形上集

週期表兩三事

週期表有終點嗎?

撰文/高涌泉

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週期表兩三事

週期表有終點嗎?

撰文/高涌泉


俄國化學家門得列夫於1869年提出化學元素週期表,至今滿150年;為了紀念此科學里程碑,聯合國大會在2017年底宣佈2019年為國際化學元素週期表年。我不久前在美國有線新聞電視網(CNN)某新聞節目看到主持人介紹了這件事,而且以週期表小常識為題,考驗一下觀眾。題目是「哪一個國家是以週期表上某個元素為名的?」他提供了四個選項:「印度、波蘭、賴索托或是阿根廷。」答案是阿根廷,因為Argentine這個字來自拉丁文argentum,原意即是銀(Ag)。不知有多少人當下答得出來,我是不行的。


大家都知道週期表第一個元素是氫,但未必知道最後一個元素是什麼。最新週期表的最後一個元素稱為(Oganesson, Og),原子序為118。目前找到的其質量數為294,也就是說,原子核內除了有118個質子,還有176個中子。它應該還有其他同位素,不過尚未發現明確證據。和氦、氖、氬、氪、氙、氡等稀有氣體是同一族,在週期表上位於氡的下方,是第七列最後一個元素。是不穩定的放射性元素,半衰期小於千分之一秒。由於它很難產生,壽命又短,發現過程有些曲折,也可以當做很有趣的週期表益智題目。


1999年8月,美國勞倫斯柏克萊國家實驗室核子科學部門的15人團隊在《物理評論通訊》發表論文,宣稱以氪離子撞擊鉛靶,發現了三個α衰變鏈事例,衰變鏈的源頭是個新元素,他們判定新元素的原子序為118,這個元素透過α衰變可以產生原子序為116的另一新元素。《科學》與《今日物理》都立即報導了這項發現。


但是柏克萊團隊無法在爾後的實驗中看到相同的衰變事例,德國、法國、日本的實驗室也找不到類似現象。三年後,柏克萊團隊在《物理評論通訊》發表聲明撤回原來的論文。他們說在重新分析1999年原始實驗數據之後,發現「原來的三個α衰變鏈事例並不在數據之中」,意思是原來的論文錯了。有意思的是,團隊中有一人沒有參與撤回論文的聲明,《物理評論通訊》的編輯沒有具體指出到底是哪一位作者拒絕連署聲明。


事實上,柏克萊團隊在前一年(2001)夏天就已經公開承認出錯了,只是還沒弄清楚錯誤如何發生。勞倫斯實驗室主任組成專案委員會調查此事,委員會的報告在2002年8月公佈,結論是1999年的發現是刻意捏造的,不是無心之過,而且指明捏造者就是負責數據分析的論文第一作者尼諾夫。他在當年5月已被開除。儘管委員會說找到明確、可信的證據,問題就出在尼諾夫,他還是堅持不認錯。由於尼諾夫在進入勞倫斯實驗室之前,在德國參與了發現元素110、111與112的實驗,所以人們也查驗了他之前的分析,發現這些分析也出了問題,不過元素110、111與112的真實性並不受影響。


回到元素118,儘管受到柏克萊的假發現醜聞干擾,真實的進展還是出現了。由俄羅斯核子物理學家奧加涅席恩(Yuri Oganessian)所領導的俄羅斯與美國聯合團隊,於俄羅斯杜布那的核子研究所發現用鈣離子撞擊鉲靶可以產生元素118,他們於2002年發現一個事例,在2005年又發現兩個事例,但這一次大家都很小心,不敢輕易相信任何結果。直到2015年底,國際純粹與應用化學聯合會(IUPAC)在檢視所有資料(包括杜布那團隊以及其他實驗室在2005年之後的結果)後,才一口氣宣佈週期表將增加四個新元素:元素113、115、117與118。最早發現元素118的杜布那團隊取得該元素命名權,為了對發現超重元素有巨大貢獻的奧加涅席恩表示敬意,他們以做為元素名。


接下來呢?在之後,還有元素119、120……嗎?應該是有的。由於原子核殼層模型預測,在一殼層填滿之際,原子核將特別穩定,所以很多人預期,存在著所謂的「穩定島」,裡頭有比更重但半衰期卻更長的超重元素。其實的壽命雖然很短,但已經比某些理論估算的長,這似乎意味著穩定島的說法沒有太離譜。