳定的同位素为鎄-252,半衰期大约为472天,但它难以制备,仅可微量获得。最为普遍的是鎄-253,但其半衰期只有20天。当它衰变时会释放γ射线和X射线,破坏其自身的晶体结构,阻碍研究人员对其进行X射线晶体学分析。强烈的能量释放(1000 瓦特/克)还会引起鎄发光[7]。另外,由于鎄会迅速衰变成锫和锎,几乎所有的鎄样品都不是纯的。


鎄主要被用来制造更重的元素,比如钔,吉奥索小组利用α粒子轰击鎄-253,首次发现了钔。除此之外,科学家们还利用鎄的放射性,研究加速老化以及辐射损伤,尽管尚未商业化[7],其医学潜力已接受了检验。鎄并没有除了基础研究之外的实际用途。因此,虽然它的名字为其增添了熟悉感,普通大众将终其一生都不会接触到鎄,即使是单单一颗原子。


鎄开启了用著名科学家名字命名新元素的潮流,很难想象有谁会不喜欢这样的荣誉。但对于爱因斯坦来说,用他的名字为鎄命名似乎有些讽刺,因为他是一名和平主义者,强烈反对研发氢弹。他甚至还记录了一份为美国电视节目《今天和罗斯福夫人在一起》(Today with Mrs. Roosevelt)所写的声明,其中他警告说氢弹可能会毁灭地球上所有的生命。所以,一个从氢弹中诞生的元素最终以他的名字命名,对于此事,爱因斯坦会作何感想呢?我们将无从知晓。在吉奥索向世界宣布鎄的几个月前,爱因斯坦已不幸逝世。

参考文献:

1. Nuclear Weapon Archive (accessed 14 August 2016); http://go.nature.com/2fAKydM

2. Hoffman, D. C., Ghiorso, A. & Seaborg, G. T. The Transuranium People: The Inside Story Ch. 6 (Imperial College Press, 2000).

3. Ghiorso, A. Einsteinium and Fermium (Chemical and Engineering News, American Chemical Society, 2003); http://go.nature.com/2fdCSdz

4. Emsley, J. Nature's Building Blocks: An A-Z Guide to the Elements (Oxford Univ. Press, 2011).

5. Ghiorso, A., Rossi G. B., Harvey, B. G. & Thompson, S. G. Phys. Rev. 93, 257 (1954).

6. Ghiorso, A. et al. Phys. Rev. 99, 1048 (1955).

7. Haire, R. G. in The Chemistry of the Actinide and Transactinide Elements 3rd edn (eds Morss, L. R., Edelstein, N. M. & Fuger, J.) 1577–1620 (Springer, 2006).


原文以Einsteinium declassified为标题发表在 2016年11月16日的《自然-化学》的In your element上

© nature

nchem | doi: 10.1038/nchem.2676

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