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2019年08月24日 星期六

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讲讲元素周期表中的小故事

  文·本报记者 王婷婷

  氢氦锂铍硼,碳氮氧氟氖……

  对许多人来说,曾经附在化学书最后一页的元素周期表已经淡出记忆,然而最近的一条消息可能会重新引起人们对那些符号与数字的兴趣。日前,科学家找到第115号元素存在的新证据,如获认可,元素周期表将迎来新成员。

  1869年,俄国化学家门捷列夫按照相对原子质量由小到大排列,将化学性质相似的元素放在同一纵行,编制出第一张元素周期表。随着科技的发展,元素周期表不断得到完善。这张表揭示了物质世界的秘密,把一些看来似乎互不相关的元素统一起来,组成了一个完整的自然体系,为人类认识自然提供了一把刻度精准的尺子。

  在这张表中,除了那些熟悉或陌生的元素名称,还藏着许多有意思的故事,也许你并不知道……

  核心故事

  元素周期表将添新成员

  出镜元素:115号

  日前,瑞典科学家宣称发现了115号元素存在的新证据,如果获得认可,元素周期表将增加新成员。这项研究成果已经在学术期刊《物理评论快报》上发表。

  这一实验是在德国GSI亥姆霍兹研究中心进行的。科学家用含有20个质子的钙离子撞击含有95个质子的镅元素,合成115号元素。不过,第115号元素并没有存在很长时间,几乎立即衰变成更小的原子,同时释放出光子和阿尔法粒子。对光子能量水平的测量结果显示,这种新原子的X射线辐射水平与预计中的第115号元素相同。

  北京大学化学与分子工程学院教授王颖霞,在接受科技日报记者采访时表示,按照原子核外电子排布规律,这一新元素位于化学元素周期表中第7周期、第15族(也称第五主族,记为V A族),是氮族的一个新成员,排在铋的下面,为金属元素。

  2004年,俄罗斯和美国的科学家曾宣称发现115号元素。不过,国际纯粹与应用化学联合会(International Union of Pure and Applied Chemistry,简称IUPAC)和国际纯粹与应用物理联合会(the International Union of Pure and Applied Physics,简称IUPAP)组成的联合工作组(Joint Working Party,简称JWP)经过评估,于2011年表示缺乏足够证据加以证明。现在,联合工作组要再次对新元素进行评估,如果承认新元素,还将为它命名。

  发现故事

  “大炮”轰出新元素

  出镜元素:锝Tc

  在元素周期表中,有许多和115号一样的元素,并非天然存在于自然界中,它们是人造的。

  人工合成新元素是通过高速运动的粒子(如阿尔法粒子,其他轻元素的正离子,如硼、碳离子)去轰击另一个重原子。王颖霞解释说,在高速撞击中,会引发核反应,一种情形是原子核发生碎裂,给出轻一些的原子核;另外一种情形是,相互碰撞的原子核发生“复合”,形成重一些的原子核,例如,115号元素就是高速运动的20号元素钙(Ca)撞击95号元素镅(Am)而得到的。

  为了进行人造元素的实验,19世纪30年代,科学家们就发明了“原子大炮”——回旋加速器。在这种加速器中,可以把某些原子核加速,像“炮弹”一样以极高的速度向别的原子核进行轰击。这样一来,就为人工制造新元素创造了更加有利的条件。“大炮”的发明者美国物理学家劳伦斯因此获得了诺贝尔物理学奖。

  人工合成的第一个元素是43号元素“锝”,王颖霞告诉科技日报记者,不过后来发现,这个元素在自然界中也有微量存在。

  1937年,正是这位诺奖获得者,用含有1个质子的氘原子核去轰击42号元素钼,制得了这个新元素。锝的英文名称“Technetium”源于希腊文,意为“人工造的(artificial)”。

  这是一种银闪闪的金属,具有放射性,它的熔点高达2200摄氏度,但在零下265摄氏度时,锝的电阻就会全部消失。

  当时,劳伦斯合成得到的锝非常少,总共才一百亿分之一克。1949年,美籍中国女物理学家吴健雄以及她的同事从铀的裂变产物中,发现了锝。据测定,一克铀全部裂变以后,大约可提取26毫克锝。另外,人们还对从别的星球上射来的光线进行光谱分析,发现在其他星球上也存在锝。

  命名故事

  从人到神,都能“为我所用”

  出镜元素:鉝Lv

  今年7月,116号元素刚刚有了新的中文名称“鉝”。而目前,115号元素还没有正式的名字,暂名“ununpentium”,简称Uup。如果这个新元素被正式接纳进入化学元素表,将如何给它起名呢?

  新元素的命名一度曾比较混乱。王颖霞告诉科技日报记者,冷战时期,美国和前苏联的科学家对发现的新元素各自命名,给科研和应用都带来了很大的麻烦。为避免混乱,1977年IUPAC曾建议人工合成的元素不再另外命名,而是以其原子序数拉丁文缩写为名,例如,115号元素的名称“ununpentium”,即为“un-un-pent-ium”, un-表示“1”,“pent-”表示“5”,“-ium”是金属元素的后缀。但是,这样的命名毕竟欠缺生动的意义。1992年,IUPAC 恢复了元素命名工作,制定了新元素命名的规则。

  化学元素的名称有的是人名有的是地名,有的甚至以星宿或宗教中的神来命名。王颖霞说,对于人工合成的新元素,研究机构可以对命名提出建议,原则上采用人名或者地名。她举例说,116号元素的英文名称为Livermorium,元素符号为Lv,是以发现它的研究机构之一——美国加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(the Lawrence Livermore National Laboratory)的名字命名。

  而化学元素中文名称的确定也需要遵循几个原则。王颖霞解释说,一般是根据英文的音译来起中文名字,如果是金属元素,基本都是用金字旁加上一个与英文发音相近的汉字,并且要尽量使用繁体字库中已有的汉字。但汉字中同音字很多,如何确定使用哪个字呢?王颖霞告诉记者,以鉝元素为例,这个金属元素的名字首先确定的是左半边的金字旁,右半边部分需要参考英文发音,与这个元素英文名称发音相近的有“力”“立”“利”等等。

  在确定名称时,全国科学技术命名审定委员会首先要进行讨论,随后提出命名方案,向国内的科学和语言学界征询意见,在收集各方的意见的基础上,组织包括语言学家、化学家和物理学家在内的专家会员会进行讨论,最终确定元素的汉语名称。为保证元素汉语名称的一致性,大陆和台湾海峡两岸的专家学者也相互交流合作,共同为元素定名。从100号元素开始,除了简繁体字的区别,元素名称完全一致。116号元素就是这样有了中文名字“鉝”。

  悬疑故事

  下一个出现的是谁?

  出镜元素:未知

  序号在92以后的重元素在自然界中难以稳定存在,只能人工合成(93和94号元素在自然界有极少量存在)。近年来,科学家合成了一系列超重元素,第115号元素的两个近邻,第114号和第116号元素已经于去年正式成为元素周期表的新成员。

  人们还能合成出什么元素,周期表是否存在尽头,王颖霞表示,目前还难有定论,但幻数假说,一直以来吸引着不少研究者的兴趣。

  关于幻数,百度百科中的解释是这样的:原子核是由质子和中子构成,在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”。

  王颖霞告诉记者,迄今已知的幻数有2、8、20、28、50、82、126。自然界广泛存在的氦、氧、钙、镍、锡、铅元素的质子或中子数分别与这些幻数相对应。当原子核中质子和中子数都为幻数时,称为双幻数。例如自然界存在质子数82、中子数126的铅同位素Pb,就具有双幻数,显得异常稳定。

  一般认为,幻数的存在反映了原子核具有“壳层结构”。1949年德国物理学家迈耶和延森等人建立了原子核的壳层模型。当原子核中存在幻数时,核子以集体的形式充满了某个能级,没有核子向更高的能级跃迁,因此这些原子核相当稳定。

  科学家们正在努力寻找新的幻数,也在尝试合成新的元素,但这一切并不容易。澳大利亚国立大学核物理学家利兹·威廉斯博士表示:当前采用的方式已经接近于所能达到的极限,虽然从这些实验中获取信息需要耗费很多时间、精力和能量,但一切都是值得的。

  “探索的新元素意义并不仅仅是发现它。”王颖霞指出,观察合成新元素过程中出现的核反应现象,对科学研究的意义非常大,此外技术手段也在不断的实验中得到发展,这些都能够帮助人们更加深入地认识物质微观世界。

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